Kristina Panova
Institute of Geology and Mineralogy SB of RAS, Novosibirsk, Russia Rija-nsu@yandex.ru
There is a discription of dynamical physical and chemical model of «flow reactor with an ideal piston displacement» type. With its help using the SELECTOR program complex (PC) for thermal solutions of Golovnin caldera (Kunashir Island, Kuril Islands) the numerical experiments were performed. The results of two «water-rock» type (W/R) systems modeling are represented: 1 – thermal solutions with pH=1.93; 2 – thermal ones with pH=6.35. The complete correlation of model data with obtained in situ one was shown.
Keywords: Kunashir Island, Kuril Islands, Selektor PC, hydrothermal fluids, thermal springs, Golovnin volcano
Исследование источников термальных полей озера Кипящего кальдеры Головнина с помощью моделирования в ПК «СЕЛЕКТОР» (о. Кунашир)
К.С. Панова
Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск, Россия
Представлено описание динамической физико-химической модели типа «проточный реактор с идеальным поршневым вытеснением». С его помощью при использовании программного комплекса СЕЛЕКТОР (ПК) для термальных растворов кальдеры Головнина (о-в Кунашир, Курильские острова) проведены численные эксперименты. Представлены результаты моделирования двух систем типа
«вода-порода» (В/П): 1 - теермальные растворы с pH = 1,93; 2 – термальные растворы с рН = 6,35.
Была показана полная корреляция модельных данных с полученными на месте данными.
Ключевые слова: о. Кунашир, Курильские о-ва, ПК СЕЛЕКТОР, гидротермальные флюиды, термальные источники, вулкан Головнина
Остров Кунашир – самый южный остров Южно-Курильского района и самый южный населенный остров Большой Курильской гряды, который входит в Южно-Курильский городской округ Сахалинской области (Рис. 1). На острове 4 действующих вулкана, одним из которых является кальдера Головнина (541 м). В настоящее время вулкан проявляет постоянную гидротермальную деятельность, локализованную в большинстве своѐм по берегам и на дне озера Кипящего [1].
Согласно химическому составу проб растворов, отобранных с термальных полей оз.
Кипящего, записанному в виде формул Курлова (таблица 1), можно выделить три группы терм. По анионноу составу: сульфатные, сульфатно-гидрокарбонатные и хлоридно- сульфатные [2]. В некоторых пробах также обнаружены нитрат- и фторид-анионы (первые
проценты). Именно эти данные, а также контрастные катионные составы вошли в основу моделей.
Факт присутствия контрастных растворов говорит о сложном механизме образования на поверхности зон разгрузок термальных источников, отличных по составу, генезису и путях
миграции к земной
поверхности. Пути миграции и процесс седиментации –
главные процессы,
контролирующие и
регулирующие концентрации металлов на геохимических барьерах, а также последующее
их поступление в
подымающиеся на поверхность в зону разгрузки растворы [2].
При составлении модели основной целью являлось проследить миграцию (инфильтрацию) флюида в породу при различных температурах, выявить формирование метасоматической колонки и уточнить состав каждой из зон. При создании численного эксперимента взаимодействия «вода-порода» учитывались динамические изменения температуры и давления системы, миграция флюида во флюидопроводнике, отложение/растворение минеральных фаз по мере поступления новых порций растворителя с компонентами и выделение газовой фазы.
Для изучения поведения компонентов во флюиде в субповерхностных условиях (первые метры до дневной поверхности) рассматривался соответствующий сценарий – ламинарное непрерывное движение потока флюида постоянного состава по проводящему каналу, сложенному определѐнной геологической породой. Химические, физические и минералогические характеристики этой породы постоянны в каждой точке еѐ пространства (пористость, проницаемость, минеральные фазы и т.д.). Таким образом, принцип действия проточного реактора с идеальным смешением заключается в непрерывном движении ламинарного потока флюида из одного резервуара в другой. После достижения равновесия в первом резервуаре за счѐт реакции флюида с породой раствор (уже изменѐнный) перетекает в следующий резервуар. В ходе этого процесса возникает обмен компонентами внутри системы, полное перемешивание раствора, отложение/растворение минералов, дегазация и т.д. Таким образом имитируется флюидопроводник.
Таблица 1. Формулы Курлова для гидротермальных растворов с термальных полей озера Кипящего (кальдера Головнина, о. Кунашир)
Термальное поле Пробы Формула Курлова Примечание
Юго-Восточное
термальное поле КГ-1 3% K, 0,5%
Mn Северо-Восточное
термальное поле КГ-5 4,5% K, 3%
B, 3% Mg В результате рассматривались две группы экспериментов – 1 бар (I группа) и 10 бар (II группа), соответственно (Рис 2). Для охвата всех возможных состояний системы в ходе миграции по флюидопроводнику, был выбран диапазон температур от 200 до 80 или 50 оС (I группа) и от 120 до 20 или 15 оС (II группа) с шагом 20 оС или в редких случаях 40, 10 и 5 оС.
Шаг означает, что температура в каждом последующем резервуаре на 20 оС (или 40, 10, 5 оС) Рисунок 1 – Географическое положение вулкана Головнина
ниже, чем в предыдущем, что позволило приблизиться к реальным условиям природного инфильтрационного метасоматоза.
Были выбраны именно такие РТ-зоны (Рис. 2) для моделирования, чтобы избежать вскипания раствора при высоких температурах, а также, частичного или полного удаления жидкой фазы.
В качестве среды, заполняющей резервуары – вмещающей породы, был
использован андезит,
непосредственно отобранный в кальдере Головнина.
В качестве растворителя, транспортирующего компоненты, использовалась вода в количестве 1 кг (или 55,56 моль) – масса одной порции флюида. Химические составы всех компонентов как породы, так и растворов были выражены в моль/кг.
Рисунок 3а – Кислотно-основные свойства
«кислой» системы (I группа)
Рисунок 3б – Кислотно-основные свойства
«субнейтральной» системы (I группа)
Рисунок 4а – Кислотно-основные свойства
«кислой» системы (II группа)
Рисунок 4б – Кислотно-основные свойства
«субнейтральной» системы (II группа) Результаты моделирования показали, что при взаимодействии андезита с раствором происходит выщелачивание породы, что приводит к понижению кислотности раствора (рисунок 3а,б; 4а,б). Для «кислой» системы характерно накопление катионов Fe2+ и Fe3+ в растворе с каждым поступлением новой порции «первозданного» флюида в реактор.
Согласно моделированию, в I группе при достижении Т=120 оС и ниже происходит удаление Fe3+ и снижение в 100 раз концентрации Fe2+ в растворе, что вызывает образование гидроокислов железа, в частности гематита. Также для «кислой» системы из I группы
Рисунок 2 – Р-Т области моделирования
экспериментов характерно накопление ионов натрия и марганца (Na+, Mn2+) в растворѐнном виде, что объясняет значительное преобладание катионов натрия над калием (более, чем в 1000 раз). В свою очередь Zn2+ и Ca2+ уходят из раствора, образуя минеральные индивиды.
Примечательно отсутствие серы в жидкости и газе. Вся сера переходит в твѐрдую фазу.
Подобным образом ведѐт себя алюминий, входящий в состав алунита, стеклита и различных слоистых силикатов.
В «субнейтральной» системе происходит накопление в растворѐнном виде катионов Na+ и Li+. Двухвалентные катионы, такие как Ca2+, Ba2+, Mg2+ и Mn2+ накапливаются в растворе до определѐнного момента – при температуре 100 оС происходит переход марганца в MnSO4; при Т<80 оС Ba2+ переходит в BaCO3 (витерит); Ca2+ при 80 оС уходит из раствора в форме CaCO3 (кальцит); Mg2+ расходуется на кристаллизацию MgSO4 (эпсомская соль) и MgCO3
(магнезит) при Т=50 оС. Железо (III) предварительно накапливается в растворе и затем полностью переходит в гематит при температуре <100 оС. Цинк аналогичным образом расходуется на образование сфалерита. Имеющаяся в растворе медь переходит в борнит и халькозин при Т<140 оС. Подобное поведение двухвалентных ионов (образование карбонатов) можно объяснить доминирующим положением карбонат- и гидрокарбонат-анионов в данном типе растворов. Сульфат- и сульфид-анион находятся в подчинѐнном количестве.
Петрографически «свежий» (неизменѐнный) андезит с кальдеры Головнина представляет собой породу с массивной, слабопористой или пористой текстурой.
Изменѐнный (проработанный раствором и газом) андезит резко отличается по химическому и минеральному составу, хотя и сохраняет за собой некоторые текстурные особенности
«свежей» породы.
При сопоставлении изменѐнного и неизменѐнного андезитов можно отметить более высокое содержание двуокиси кремния в образцах изменѐнной породы по сравнению с неизменѐнной. Данный факт объясняется выщелачиванием андезита раствором. Кроме диоксида кремния, в ходе этого процесса происходит вынос таких элементов, как Fe3+, Fe2+, Mg2+, Mn2+, Ca2+, Na+, Zn2+, Ga3+, Rb+, Sb3+ и As3+ Помимо основных «первозданных»
модификаций SiO2 – тридимита и кристобалита, в породе присутствует и гидротермальный α-кварц. Численные эксперименты I группы аналогично показывают наличие большого количества переотложенного (гидротермального) кварца, причѐм в «кислой» системе кварца переотлагается значительно больше. Во II группе экспериментов кварц отсутствует на всех этапах. Данное явление можно объяснить недостаточной температурой выщелачивания, а также большим количеством жидкой фазы в системах.
Проведенная верификация метасоматической колонки и полученные зависимости физико-химических параметров гидротермальных систем от Р-Т условий непосредственно в зонах их разгрузок, а также от смешения гидротермальных растворов с грунтовыми и метеорными водами позволяют говорить о достоверности составленных моделей. На основании всего выше сказанного можно сделать вывод о перспективности подобного метода исследования (физико-химического моделирования), а также о прогнозировании использования моделей подобного рода в различных отраслях науки (геохимия, гидрогеология, геодинамика и т.д.).
Список литературы
1. Козлов Д. Н., Жарков Р. В. Новые данные по морфологии внутрикальдерных озѐр островов Кунашир и Симушир // Вестник КРАУНЦ. Науки о земле. 2009. № 2. Выпуск № 14.
С. 159-164.
2. Бортникова С.Б., Бессонова Е.П., Гора М.П.. и др. Газогидротермы активных вулканов Камчатки и Курильских островов: состав, строение, генезис / отв. ред. О.Л.
Гаськова; А.К. Манштейн. Новосибирск : ИНГГ СО РАН, 2013. - 282 с.
УДК 549.67