Статья: Катастрофическая деформация и последующая эволюция высокотемпературной геотермальной системы

По химическому составу воды восходящих источников углекислые SO₄ -HCO₃ -Cl / Mg-Na-Ca, с минерализацией до 2,8 г/л и рН 6-7. В повышенных концентрациях в них содержатся раствореенный CO₂ (~1г/л), SiO₂ , B, F, Li. В составе спонтанных газов доминирует CO₂ ,~90 %. Это ярко выраженные углекислые термы. Высокие концентрации Mg²⁺ выделяют эти воды в особый, редко встречающийся в природе и очень ценный в бальнеологическом отношении подтип магниевых углекислых вод. Условно они названы "теплыми нарзанами". Воды нисходящих источников относятся к тому же гидрохимическому типу, но они в разной степени разбавлены инфильтрационными водами и частично дегазированы. В их газовой фазе повышается содержание N₂ и О₂ , т. е. появляется воздушная составляющая.

Общая разгрузка термоминеральных вод в кальдере Карымская, с учеетом скрытого стока, составляла 770 л/с, а вынос тепла ~136 МВт . Удельный вынос тепла (плотность конвективного теплопотока), в Термальной котловине 73 Вт/м² , что на три порядка интенсивнее среднего для вулканических областей Камчатки. Такие высокие энергетические параметры типичны для высокотемпературных гидротермальных систем, но не характерны для месторождений углекислых вод.

Г.Ф. Пилипенко была предложена следующая модель формирования Карымских термоминеральных вод, . Гидротермы в кальдере Карымская не выходят на поверхность в виде гейзеров или кипящих источников, и не вскипают на глубине, формируя паро-конденсатную зону, как это происходит на многих геотермальных месторождениях. Восходящий поток перегретых вод из основного геотермального резервуара с температурой 200-- 250^o на глубине 150 -- 400 м (при давлении 15 - 40 атмосфер), минуя процесс вскипания, смешивается с инфильтрационными водами. Возникает промежуточный резервуар - реактор, в котором насыщенные СО₂ и Н₂ S глубинные гидротермы взаимодействуют с обогащенными О₂ инфильтрационными водами. Образовавшаяся агрессивная смесь реагирует с водовмещающими породами, претерпевшими гидротермальную переработку на более ранних, высокотемпературных, этапах гидротермальной активности. Тогда в метасоматитах, особенно в приповерхностной зоне аргиллизации, происходило накопление Mg, Fe, Ca, S. Преобразование их в новые минералы идеет при температутурах 140-70^o . Магнийсодержащие минералы (хлориты, монтморилониты) образуют разного рода скопления в ассоциации с другими родственными минералами. При температурах ниже 70^o в зоне аргиллизации начинается интенсивное выщелачивания минеральных новообразований. В растворы переходят сульфаты и гидрокарбонаты кальция и магния, формируются воды "нарзанного" типа [17].

В составе Карымских нарзанов отчеетливо различаются две компоненты: "глубинная", аналогичная высокотемпературной составляющей терм Академии Наук, и "нарзанная", близкая по составу низкотемпературным углекислым водам, формирующимся в толщах метасоматитов. Их макрохимический состав соответственно: M 2,2 г/л; Cl75 SO₄ 15 / Na95 % мг-экв; SiO₂ >300 мг/л и M 2,9 г/л; HCO₃ 60 SO₄ 40 / Mg60 Ca25 Na15 % мг-экв; SiO₂ <100 мг/л. Эти гипотетические составляющие , смешанные в отношении ~1/4 - -1/5, по составу и по температуре (поскольку всее тепло приносится с глубинной составляющей) соответствуют нарзанам Термальной котловины.

Таким образом, в недрах кальдер Академии Наук и Карымскаяой до сейсмических и вулканических событий 1996 г. уже длительное время, шла разгрузка мощной высокотемпературной гидротермальной системы, локализованной в границах субмеридионального грабена, пересекающего обе кальдеры. Огромные массы высокотемпературных газо-водных флюидов и колоссальная тепловая энергия, аккумулированные на относительно небольшой глубине в геотермальных резервуарах, не моглаи не повлиять на ход фреатоо-магматического извержения.

Извержения и последствия. Ход и результаты извержений.

2 января 199б г. на дне озера в кальдере Академии Наук произошло фреатомагматическое извержение. Одновременно в соседней кальдере началось извержение вулкана Карымскогоий, которое продолжалось до июля 2000 г. Спусковым механизмом извержений послужило сильное землетрясение (магнитуда 6,9) с эпицентром в 15 км южнее озера. Подводное извержение было коротким, всего 18 - 20 часов, но очень мощным - в сотни раз мощнее одновременного извержения вулкана Карымскогоий. Взрывы в озере, следовавшие с интервалом ~15 минут, выбрасывали магматический материал и газы на высоту 5 - 8 км. Тепловая энергия одиночного взрыва (их было ~100) оценивается в (5-34)х10¹³ Дж [25]. Леед на озере полностью растаял, температура воды поднялась до ~25^o С. На поверхности, волны цунами смыли рыхлые отложения и уничтожили береговую растительность на берегах на высоту до 15 м. По реке Карымская до самого устья прошла волна катастрофического паводка, оставившего на термальном поле Карымских источников полуметровый грязевой слой. В процессе извержения было выброшено ~40 млн. м³ (~80 млн. тонн) пирокластического материала. В основном это ювенильная базальтовая тефра, состоящая из неспекшихся бомб, размером до 15 см, лапилли, шлаков. На заключительных стадиях извержения выбрасывались пемзовые бомбы от андезитового до риолитового состава. [8 ]. Продукты извержения полностью перекрыли сток из озера. В результате сброса в акваторию изверженного и смытого с берегов рыхлого материала и талой снеговой воды, а также из-за вертикальных тектонических смещений поверхности, уровень воды в озере поднялся более, чем на 2 м.

15 мая перемычка в истоке реки была размыта, и начался второй экстремальный сброс воды из озера. Термальное поле в кальдере Карымская вновь было залито водой и, после еее ухода, значительная часть минеральных источников оказалась погребеенной под принесенным из озера переотложенным пирокластическим и резургентным материалом. После спада воды в озере у северного берега образовался полуостров площадью 0,4 км² (полуостров Новогодний), охватывающий с треех сторон шестисотметровую взрывную воронку (кратер Токарева), заполненную водой ( рис.11 ).

Рис. 1

Одновременно шло эффузивно-эксплозивное извержение центрального кратера вулкана Карымскогоий. Оно началось взрывами с выбросом бомб и пепла на высоту более 1 км, а в середине января на юго-западный склон пошеел первый поток глыбовой лавы. Излияние лавы продолжалось с перерывами более года, длина потоков достигла 1200 м, объеем превысил 11 млн. м³ . Взрывы и газовые продувки с максимальной частотой, более 400 в сутки, продолжались до июля 2000 г., масса пирокластики за первый год извержения - 6,3 млн. тонн. Состав изверженного материала - традиционный для Карымского вулкана: среднекалиевые андезиты [ 8 ]. Энергия извержения за 1996 г. оценивается в 3 х 10¹⁶ Дж. [ 14 ].

Синхронные извержения предварялись и сопровождались целой серией землетрясений: 31.12.1999 г. с магнитудой 5,8 в Кроноцком заливе, 1.01.2000 г. (М 6,9) вблизи кальдеры Академии Наук, и в течение месяца, мощным роем более слабых землетрясений [ 25 ]. Сила землетрясения 1 января в кальдерах Академии Наук и Карымская была >9 баллов. Произошла тектоническая активизация меридиональной разломной зоны. В верховьях р. Карымская на протяжении 2,5 - 3 км заложились новые трещины с раскрытием на поверхности до 2,5 м и амплитудой вертикального смещения 0,5 - 1,5 м [12]. На полуострове Новогоднемий на новых трещинах расположились воронки малых фреатических взрывов и выходы высокотемпературных гидротерм. В Термальной котловине вдоль новых трещин появились мощные газирующие источники и протяжеенные линейные выходы термоминеральных вод (см. рис. 1). Главные удары стихии в январе 1996 г. приняло на себя озеро Карымское.

Карымское озеро после извержения.

Извержение и инициированные им экзогенные процессы привели к катастрофическим изменениям гидрологического, гидрохимического и температурного режима озера. Чистейший абсолютно пресный водоеем диаметром 3,5 км и глубиной до 70 м в считанные часы превратился в резервуар кислой (рН<3,2) минерализованной воды - гигантский природный химический реактор объеемом ~0.,5 км³ , в котором началась переработка растворившихся летучих и измельченных твеердых (включая пеплы вулкана Карымскогоий) продуктов извержения, озеерных илов, материала смытого с берегов. На берегах озера активизировались существовавшие ранее термальные источники и появились новые мощные выходы горячих вод в истоках р. Крымская, на кромке взрывной воронки (кратер Токарева) и у северного берега [4 ].

Гидрологические, тепловые и гидрохимические параметры озера после извержения изучались группой исследователей под руководством С.М. Фазлуллина. По их данным озеро в нормальном состоянии имеет следующие основные характеристики: площадь водной поверхности - 9,8 км² ; максимальная глубина - 61 м; объем воды в озере - 460,6 млн. м³ . Была сделана оценка тепловой энергии, аккумулированной озером во время извержения 1996 г. Учитывалось тепло, затраченное на плавление льда, нагрев воды и тепловая энергия взрывов. Полученную величину - 10¹⁶ Дж - сами авторы считают заниженной, поскольку не удалось определить теплоотдачу с поверхности озера [23, 24].

Преобразованная в результате извержения вода озера принципиально отличается от вод всех термальных источников, - и существовавших здесь ранее, и появившихся вновь. По гидрохимическим характеристикам она относится к "фумарольным термам поверхностного формирования" [11]. Гидротермы этого типа формируются при прямом контакте вулканических газов с поверхностными водами. Озеро дренируется единственным водотоком - рекой Карымская. Состав воды озера приведен в таблице 1 (NN 1-7). Это кислая минерализованная хлоридно-сульфатная, магний-натрий-кальциевая вода. В ходе извержения вода в озере перемешена и еее состав в первом приближении можно считать однородным повсей глубине [24 ].

Рис. 2

Зримым, поддающимся измерениям результатом этих процессов, выходом из "геохимического черного ящика", является состав воды в реке, вытекающей из озера. Попытаемся проследить динамику изменения статических запасов основных компонентов минерализации воды озера и величину их выноса рекой (динамических запасов). В качестве компонентов-индикаторов используем вещества, определяющие гидрохимический тип воды (Cl^- , SO₄ ^2- ,Na⁺ , Ca²⁺ , Mg²⁺ ). Для удобства дальнейших построений пересчитаем SO₄ ^2- в S⁰ . Результаты расчеета элементов гидрохимического баланса озера за 1996 - 2000 гг.о да приводиятся в таблице 2. .

За усредненную концентрацию компонентов в озере принято их содержание на истоке реки (см. табл. 1, верхний створ). Поскольку регулярные режимные наблюдения не проводились, динамические запасы (годовой сток) рассчитаны по замерам меженного расхода в июле -- августе. В годовом стоке за 1996 г. учтены катастрофические паводки в январе и мае (46 млн. м³ ) [14, 24]. Приводимые цифры имеют оценочный характер, поэтому округлены до тысяч тонн. На диаграмме (рис. 2) показаны масштабы и тенденции изменения статических запасов в озере и выноса раствореенных веществ.

Наиболее заметным геохимическим последствием извержения был массированный выброс серы в гидрохимическую систему озера. Статические запасы серы в озере мгновенно возросли в ~60 раз. Учитывая величину выноса рекой (динамические запасы) в 1996 г в озеро поступило 69,7 тыс. тонн серы (скорее всего, в виде SO₂ ). В это же время, запасы Cl возросли в ~4, а Na в ~6 раз. Их вынос из озера увеличился соответственно в ~10 и 14 раз (6,8 и 10,9 тысяч тонн/год), а поступление в 1996 г. составило 20,4 и 32,0 тыс. тонн. В нормальном режиме до извержения привнос Cl составлял 700 и Na 800 тонн в год. В 1997 г., после резкого снижения запасов и выноса раствореенных компонентов, гидрохимическая обстановка в озере временно стабилизировалась, при этом сохранялся положительный баланс привноса-выноса вещества в гидрохимическую систему озера. Статические и динамические запасы по всем основным компонентам изменяются в узких пределах. Идеет постоянное, относительно равномерное поступление и вынос S, Cl, Na, Ca, и лишь в 2000 г. намечается новая тенденция снижения запасов и увеличения выноса (см. рис. 2). Увеличение транзита этих веществ через озеро объясняется значительным повышением дебита термоминеральных источников на его берегах.

Источники Академии Наук.

Сейсмические и вулканические события 1996 г.ода изменили условия разгрузки гидротерм. В результате резких колебаний уровня озера и приливных волн по всему южному берегу на высоту более 5 м смыт чехол покровных отложений и выработан новый абраз