Е.Г. Калачева
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, Россия.
Для восьми островов Курильской дуги характерно наличие вулканов характеризующихся активной сольфатарной и гидротермальной деятельностью. Различия в истории вулканической деятельности, гидрогеологических и геологических условиях приводят к формированию разнообразных по химическому составу и местоположению термопроявлений. Термальные воды, разгружающиеся на Курильских островах относятся к трем основным гидрохимическим типам:
кислые (2,5<рН<4) SO4- воды; кислые (1<рН<4) Cl-SO4 (SO4-Cl) воды; близнейтральные (6,2<рН<7,4) хлоридные натриевые воды. Основными процессами, влияющими на наблюдаемые в исследуемых водах изотопные эффекты, являются смешение метеорных вод с морскими или магматическими, а также фракционирование при кипении и испарении.
Ключевые слова: термальные воды, остров, изотопный сдвиг, химический состав
Курильская островная дуга протягивается более чем на 1200 км (Рис. 1) от южной оконечности п-ва Камчатка до о. Хоккайдо, отделяя Охотское море от Тихого океана.
Рисунок 1 – Курильская островная дуга.
Гидротермальные системы, связанные с вулканами: 1-Эбеко, 2-Синарка, 3-Кунтоминтар, 4- Расшуа, 5-Кетой, 6-Берга, 7-Баранского, 8-Менделеева, 9-Головнина
Дуга является областью интенсивного новейшего вулканизма, определяющего строение и основные формы рельефа. В целом, острова сложены вулканогенными, вулканогенно-осадочными и интрузивными породами миоцен-четвертичного возраста.
Постройки многих активных вулканов Курильских островов вмещают гидротермальные системы, поверхностные проявления которых представлены разнообразными по химическому составу и физико-химическим показателям источниками.
Исследуемые термальные делятся (Калачева и др. 2019) на три большие группы.
Химический состав отдельных выходов приведен в Таблице 1.
Первая группа – кислые (рН<4) сульфатные воды с температурами до 95оС.
Формируются за счет поглощения низкотемпературных вулканических паров, в газовой фазе которых преобладает CO2 и H2S, поверхностными или грунтовыми водами непосредственно на термальных полях.
Вторая группа – кислые (рН<4) хлоридно-сульфатные (сульфатно-хлоридные) воды с температурой 30–90оС и минерализацией до 14 г/л. Формирование их происходит за счет поглощения легкорастворимых вулканических газов (SO2 и HCl) подземными водами в верхних частях построек вулканов.
Третью группу термальных вод объединяет близнейтральный рН (6,2–7,4) и хлоридный натриевый состав. Минерализация колеблется от 3–4 до 8–15 г/л, а температура от 30 до 100оС. Формирование их происходит в фундаменте вулканических построек, а разгрузка осуществляется в береговых зонах. Воды также вскрыты скважинами, пробуренными на склонах вулканов.
Во всех представленных выше термальных водах изучен изотопный (δ18O и δD) состав термальных вод.
Большая часть кислых сульфатных вод (Рис. 2а) формирует область вблизи или непосредственно на региональной линии метеорных вод (РЛМВ). Для кипящих источников и малодебитных котлов характерен тренд в сторону утяжеления кислорода и водорода по отношению к РЛМВ. Тангенс угла наклона данного тренда ~3, что вероятнее всего связано с кинетическим фракционированием при кипении на поверхности (Giggenbach and Stewart, 1982). При схожем угле наклона изотопных сдвигов, существуют отличия в их расположениях. Значения дейтерия в термальных водах о. Кетой и Шиашкотан на 10 ‰ ниже, чем в аналогичном типе вод водах о. Кунашир. Это связано с различиями в изотопном составе поверхностных вод, питающих сольфатарные поля (Калачева, Таран, 2019).
Таблица 1. Химический состав термальных вод
место отбора Остров
(вулкан) рН Т,
оС Cl- SO42-
HCO3-
Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Al3+ Feобщ
кислые SO4- воды
Северо-Восточное поле Шиашкотан
(Синарка) 2,6 78 17 1868 0 46 11 65 17 213 86 Термальное поле руч.
Горчичный
Кетой
(Кетой) 3,2 31 9 1101 0 64 6 420 46 17 0,8 Баранского. Ст поле Итуруп
(Баранского) 2,8 12 715 0 42 17 98 27 19 8,4 Центрально-Западное п. Кунашир
(Головнина) 1,8 72 35 4105 0 12 4 5 3 113 56 Менделеева, СЗ поле Кунашир
(Менделеева) 2,1 57 10 965 0 45 5 70 23 20 4,8 кислые Cl-SO4 (SO4-Cl) воды
Верхне-Юрьевские ист.
(ВЮ)
Парамушир
(Эбеко) 1,0 86 3045 8442 0 258 178 393 171 632 339 Центр. экструзивный
купол (ЦЭК)
Шиашкотан
(Синарка) 3,4 44 2234 1612 0 290 23 459 481 3,8 246 Марьинские ист. (М) Уруп (Берга) 3,2 31 527 1097 0 179 22 320 145 17 1,8 Ист. Голубые озера Итуруп
(Баранского) 1,5 1692 3739 0 176 44 155 39 134 70 оз.Кипящее (К) Кунашир
(Головнина) 1,9 44 649 485 0 209 24 66 26 н.о. н.о.
Н-Докторские ист. (НД)
Кунашир (Менделеева)
3,5 48 738 368 0 921 26 92 27 31 34 Н-Менделеев. ист. (НМ) 2,3 82 1230 1085 0 398 39 142 52 26 54 В-Докторские ист. (ВД) 2,1 87 1512 975 0 577 58 149 62 22 52 Na-Cl -воды
Ист. ванны Сноу Расшуа 7,4 35 2714 372 92 704 35 156 44 <0,04 <0,5 Водопадные ист.
Шиашкотан
7,5 91 8699 952 174 4593 212 324 407 <0,04 <0,5 Дробные ист. 6,3 56 7309 932 210 4013 171 270 394 <0,04 <0,5 Закатные ист. 6,3 73 3586 197 287 1742 149 166 107 <0,04 <0,5 Башмачные ист. 6,6 62 5974 632 191 3054 155 320 209 <0,04 0,8 Алехинские ист.
Кунашир
8,5 100 2077 108 79 1198 77 25 0,0 <0,04 <0,5 Третьяковские ист. 7,2 96 1430 59 120 823 83 59 1,5 <0,04 <0,5 Столбовские ист. 6,9 78 1023 431 240 684 46 112 10 <0,04 <0,5 Ист. Добрый ключ 6,4 58 502 358 31 346 7 90 1 <0,04 <0,5 ГеоТЭС (скв. 101) 6,7 99 3008 31 46 2277 326 124 3 <0,04 <0,5
«Горячий пляж» (скв.) 7,3 66 1200 309 107 877 70 156 14 <0,04 0,9 Скв. П2 Парамушир 7,9 71 2716 192 1928 2516 152 23 16 10 0,1
Точки, отражающие изотопный состав кислых Cl-SO4 (SO4-Cl) вод группируются вблизи или непосредственно на линии метеорных вод c образованием общего с конденсатами фумарольных газов тренда в сторону составов «андезитовых» вод (Рис. 2б).
Максимальный вклад глубинной компоненты (15-20%) наблюдается для термальных вод разгружающихся из-под экструзивного купола вулкана Синарка.
Рисунок 2 – Изотопный состав кислых SO4 (а) и SO4-Cl (Cl-SO4)(б) термальных вод Курильских островов. Изотопные составы фумарольных конденсатов из (Taran et al., 2018). А –
«андезитовые воды», по (Таран и др., 1989). РЛМВ - региональная линия метеорных вод (Чешко, 1994). ЛМВ - глобальная линия метеорных вод (Craig, 1961). Шифры соответствуют таблице
Для исследуемых Na-Cl термальных вод характерны положительные сдвиги по δD и δ18О, с различным углом наклона (Рис. 3). Для береговых источников островов Шиашкотан и Расшуа существует тренд от локальных метеорных вод в сторону смешения метеорной и морской воды. Для подземных термальных вод, вскрытых скважинами и для кипящих источников внешнего склона кальдеры Головнина (Алехинские ист.) наблюдается горизонтальный сдвиг (Рис. 3 вставка). При близких значениях дейтерия, происходит утяжеление изотопов кислорода по отношению к местным холодным подземным водам, что характерно при длительном взаимодействии с вмещающими породами, в процессе которого происходит изотопный обмен.
Рисунок 3 – Изотопный состав Na-Cl термальных вод. Цифры вл встакве 1 холодные подземные воды о. Кунашир; 2 средний состав метеорных вод о. Парамушир
Заключение
Термальные воды, разгружающиеся на Курильских островах относятся к трем основным гидрохимическим типам: кислые (рН<4) сульфатные воды; кислые (рН<4) хлоридно-сульфатные (сульфатно-хлоридные) воды; близнейтральные (рН 6.2–7.4) хлоридные натриевые воды.
Основными процессами, влияющими на наблюдаемые в водах изотопные эффекты, являются смешение метеорных вод с морскими или магматическими, а также фракционирование при кипении и испарении.
Автор искренне признательны участникам совместных полевых исследований на Курильских островах Котенко Т.А., Волошиной Е.В., Тарасову К.В., Котенко Л.В. за неоценимую помощь, а также Волошиной Е.В. и Воронину П.О. за выполнение большого объема аналитических работ.
Список литературы
1. Калачева Е.Г. Таран Ю.А. Процессы, контролирующие изотопный состав термальных вод Курильских островов // Вулканология и сейсмология. 2019. №4. С. 3–17.
2. Калачева Е.Г., Котенко Т.А., Волошина Е.В. Типизация и условия формирования термальных вод Курильских островов // Вулканизм и связанные с ним процессы. Материалы XXII Всероссийской научной конференции, посвящѐнной Дню вулканолога, 28-29 марта 2019 г. 2019. С. 187-190.
3. Чешко А.Л. Формирование основных типов термальных вод Курило- Камчатского региона по данным изотопных исследований (D, 18O, 3He/4He) // Геохимия.
1994. № 7. С. 988–1001.
4. Таран Ю.А., Покровский Б.Г., Дубик Ю.М. Изотопный состав и происхождение воды в андезитовых магмах // Докл. АН СССР. 1989. Т. 304. № 2. С. 440–443.
5. Craig H. Isotopic variations in meteoric waters // Science. 1961. № 133. P. 1702–1703.
6. Giggenbach W.F., Stewart M.K. Processes controlling the isotopic composition of steam and water discharges from steam vents and steam-heated pools in geothermal areas //
Geothermics. 1982. V. 11. P. 71–80.
7. Taran Y., Zelenski M., Chaplygin I. et al. Gas Emissions From Volcanoes of the Kuril Island Arc (NW Pacific): Geochemistry and Fluxes // Geochemistry, Geophysics and Geosystems. 2018. V. 19(6). P. 1859–1880.