: 22 дек 2010 , Изучать не разрушая , том 35, №5

Горячая кровь Земли. Неинвазивная диагностика вулкана

На активных вулканах происходят события, которые являются отражением процессов, протекающих в глубине планеты. Оттуда по естественным каналам поднимается «кровь Земли» – термальные флюиды, выносящие на поверхность смесь веществ, богатую редкими химическими элементами.

С помощью геоэлектрических исследований и физико-химического моделирования ученые получают информацию о путях миграции этих элементов. Практический смысл данных работ – разработка новой методики поиска рудных месторождений и месторождений термальных вод

Активные вулканы – уникальные геологические объекты, на их склонах и в кратерах часто появляются источники термальных вод и газов. Эти явления – отражение процессов, происходящих в раскаленных глубинах Земли, поскольку территории современного вулканизма связаны с зонами активных геодинамических процессов (Добрецов и др., 2001). В частности, все российские действующие вулканы возникли над зоной субдукции – областью, где под континентальную тектоническую плиту погружается океаническая плита. В некоторых местах ее материал плавится, образуя магматические очаги. Выходящие на поверхность газо-гидротермальные потоки, очевидно, формируются на основе расплавленного вещества из таких «очагов».

Основную роль в процессах формирования вулканических термальных растворов играют грунтовые воды, осуществляющие перенос тепла и вещества. Фильтруясь сквозь толщу вулканогенных пород, вода выборочно «выщелачивает» из них химические элементы, которые переходят в растворимую форму. Среди пополняющих раствор элементов могут быть и породообразующие (кремний, алюминий, кальций), и примесные (микроэлементы). Но большая их часть так и не достигает поверхности. Причина этого кроется в трудностях пути наверх.

Восхождение из адского пекла

Восходящие потоки магматического флюида встречаются на своем пути с различными препятствиями. Они возникают из-за того, что толща земной коры сложена слоями разной степени проницаемости, которые образуют самые причудливые конфигурации. Из-за наличия таких геоструктурных особенностей пути миграции флюидов к поверхности представляют собой извилистые линии, которые могут многократно пересекаться и ветвиться.

Прилегающие друг к другу слои (горизонты) вулканогенных пород иногда резко различаются по физико-химическим свойствам. Граница раздела между ними является своего рода полупроницаемым барьером, потому что проходящий через него флюид может претерпевать фазовое разделение с разными скоростями движения фаз. Когда при этом происходит перемещение компонентов между фазами, тогда говорят о возникновении геохимического барьера.

Например, снижение проницаемости приводит к увеличению давления в потоке, что может вызвать конденсацию и расслоение газообразного флюида на жидкий конденсат и насыщенный влажный пар. К подобному явлению приводит и взаимодействие флюида с более холодными грунтовыми водами. В последнем случае конденсат может перемешиваться с водой, при этом степень смешения (разбавления) и обмена ионами определяется разностью температур и соотношением между потоками флюида и воды.

Вход в слой с большей проницаемостью приводит, наоборот, к резкому спаду давления. При этом жидкий флюид может вскипать; тогда в паровую фазу (сепарат) частично переходят летучие компоненты (CO₂, H₂S, HCl и т. п.), а металлы в виде гидроксидов и солей остаются и концентрируются в жидком конденсате. Так формируется рудоносный флюид, который в благоприятных условиях может в итоге образовать рудное месторождение.

На пути флюида к поверхности Земли фазовые переходы из газообразного состояния в жидкое и обратно могут происходить неоднократно. При этом процессы массопереноса определяют изменение физико-химических свойств (в том числе и элементного состава) термальных растворов по пути следования вплоть до разгрузки их компонентов на поверхности Земли.

Важно отметить, что процессы переноса веществ идут частично, а не «до победного конца». Это значит, что в итоговом растворе, бьющем из источника, остаются следы всех химических элементов, хотя большую часть их он мог растерять по дороге. По этим следам в принципе можно не только прочитать историю его формирования, но и предсказать, где искать «потери».

Ищем клад

Для практического прогнозирования рудных месторождений и термальных вод нужны более точные фундаментальные знания о происхождении и эволюции гидротермальных флюидов, систематизированные в рамках единой теории. На современных вулканах исследователи получают фактиче­скую информацию (совокупность гидрогеохимических и геофизических данных), необходимую для конструирования такой теории.

Вначале следует изучить строение гидротермальной системы вулкана и понять процессы и механизмы перехода в раствор и отложения химических элементов на пути миграции флюида, при этом немаловажную роль играет физико-химическое моделирование. Но для понимания условий формирования солевого состава подземных вод важно, чтобы в основу исследования были положены объективные измеряемые физико-химические параметры водной и вмещающей среды: температура и проводимость, соотношения основных ионов и микроэлементов, состав газа и т. д.

Натурное исследование объекта осложняется присутствием подвижных фаз. Механическое бурение скважины для отбора проб на глубине неминуемо разрушило бы структуру потоков в вулкано-гидротермальной системе, поэтому такой метод не сможет дать объективной картины изучаемых процессов.

К счастью, последние несколько лет геофизики интенсивно развивают технологии дистанционного неразрушающего контроля. Например, по электропроводности грунта можно установить, какая фаза (газообразная или жидкая) его наполняет, а также уровень его проницаемости.

К неразрушающим методам относят, например, электротомографию (ЭТГ) и частотное электромагнитное зондирование (ЧЭЗ) – их часто используют для решения инженерно-строительных задач и при археологических исследованиях. С помощью обоих методов получают карту неоднородностей грунта, отличающихся удельным электрическим сопротивлением (УЭС).

Электротомография – метод наиболее зрелый и проверенный. В геоэлектрике он по праву может считаться реперным и дающим максимально точное значение глубины объектов. Более информативным инструментом для определения фазовой структуры гидротермальных систем является частотное зондирование.

Горячая кровь

На территории России в течение последнего десятилетия активную деятельность проявляли вулканы Мутновский (Южная Камчатка) и Эбеко (Северные Курилы), что представляет несомненный интерес для геологов.

Термальные растворы этих вулканов обладают сильной кислотностью (рН может достигать 0,5); главные химические элементы кислотообразующих анионов – хлор и сера. Катионный состав намного более разнообразен – он представлен десятками металлов.

Кроме того, исследователи отмечают весьма интересный факт: в водах двух терм, расположенных всего лишь в нескольких метрах друг от друга, катионный состав иной раз контрастно различается. В чем кроется причина этого явления? Казалось бы, потоки вещества, питающие эти термы, имеют один и тот же источник и проходят к поверхности Земли сквозь одинаковую толщу и практически рядом.

Загадочная причина гидрогеохимической неоднородности близко расположенных термальных источников и побудила сотрудников Института геологии и минералогии и Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН заняться совместными исследованиями этих вулканов, чтобы понять пути миграции растворов и превращения, которые они претерпевают на своем пути к поверхности.

Следует заметить, что поверхностные слои земли характеризуются высоким вертикальным градиентом температуры и концентрации кислорода. Такой геохимический барьер является благоприятным фактором отложения вещества на небольшой глубине (порядка десяти метров). Поэтому изучение термальных полей в непосредственной близости от поверхности Земли представляет наибольший интерес. Сибирские ученые впервые в России применили для этой цели малоглубинные методы геофизики – электротомографию и частотное электромагнитное зондирование.

Электротомографией выявляются неоднородности на глубине в несколько десятков метров, однако пространственное разрешение этого метода невысоко. При частотном зондировании достигается более высокая детализация, но предельная глубина меньше. Поэтому была выбрана последовательная методика исследований: сначала с помощью электротомографии получали приблизительную карту поля УЭС под исследуемой территорией и по ней определяли места, наиболее интересные для геохимической съемки. Затем детальное зондирование выполняли аппаратурой, работающей на основе метода частотного зондирования.

В ходе полевых исследований специалисты использовали не только традиционные, но и специально разработанные для изучения гидротерм методики. Одна из них связана с наложением постоянного электрического поля при частотном зондировании, что позволяло более контрастно проявить проницаемые водонасыщенные каналы.

Разных полей «ягоды»

На термальной площадке Донного поля вулкана Мутновский есть грязевые котлы, в каждом из которых содержится уникальная ассоциация химических элементов. Среди них выделены титан, ванадий, хром, никель, редкоземельные элементы и металлы платиновой группы c аномально высокой концентрацией (Бортникова и др., 2009). Использование исключительно химико-аналитических методов не пролило свет на необычный состав термальных растворов.

С помощью ЧЭЗ удалось различить каналы вблизи поверхности (на глубине 5—8 м), по которым одновременно подводятся жидкофазные термальные растворы и газ. Оказалось, что потоки гидротермальных растворов не распределены равномерно по пространству под термальной площадкой, а сгруппированы зонально. При этом разнофазные потоки не перемешиваются, что и объясняет разнообразие термальных грязей.

На том же Донном поле существуют и так называемые «рыжие водоемы» – гематитовые лужи, которые содержат большое количество двухвалентного железа. До недавнего времени их контрастно отличающийся химический состав оставался необъясненным. ЧЭЗ показало, что они имеют хоть и небольшие, но вполне различимые каналы, подпитывающие эти термы.

На вулкане Эбеко гидротермальное отложение веществ глубинного происхождения идет в основном на Северо-Восточном фумарольном поле. На трехмерной электротомографической карте распределения УЭС наглядно интерпретируется наличие парогазовой зоны, которая ближе к поверхности переходит в зону высокоминерализованных растворов. В этой зоне из парогазового потока отделяются вещества, переходящие в водную фазу – так происходит эволюция последовательного формирования раствора.

Таким образом, неразрушающий контроль продемонстрировал для вулканологии великолепный результат при изучении подводящих каналов активных гидротерм и подповерхностных фазовых барьеров.

К сожалению, параметры физико-химических трансформаций веществ пока не представляется возможным измерить экспериментально in situ, т. е. непосредственно в природных условиях. Но зная свойства каждого из этих веществ в отдельности, можно с определенной долей приближения предугадать, какие они будут претерпевать изменения. Такой умозрительный процесс называют физико-химическим моделированием. Основой (набором входящей информации) для моделирования являются данные полевых исследований.

Так, в результате физико-химического моделирования открыто несколько важных закономерностей, на основе которых сформулирована гипотеза о миграции химических элементов от магматической камеры до земной поверхности. Она положена в основу разработанной концептуальной схемы вулкано-гидротермальной системы.

Модель предполагает наличие неглубоко (менее 3 км) расположенной магматической камеры и хорошо проницаемого вертикального канала в толще горных пород, по которому горячие флюиды поднимаются к поверхности Земли.

Часть элементов, переносимых магматогенным флюидом, происходит из первичного расплава, другая часть выщелачивается (экстрагируется) из пород по пути следования. При встрече флюида с пластами подземных вод происходит остывание и разбавление термальных растворов, однако на химический «портрет» растворов это влияет несущественно – так следует из результатов моделирования.

Важнейший вклад в концентрирование растворов вносит эффект фазового разделения. Выяснено, что конденсация происходит в основном из-за остывания растворов по мере удаления от внутреннего источника тепла, а вскипание – вследствие спада давления при входе в менее плотный слой. При этом оба случая фазовых переходов способствуют обогащению жидкого раствора металлами, а с газом уносятся элементы, образующие летучие гидриды.

Вот так, в общих чертах, и формируются рудоносные флюиды, при благоприятных условиях способные образовывать рудные месторождения.

Безусловно, еще многие вопросы генезиса термальных растворов остаются нерешенными. В дальнейших исследованиях планируется изучить реальные фазовые барьеры (локализацию, физические и химические свойства, механизм воздействия на флюидный поток), а также определить условия, при которых происходит осаждение рудных компонентов.

Для решения поставленных задач создается более совершенная численная модель физико-химического взаимодействия флюида и породы, учитывающая возможность фазовых переходов и энергетику протекающих процессов.

Литература

Добрецов Н. Л., Кирдяшкин А. Г., Кирдяшкин А. А. Глубинная геодинамика. Новосибирск: Изд-во СО РАН, филиал «Гео», 2001. 408 с.

Бортникова С. Б. Гавриленко Г. М., Бессонова Е. П., Лапухов А. С. Гидрогеохимия термальных источников в. Мутновский (Южная Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 2009. № 6. С. 1—18

Балков Е. В. , Эпов М. И., Манштейн А. К. Оценка глубинности наземного электромагнитного частотного зондирования // Геофизика. 2006. № 3. С. 41—44.

Эпов М. И. Из глубины сибирских руд...// Наука из первых рук, 2009. № 4(28), с. 60—73.

Бобачев А. А. и др. Электротомография методом сопротивлений и вызванной поляризации // Приборы и системы разведочной геофизики. 2006. № 02. С. 14—17.

Манштейн А. К., Панин Г. Л., Тикунов C. Ю. Аппаpатуpа чаcтотного электpомагнитного зондиpования «ЭМC» // Геология и геофизика. 2008. Т. 49. № 6. С. 571—579.

Манштейн Ю. А. и др. Особенности строения проводящих каналов термальных источников вулкана Мутновский (Южная Камчатка) // Докл. РАН. 2008. Т. 423, № 3, С. 383—388.

Бессонова Е. П. и др. Физико-химическое моделирование гидротермального изменения андезитов вулкана Эбеко, Курильские о-ва // Вулканология и сейсмология. 2004. № 4. С. 56—64.

Авторы благодарят коллектив Курило-Камчатской экспедиции ИНГГ и ИГМ СО РАН, а также коллег из Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН.

Работа поддержана грантом Президента РФ МК-167.2010.5, интеграционного проекта СО и ДВО РАН № 96.

В публикации использованы фото к. г.-м. н. А. Я. Шевко (Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск)

: 22 дек 2010 , Изучать не разрушая , том 35, №5