Катастрофічна
деформація і подальша еволюція високотемпературної геотермальної системи,
як результат фреато-магматичного виверження в Каримський кальдерном озері
Е.А. Вакін, Г.Ф. Пилипенко, ІВГіГ ДВО РАН
В
термінальної частини Каримський вулкана-магматичного центру, в розташованих
поруч кальдера Каримський та Академії Наук, під впливом блізповерхностних
магматичних вогнищ сформувалася і тривалий час функціонує
високотемпературна гідротермальних система, яка проявилася на поверхні у вигляді
потужних термальних джерел. Землетрус і фреатіческое виверження на дні
кальдерного озера в 1996 р. призвели до різких змін гідрохімічного і
теплового режиму гідротермальної системи та озера. Активізувалися
що існували раніше джерела і з'явилися нові потужні виходи гідротерм.
Масована ін'єкція магматичних і гідротермальних флюїдів перетворила озеро
в басейн кислої мінеральної води об'ємом ~ 500 млн. м3 - природний
хімічний реактор, в якому переробляються продукти виверження, донні
опади і, матеріал, змитий з берегів.
В
статті обговорюється генезис і еволюція складу термомінеральних вод і газів
кальдери Академії Наук і каримська, кількісно оцінюється їх відносна
роль у винесенні і перерозподіл тепла і розчинених речовин. Простежується
динаміка гідрохімічних процесів, ініційованих виверженням. Сформована
обстановка порівнюється з існувала до виверження.
Вступ
Сучасні
гідротерми, завжди були об'єктом досліджень, як агент виносу і
перерозподілу глубінногоих тепла і речовини, але механізм їх зв'язку з
процесами, що відбуваються в магматичних осередках, залишається невизначеним.
Завдяки синхронним вивержень в центрі Каримський купольної структури в 1996
г.оду, вперше в вулканологічних практиці з'явилася можливість
безпосередньо спостерігати виникнення високотемпературних і високодебітних
термомінеральних джерел, як наслідок конкретних сейсмічних і
магматогенних подій, і простежити їхню подальшу хімічну та теплову
еволюцію.
каримська
купольна структура (Каримський вулканічний центр, надалі - КВЦ) - одне
з ланок у середній частині ланцюга вулкана-магматичних центрів, що утворюють
Східний вулканічний пояс Камчатки. Вона зародилася у вузлі перетину систем
транскорових розломів і розвивається протягом 2 млн. років з тенденцією
доцентровий скорочення площ прояви вулканічної активності.
Це пологий тектонічний купол розміром 40 х 50 км, склепіння якого осложнеен
різновіковими кальдернимі депресіями і освіченими в них стратовулканів.
В термінальній, наймолодшій, частини Каримський структури розташовані два
зближені кальдери: Академії Наук, заповнена озером, і каримська, з
однойменним діючим вулканом в центрі. У цих кальдера під впливом
блізповерхностних магматичних вогнищ сформувалася високотемпературна
геотермальна система, яка проявилася на поверхні у вигляді термальних
джерел: киплячих - Академії Наук і гарячих вуглекислих - Каримський.
В
початку січня 199б р. на дні озера в кальдере Академії Наук стався потужний
фреатомагматіческое виверження. Одночасно у сусідній кальдере почалося
звичайне для вулкана Каримський еффузівно-експлозівное виверження. Спусковим
механізмом вивержень послужило сильний землетрус (магнітуда 6,9) з епіцентром
всього в 15 км на південь від озера. Гідрологічний, гідрохімічний і тепловий режим
озера зазнав катастрофічні зміни. На його берегах активізувалися
що існували раніше термальні джерела і з'явилися нові потужні виходи
гарячих вод. Значно змінилися і умови розвантаження Каримський джерел.
Подібних явищ в вулканологічних хроніці Камчатки не відзначено.
В
даній статті зроблена спроба описати і кількісно оцінити спостерігаються
після виверження теплові та гідрогеохімічні феномени, співвіднести їх з
конкретними проявами сейсмічної та вулканічної активності і зіставити
з гідротермальних процесами, що відбуваються тут раніше.
Історія дослідження
Незважаючи
Незважаючи на віддаленість від населених пунктів і відносну недоступність, КВЦ
в геологічному, геофізичних та вулканологічних відношенні вивчений значно
краще за інших територій Камчатки. Початок дослідженням було покладено
експедицією В.І. Влодавца в 1938 р., що дала перші відомості про геологію,
вулканізм і термопроявленіях району. Геології та вулканізму КВЦ присвячені
фундаментальні праці Б.В. Іванова та великої групи геологів під керівництвом
Ю.П. Масуренкова. Найцінніший внесок у розуміння глибинної будови КВЦ внесли
багаторічні сейсмологічні і геодезичні дослідження (П. І. Токарєв, М.А.
Магуськін та ін.)
Термальні
джерела в кальдера каримська та Академії Наук відкриті в 1938 г.оду
експедицією В.І. Влодавца [5], але в подальшому дослідження гідротерм
робилися рідко і були скоріше попутними,, ніж цілеспрямованими [10].
Лішьь в 1984 р. Г.Ф. Пилипенко провела спеціальні дослідження термальних вод
кальдери каримська і термопроявленій в кальдере Академії Наук, запропонувала
концептуальну модель Каримський-Академічної високотемпературної
гідротермальної системи, визначила еее енергетичну потужність [17].
Термальні джерела в кальдере Академії Наук описані також при
гідрогеологічної Зйомки масштабу 1:200000, виконаної у 1989 р. Камчатський
територіальним геологічним управлінням.
До
моменту сейсмічних та вулканічних подій 1996 р. був накопичений великий
Об'єднаних знань з геологічною будовою, історію розвитку, вулканізму,
магматизм, гідротермальної активності та сейсміці КВЦ. Дослідження процесів
виверження і землетруси та їх наслідків проводились Інститутом
вулканології. Результати досліджень опубліковані в серії статей в журналі
"Вулканологія і сейсмологія" та інших виданнях.
В
1996, 97, 99 і 2000 гг.одах автори вивчали гідрогеологічні наслідки
вивержень. У 1996 г.оду було зроблено детальний опис і складені
великомасштабні схеми виходів гідротерм, як існували раніше, так і
що з'явилися знову. У наступні роки простежувалися зміни, що відбуваються на
ділянках їх розвантаження гідротерм. Кожного разу обстежувалися все термопроявленія
району, вимірювалися температури і дебіти джерел і водотоків, проводилося
повторне гідро - і газохімічного випробування. За цими даними определенаи
гідрогеохімічних специфіка нових і старих груп гідротерм і їх відносна
роль у винесенні тепла і речовини та формуванні аномального гідрохімічного
стоку.
Хімічний
аналіз водних проб виконаний в лабораторії Інституту вулканології,
хроматографічний аналіз газу - в Науково-дослідному геотехнологіческом
центрі та в Інституті вулканічної геології і геохімії ДВО РАН.
Геологічна будова та історія формування КВЦ.
В
геолого-структурному плані КВЦ являє собою тектонічний купол,
ускладнений в сводовой частини кальдернимі депресіями і що виросли в них
стратовулканів. Морфологічно це дугоподібний гірський масив з відмітками 500
- 600 м., що простягнувся в субмеридіональними напрямку на 50 км при ширині до
30 км. Над його поверхнею, розсіченою ярами, долинами річок і уступами
Кальдера, підносяться конуси діючих та останці зруйнованих вулканів. Крім
великих, висотою до 1600 м, стратовулканів тут безліч інших вулканічних
будівель: шлакових і лавових конусів, і воронок вибухів - Маарів, не рідко
заповнених озеерамі.
Геологічний
розріз куполи повністю складається з вулканогенних (еффузівних і
пірокластичні) і вулканогенно-осадових (кальдерно-озеерних)
верхнепліоцен-плейстоценову відкладень від кислого ліпарітового до основного
базальтового складу. Це різноманітні туфи, ігнімбріти, агломерати, пемзи,
андезитового і базальтові лави, ліпарітовие і дацітовие екструзівние тіла.
Характерною особливістю розрізу є велика кількість кальдерно-озерних
відкладень: алевроліти, пісковики, гравеліти, піски. Підставою для цих
утворень служать відкладення континентальних і прибережно-морських та
вулканогенних (у верхній частині) фацій ніжнепліоценового віку, потужністю до
1 км (щапінская і Сторожевская почту). Вони незгодне залягають на
пенепленізірованном складчастій підставі, складеному кременисто-вулканогенними,
кременисто-карбонатними, і вулканогенно-теригенними відкладеннями
крейда-палеогенового, і олігоцен-міоценового віку [19]. Метаморфізованних
верхньокрейдяними фундамент тут підведений і залягає на глибині ~ 3,5 км [18].
КВЦ
, Як ланка в ланцюзі подібних структур, що складають Східний вулканічний пояс
Камчатки, виник на перетині регіонального глибинного розлому з більш
стародавньої системою великих дислокацій Трансформаційний напрямку. Земна кора
тут розірвана на всю глибину і на тривалий час відкрито шлях для руху глибинного
тепла і речовини до поверхні. Виникла багатоповерхова система внутрікорових
магматичних вогнищ. Великий "проміжний" магматичних вогнище
діаметром ~ 30 км з центром тиску на глибині ~ 18 км встановлюється поблизу
нижньої межі кори [25]. З нього (або крізь нього) магма надходить у
блізповерхностние вогнища менших розмірів. Вторгнення магми та освіта
внутрікорових магматичних осередків привело до загального куполовидної под'еему
поверхні, а ігнімбрітовие виверження - до часткового спустошення периферичних
вогнищ та освіти кальдерних депресій у склепінні купола. Становлення купола
супроводжується розвитком складної системи лінійних, дугових і кільцевих розломів
утворили структуру "битої тарілки". КВЦ почав формуватися 2
млн. років тому. У сучасному вигляді купольна структура утворена, в основному,
за счеет накопичення вулканогенно матеріалу і, в меншій мірі, за счеет
загального под'еема поверхні.
Вулканічна активність
Каримський
центру має преоривний "ритмічний" характер: періоди інтенсивних
вивержень змінюються періодами спокою. Встановлено 4 таких ритму, кожен з
яких починався катастрофічними виверженнями з викидом сотень кубічних
кілометрів кислого, звичайно дацітового, пірокластичні матеріалу і
освітою ігнімбрітових покривів. Після цього відбувається обвалення крівлі частково
спустошували магматичних вогнищ та освіта кальдери. Кальдери заповнюються
вулканогенними пірокластичні, флювіального і озеернимі відкладеннями, всередині
них починається ріст стратовулканів андезито-базальтового складу. Далі
вулканічна активність знижується. Виверження наступного ритму локалізуються
всередині будівель попереднього, відбувається телескопічне вкладення молодих
структур в більш давні [6].
На
пізньому етапі розвитку КВЦ, наприкінці верхнього плейстоцену - голоцені, в його
південно-західної частини утворилися два зближені кальдери: Академії Наук і
Каримська. Відстань між кальдера всього 3 км, прічеем чееткіх структурних
кордонів між ними немає.
Кальдера
Академії наук виникла на місці вулканів однобокий та Академії Наук. На думку
Б.В. Іванова [9] і О.Б. Селянгіна [19], вони представляли собою єдине
вулканічне споруду. Формування кальдери почалося на початку верхнього
плейстоцену 110-8014С тис. років тому (Л.М.) після катастрофічних
вивержень пірокластичні потоків. Кальдерообразующіе виверження тривали
десятки тисяч років. У процесі вивержень було викинуто від 8 до 10 км3 туфів
і ігнімбрітов від андезитового до ліпарітового складу [6]. Від вулканів
Однобокогійо та Академії Наук збереглися тільки фрагменти їх південних секторів.
Кальдерная депресія була заповнена озером, але вулканічна діяльність у еее
межах тривала. У пізньому плейстоцене у південній частині озера утворився
великий Маар діаметром більше 1 км. Вже в голоцені, 6500 14С л.ет
н.азад, біля північного берега озера відбулося виверження з утворенням Маара
діаметром 0,8 - 0,9 км [2]. За іншими даними вік цього ( "туфів
кільця ") ~ 4800 14C років [1]. Одночасно сильний землетрус,
викликало зсув великого блоку західного борту ущелини річки каримська,
що перекрив стік з озера. В результаті, рівень води, судячи з збереглася
озеерной терасі, піднявся на 80 - 85 м вище сучасного. Примітно, що
під час цього виверження викидалася ювенільний тефра базальтового складу,
аналогічна тефре виверження 1996 р., яке відбулося в безпосередній
близькості [2].
Кальдера
Каримська почала формуватися значно пізніше - у ранньому голоцені. Це
невелика, всього 5 х 6,5 км по верхній кромці, кальдера обвалення з добре
вираженим уступом, утворена в тілі вулкана пра-Каримський. На півночі вона
зрізає схили вулкана Двір, а на півдні не має чееткіх кордонів. У кальдере
розташований діючий вулкан Каримський, лави якого перекрили всее дно
кальдери за винятком невеликої ділянки в південно-західній частині - термальні
улоговини. Кальдерообразующіе виверження (типу Кракатау) почалися на вулкані
пра-Каримський близько 7700 л.ет н.азад і тривали ~ 200 років [6]. За цей час
було викинуто від 4 до 6 км3 пірокластікі від ліпарітового до
Ліпарі-дацітового складу (пемзовие туфи пірокластичні потоків, бомби,
лапіллі, відкладення пекучих хмар), що призвело до обвалення центральній частині
вулканічної споруди [9]. Далі настав тривалий, більше 1000 років, період
ослаблення вулканічної активності та накопичення в кальдере озеерних і
флювіальних відкладень [6]. Судячи з гідротермально ізменеенним породам
(каолініту), що спостерігається в ерозійних врізаючи південно-західного борту кальдери, в
ранньому голоцені тут відкрито розвантажувалися води, подібні сучасним
парогідротермам кальдери Узон [16].
Близько
5300 14С л.ет н.азад в кальдере почалося зростання стратовулкан
Каримський. Склад продуктів його вивержень на початкових стадіях
формування відповідав андезито-базальту, на подальших - андезито-Дацит.
Висота конуса вулкана над дном кальдери ~ 700 м, Об'єднаних ~ 0,8 км3.
500014С років тому в південній частині кальдери сталося одноактні
виверження: утворився лавовый конус "Табірний" з невеликим потоком
андезито-базальтів.
На
останніх етапах формування вулканічного центру особливу роль відіграє потужна
субмеридіональна зона діз'юнктівних порушень, розсікати західну частину КВЦ
[9]. Зона контролює лінійне розташування вулканів і кальдери - центрів
найпотужніших проявів кислого вулканізму у верхньому плейстоцені --
голоцені. Розломи мають тут глибоке закладення і є магмовиводящімі. У
межах зони послідовно в часі виникають блізповерхностние
"кальдерообразующіе" магматичні вогнища. Субмеридіональна
тектонічна зона продовжує активно розвиватися, особливо в середній
частини, на ділянці кальдери каримська - Академії Наук, де фіксується
максимальна деформація (розтягнення) поверхні [13]. "У осьової еее
(зони) частини закладається грабен протяжністю 15 км. Найбільш чеетко він
виявлений на ділянці зближених кальдери Академії наук і Каримскойая ..
Сучасна гідротермальних діяльність зосереджена виключно в межах
цієї ділянки грабена. "[Г. Ф. Пилипенко, 1989, стор 88].
Гідротермальнаиея система.
Кальдери
Академії Наук і каримська виділяються серед інших структур КВЦ потужної
сучасної гідротермальної активністю. У кальдере Академії Наук розвантажуються
високотемпературні гідротерми і їх менш гарячі деривати, а в кальдере
Каримська розташований найпотужніший на Камчатці вогнище розвантаження вуглекислих терм.
Вважається, що ці джерела є поверхневими проявами великої
геотермальної системи, укладеної в кальдерних депресіях].
Молоді
кальдерние депресії сприятливі для формування гідротермальних систем. З
гідрогеологічної точки зору це невеликі накладені артезіанські басейни
з тріщиною-пластовими або тріщини водними резервуарами в занурилися
блоках докальдерних вулканів і породи вибухового генезису, що заповнюють
депресії. Їх інфільтраційне водне живлення забезпечується завдяки рясним
атмосферних опадів (на позначках ~ 600 м не менше 2000 мм/рік), і високої
проникності кільцевих розломних зон і вулканітів, що складають борту і схили
кальдери. Водоупорамі, ізолюючими артезіанські резервуари від поверхневих і
грунтових вод, служать кратерного-озеерние відкладення і гідротермально-змінені
породи. Водопроникність вулканогенних порід різко зростає в зонах
тектонічної трещіноватості, які відіграють роль основних, часто єдиних,
каналів міграції гідротерм. Загальні уявлення про природу гідротермальної
активності в кальдера каримська та Академії Наук були уточнені за даними,
отриманим шляхо дослідження природних термопроявленій. У кальдере
Академії Наук до виверження 1996 основна ділянка розвантаження гідротерм
знаходився на південному березі озера. Тут, на ділянці довжиною понад 1,5 км,
спостерігалися виходи термальних вод у вигляді потужних киплячих джерел, джерел
з меншими температурами, лінійного висачіванія в кам'янистому пляжі, підводних
виходів в прибережній смузі. У зимовий час уздовж берега спостерігалися довгі
ополонки шириною до 50 м. Ділянка максимального прогріву з киплячими джерелами
і ширяючими майданчиками (власне джерела Академії Наук) простягається на ~ 250
м уздовж берега і на ~ 80 м вгору по схилу. Найпотужніші виходи термальних вод
розташовані на висоті 10 - 12 м над рівнем озера, в 40-50 м від берега. Там на
площі близько 2000 м2 налічувалося до 50 киплячих грифонів і
джерел з температурою 80-98o С (тут і далі температура в
градусах Цельсія). Два з них працювали в пульсуючому режимі і навіть отримали
імена: гейзери "Сердитий" і "Карлик" [10]. Вода
джерел збиралася в водоеемах - "ваннах", що утворюють дві каскаду
на струмках, що стікають в озеро. Ванни великі (28 х 7 м та 15 х 7 м), глибокі (до
1,4 м) і надзвичайно гарні, заповнені прозорою водою, з рожевими
гейзерітовимі стінками і дном. У західній ванні з воронки в дні вибивав потужний
пульсуючий грифон з температурою 98o, що кидає воду на висоту
більше метра. У верхньої межі термальною майданчики спостерігалися виходи пари в
вигляді ділянок ширяючого грунту, киплячих безстічних грязьових і водних
(конденсатних) котлів. [10,17].
Гідрогеологи
А.Л. Булигін і О.В. Куніцин під час с'еемочних робіт 1989 описали
термальні джерела з температурою 41-80o в 500 м на схід від ванн:
"висачіваніе в травертину" (?) на урізу води озера (сумарний дебіт
1,5 л/с) і "слабкі виходи пара" на схилі на висоті ~ 40 м. над ними.
Далі, в 1200 метрах, вони виявили грязьовий котеел і висачіваніе з тріщин з
температурою до 87o і дебітом 0,3 л/с.
Опубліковані
різними авторами аналізи води і вільного газу джерел Академії Наук
показують, що за комплексом ознак вони близькі до вод, типовим для
високотемпературних гідротермальних систем [5, 10, 11]. Це вуглекисло-азотні
хлоридно-натрієві води з відносно низькою (~ 1,5 г/л) загальною мінералізацією.
Такий склад мали б гідротерми Долини гейзерів, удвічі розбавлені прісними
водами [20]. Всі без винятку аналізи вільного газу джерел Академії
Наук виявляють високе, до 24% об'еема, вміст кисню, що є
ознакою підмішування насичених киснем повітря холодних поверхневих вод
. За N2/O2 відношенню до рівноважної з повітрям газової суміші,
раствореенной в холодній воді (1,79), можна обчислити "повітряну"
складову спонтанного газу. Виділяється при виході гідротерм Академії Наук
на поверхню газ, ~ на 50% складається з повітря, а його "глибинна"
частина має типовий для високотемпературних гідротерм склад: N 2 --
59, CO2 - 36, CH4 - 3,4, Ar - 1,0% об'еема. У
вільному газі відмічена підвищена концентрація Rn ~ 960 Бк/л [21], що також
звичайно для двофазних (вода і пара) осередків розвантаження гідротерм. Джерела
Академії Наук виділяються дуже високим вмістом кремнієвої кислоти (> 0., 3
г/л), це також властивість високотемпературних гідротерм. Опаловое відкладення
киплячих джерел - гейзеріти поширюються далеко за межі ділянок
сучасної розвантаження джерел Академії Наук. Під гейзерітамі залягають
грубоуламкові туфобрекчії, зцементовані кремнезеемом і гідроксиди
заліза. Такі "гідрохімічні" брекчії зустрічаються в берегових
обривах по всьому амфітеатру вулкана Академії Наук. Це пряме свідчення
дуже тривалої й істотно потужнішою, ніж сучасна,
гідротермальної активності в південній частині кальдери. Витрата джерел Академії
Наук у 1984 р., розрахований гідрохімічних методом, ~ 50 л/с, винос тепла --
~ 20 МВт. [17]. Глибинна, "базова" температура термального резервуара
за показаннями гідрохімічних геотермометров - 240-285о. Висхідні
гідротерми тут приблизно на ~ 50% розділені інфільтраційних водами, а
скипання їх суміші ідеет на поверхні або на глибині всього декілька метрів.
На
північному березі озера, в 1 км на схід від витоку річки каримська, протягом
200 м були відзначені ознаки розвантаження термальних вод: ополонка шириною до 50 м,
вільна від снігу суха смуга піщаного пляжу шириною 3-7 м, цівки газових
бульбашок, що йдуть з піщаного дна. Біля витоків річки також спостерігалася велика
ополонка у формі півкола з радіусом близько 100 м. [17]. Ці термоаномаліі
располагаюется в безпосередній близькості від місця виверження, що відбувався
тут 6500 - 4700 л.ет н.азад [1, 2].
В
кальдере Кримскойая в кінці плейстоцену - нначале голоцену відкрито
розвантажувалися парогідротерми, і обстановка тут нагадувала сучасну кальдери
Узон з гарячими озеерамі, киплячими джерелами і сольфатарнимі полями.
Кальдерние відкладення тривалий час піддавалися гідротермальної переробці.
У міру зростання в кальдере конуса вулкана умови розвантаження і інфільтраційного
живлення підземних термальних вод змінювалися. Виходи гідротерм були перекриті
лавами і "задавлені" холодними водами, що накопичуються в конусі
вулкана.
Сучасні
термопроявленія зосередилися в термальною улоговині, в південно-східній частині
кальдери, на єдиному не перекрито молодими лавами ділянці її дна площею
2 км2. Сюди ж направлений сток термальних вод, розвантажуються під
лавами сучасного вулкана, а також грунтовий і поверхневий стоки метеорних
вод кальдери з площі ~ 40 км2, тому улоговина сильно обвідної
і заболочена. Через улоговину протікає річка каримська, що дренують сток
термальних і холодних вод. Це визначило специфіку умов розвантаження Каримський
терм, більша їх частина розвантажується в тееплих болотах. Переважають два основних
типи джерел.
1.
Висхідні газують джерела з температурою від 25 до 42o С і
дебітом 0,15 - 0,51 л/с. На виході їх води відкладає велика кількість гідроксиди
заліза, утворюючи лімонітовие конуси з газують грифонами на вершинах,
глибокі водяні воронки і озерця з плоским дном. Сумарний видимий дебіт таких
джерел ~ 75 л/с.
2.
Спадні джерела з температурою 10-20oС, що випливають з-під лав
Каримський вулкана, у вигляді потужних джерел і рясних струмків. Такі виходи
часто супроводжуються закінченням вуглекислого газу (Мофетілу). Сумарний дебіт
цих джерел дуже великий: ~ 500 л/с.
За
хімічним складом води висхідних джерел вуглекислі SO4-HCO3-Cl
/ Mg-Na-Ca, з мінералізацією до 2,8 г/л і рН 6-7. У підвищених концентраціях в
них містяться раствореенний CO2 (~ 1г/л), SiO2, B, F, Li.
У складі спонтанних газів домінує CO2, ~ 90%. Це яскраво
виражені вуглекислі терми. Високі концентрації Mg2 + виділяють ці
води в особливий, що рідко зустрічається в природі і дуже цінний в бальнеологічному
відношенні підтип магнієвих вуглекислих вод. Умовно вони названі "теплими
Нарзаном ". Води низхідних джерел відносяться до того ж
гідрохімічного типу, але вони різною мірою розділені інфільтраційних
водами і частково дегазувати. У їх газовій фазі підвищується вміст N2
і О2, тобто з'являється повітряна складова.
Загальна
розвантаження термомінеральних вод в кальдере каримська, з учеетом прихованого стоку,
становила 770 л/с, а винос тепла ~ 136 МВт. Питома винос тепла (щільність
конвективного теплопотока), в термальною улоговині 73 Вт/м 2, що на
три порядки інтенсивніше середнього для вулканічних областей Камчатки. Такі
високі енергетичні параметри типові для високотемпературних
гідротермальних систем, але не характерні для родовищ вуглекислих вод.
Г.Ф.
Пилипенко була запропонована наступна модель формування Каримський
термомінеральних вод,. Гідротерми в кальдере каримська не виходять на
поверхню у вигляді гейзерів або киплячих джерел, і не скипають на глибині,
формуючи паро-конденсатні зону, як це відбувається на багатьох геотермальних
родовищах. Висхідний потік перегрітих вод з основного геотермального
резервуара з температурою 200 - 250o на глибині 150 --
400 м (при тиску 15 - 40 атмосфер), минаючи процес закипання, змішується з
інфільтраційних водами. Виникає проміжний резервуар - реактор, в
якому насичені СО2 і Н2S глибинні гідротерми
взаємодіють з збагаченими О2 інфільтраційних водами.
Утворилася агресивна суміш реагує з водовмещающімі породами,
зазнало гідротермальних переробку на більш ранніх, високотемпературних,
етапах гідротермальної активності. Тоді в метасоматітах, особливо в
приповерхневої зоні аргіллізаціі, відбувалося накопичення Mg, Fe, Ca, S.
Перетворення їх у нові мінерали ідеет при температутурах 140-70o.
Магній мінерали (Хлорити, монтморілоніти) утворюють різного роду
скупчення в асоціації з іншими спорідненими мінералами. При температурах нижче
70o в зоні аргіллізаціі починається інтенсивне вилуговування
мінеральних новоутворень. У розчини переходять сульфати і гідрокарбонати
кальцію і магнію, формуються води "Нарзан" типу [17].
В
складі Каримський нарзанів отчеетліво розрізняються два компоненти:
"глибинна", аналогічна високотемпературної складової терм
Академії Наук, і "Нарзан", близька за складом низькотемпературним
вуглекислих вод, що формується в товщах метасоматітов. Їх макрохіміческій
склад відповідно: M 2,2 г/л; Cl75 SO415/Na95% мг-екв; SiO2> 300
мг/л і M 2,9 г/л; HCO360 SO440/Mg60 Ca25 Na15% мг-екв;
SiO2 <100 мг/л. Ці гіпотетичні складові, змішані в
відношенні ~ 1/4 - -1/5, по складу і по температурі (оскільки всее тепло приноситься
з глибинною складовою) відповідають Нарзаном термальною улоговини.
Таким
чином, у надрах кальдери Академії Наук і Каримскаяой до сейсмічних і
вулканічних подій 1996 вже тривалий час, йшла розвантаження потужної
високотемпературної гідротермальної системи, локалізованої в межах
субмеридіонального грабена, що перетинає обидві кальдери. Величезні маси
високотемпературних газо-водних флюїдів і колосальна теплова енергія,
акумульовані на відносно невеликій глибині в геотермальних резервуарах,
НЕ моглаі не вплинути на хід фреатоо-магматичного виверження.
Виверження і наслідки. Хід і результати вивержень.
2
Січень 199б р. на дні озера в кальдере Академії Наук сталося
фреатомагматіческое виверження. Одночасно у сусідній кальдере почалося
виверження вулкану Каримскогоій, яке тривало до липня 2000 Спусковим
механізмом вивержень послужило сильний землетрус (магнітуда 6,9) з
епіцентром в 15 км на південь від озера. Підводне виверження було коротким, всього 18 --
20 годин, але дуже потужним - в сотні разів потужніше за одночасного виверження
вулкана Каримскогоій. Вибухи в озері, що прямували з інтервалом ~ 15 хвилин,
викидали магматичних матеріал і гази на висоту 5 - 8 км. Теплова енергія
одиночного вибуху (їх було ~ 100) оцінюється в (5-34) х1013 Дж [25].
Леед на озері повністю розтанув, температура води піднялася до ~ 25oС.
На поверхні, хвилі цунамі змили пухкі відклади і знищили берегову
рослинність на берегах на висоту до 15 м. По річці каримська до самого гирла
пройшла хвиля катастрофічного паводку, який залишив на термальному поле
Каримський джерел півметровий грязьовий шар. В процесі виверження було
викинуто ~ 40 млн. м3 (~ 80 млн. тонн) пірокластичні матеріалу. У
основному це ювенільний базальтова тефра, що складається з неспекшіхся бомб,
розміром до 15 см, лапіллі, шлаків. На заключних стадіях виверження
викидалися пемзовие бомби від андезітового до ріолітового складу. [8].
Продукти виверження повністю перекрили стік з озера. В результаті скидання в акваторію
вивержених і змитого з берегів рихлого матеріалу і талої сніговий води, а
також через вертикальних тектонічних зсувів поверхні, рівень води в
озері піднявся більш, ніж на 2 м.
15
Травень перемичка у витоку річки була розмита, і почався другий екстремальний скидання
води з озера. Термальне поле в кальдере каримська знову було залито водою і,
після еее догляду, значна частина мінеральних джерел виявилася
погребеенной під принесених з озера перевідкладеного пірокластичні і
резургентним матеріалом. Після спаду води в озері біля північного берега
утворився півострів площею 0,4 км2 (півострів Новорічний),
що охоплює з треех сторін шестисотметрова вибухову воронку (кратер
Токарева), заповнену водою (рис.11).
Рис.
1
Одночасно йшло еффузівно-експлозівное
виверження центрального кратера вулкана Каримскогоій. Воно почалося з вибухами
викидом бомб і попелу на висоту більше 1 км, а в середині січня на південно-західний
схил пошеел перший потік глибового лави. Зіслання лави продовжувалося з
перервами більше року, довжина потоків досягла 1200 м, Об'єднаних перевищив 11 млн. м3.
Вибухи та газові продувки з максимальною частотою, понад 400 на добу,
тривали до липня 2000 р., маса пірокластікі за перший рік виверження - 6,3
млн. тонн. Склад вивержених матеріалу - традиційний для Каримський вулкана:
среднекаліевие андезити [8]. Енергія виверження за 1996 р. оцінюється в 3 х
1016 Дж. [14].
Синхронні
виверження передували і супроводжувалися цілою серією землетрусів: 31.12.1999
р. з магнітудою 5,8 в Кроноцкого затоці, 1.01.2000 р. (М 6,9) поблизу кальдери
Академії Наук, і протягом місяця, потужним роєм більш слабких землетрусів [25
]. Сила землетрусу 1 січня в кальдера Академії Наук і каримська була> 9
балів. Виникла тектонічна активізація меридіональної розломно зони. У
верхів'ях р.. Каримська протягом 2,5 - 3 км залягали нові тріщини з розкриттям
на поверхні до 2,5 м і амплітудою вертикального зміщення 0,5 - 1,5 м [12].
На півострові Новогоднемій на нових тріщинах розташувалися воронки малих
фреатіческіх вибухів і виходи високотемпературних гідротерм. У термальною
улоговині уздовж нових тріщин з'явилися потужні газують джерела і
протяжеенние лінійні виходи термомінеральних вод (див. рис. 1). Головні удари
стихії в січні 1996 р. взяло на себе озеро Каримський.
Каримський озеро після виверження.
Виверження
і ініційовані ним екзогенні процеси призвели до катастрофічних змін
гідрологічного, гідрохімічного та температурного режиму озера. Найчистіше
абсолютно прісний водоеем діаметром 3,5 км і глибиною до 70 м в лічені години
перетворився в резервуар кислої (рН <3,2) мінералізованою води - гігантський
природний хімічний реактор об'еемом ~ 0., 5 км3, в якому почалася
переробка розчинилися летких і подрібнених твеердих (включаючи попелу
вулкана Каримскогоій) продуктів виверження, озеерних мулів, матеріалу змитого з
берегів. На берегах озера активізувалися які існували раніше, термальні
джерела і з'явилися нові потужні виходи гарячих вод у витоках р. Кримська, на
кромці вибуховою воронки (кратер Токарева) і біля північного берега [4].
Гідрологічні,
теплові і гідрохімічні параметри озера після виверження вивчались групою
дослідників під керівництвом С.М. Фазлулліна. За їх даними озеро в
нормальному стані має наступні основні характеристики: площа водної
поверхні - 9,8 км2, максимальна глибина - 61 м; обсяг води в
озері - 460,6 млн. м3. Була зроблена оцінка теплової енергії,
акумульованої озером під час виверження 1996 Враховувалося тепло,
витрачений на плавлення льоду, нагрівання води та теплова енергія вибухів.
Отриману величину - 1016 Дж - самі автори вважають заниженою,
оскільки не вдалося визначити тепловіддачу з поверхні озера [23, 24].
Перетворена
в результаті виверження вода озера принципово відрізняється від вод усіх
термальних джерел, - і що існували тут раніше, і що з'явилися знову. За
гідрохімічних характеристиками вона відноситься до "фумарольним термам
поверхневого формування "[11]. Гідротерми цього типу формуються при
прямому контакті вулканічних газів з поверхневими водами. Озеро дренується
єдиним водотоком - річкою каримська. Склад води озера наведено в таблиці
1 (NN 1-7). Це кисла мінералізована хлоридно-сульфатна,
магній-натрій-кальцієва вода. Під час виверження вода в озері перемешена і еее
склад у першому наближенні можна вважати однорідним повсей глибині [24].
Рис.
2
Зримим, що піддається вимірюванням результатом
цих процесів, виходом з "геохімічного чорного ящика", є
склад води в річці, яка витікає з озера. Спробуємо простежити динаміку
зміни статичних запасів основних компонентів мінералізації води озера і
величину їх виносу річкою (динамічних запасів). В якості
компонентів-індикаторів використовуємо речовини, що визначають гідрохімічний тип
води (Cl-, SO42-, Na +, Ca2 +,
Mg2 +). Для зручності подальших побудов перерахуємо SO42 -
в S0. Результати расчеета елементів гідрохімічного балансу озера
за 1996 - 2000 гг.о та наводяться в таблиці 2. .
За
усереднену концентрацію компонентів в озері прийнято їх зміст на витоку
ріки (див. табл. 1, верхній створ). Оскільки регулярні режимні спостереження не
проводилися, динамічні запаси (річний сток) розраховані по вимірах меженний
витрат у липні - серпні. У річному стоці за 1996 рік враховано катастрофічні
паводки в січні і травні (46 млн. м3) [14, +24]. Наведені цифри мають
оціночний характер, тому округлені до тисячі тонн. На діаграмі (рис. 2)
показані масштаби і тенденції зміни статичних запасів в озері і виносу
раствореенних речовин.
Найбільш
помітним геохімічним наслідком виверження був масований викид сірки в
гідрохімічних систему озера. Статичні запаси сірки в озері миттєво
зросли в ~ 60 разів. З огляду на величину виносу річкою (динамічні запаси) в 1996
г в озеро надійшло 69,7 тис. тонн сірки (швидше за все, у вигляді SO2).
В цей же час, запаси Cl зросли в ~ 4, а Na в ~ 6 разів. Їх винос з озера
збільшився відповідно в ~ 10 і 14 разів (6,8 і 10,9 тисяч тонн/рік), а надходження
в 1996 р. склало 20,4 і 32,0 тис. тонн. У нормальному режимі до виверження
привнось Cl становив 700 і Na 800 тонн на рік. У 1997 р., після різкого зниження
запасів і виносу раствореенних компонентів, гідрохімічна обстановка в озері
тимчасово стабілізувалася, при цьому зберігався позитивний баланс
привнось-виносу речовини в гідрохімічних систему озера. Статичні і
динамічні запаси по всіх основних компонентів змінюються у вузьких межах.
Ідеет постійне, щодо рівномірне надходження і винос S, Cl, Na, Ca, і
лише в 2000 р. намічається нова тенденція зниження запасів і збільшення виносу
(див. рис. 2). Збільшення транзиту цих речовин через озеро пояснюється
значним підвищенням дебіту термомінеральних джерел на його берегах.
Джерела Академії Наук.
Сейсмічні
і вулканічні події 1996 г.ода змінили умови розвантаження гідротерм. У
результаті різких коливань рівня озера і приливних хвиль по всьому південному
березі на висоту більше 5 м змито чохол покривних відкладень і вироблений новий
абразійних уступ. Через нерівномірних тектонічних зрушень південний берег озера
був піднятий, і на поверхні виявилися підводні термальні джерела.
Термальна активність на березі різко зросла: виходи джерел з
температурою кипіння простежуються з перервами протягом 1500 м, а з
температ
