Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://phys.web.ru/pubd/2008/05/28/0001180515/art10.pdf Дата изменения: Wed May 28 00:26:24 2008 Дата индексирования: Mon Oct 1 20:14:02 2012 Кодировка: Windows-1251

ВЕСТНИК КРАУНЦ. СЕРИЯ НАУКИ О ЗЕМЛЕ. 2004. ? 4

Дискуссии
УДК 551.21

НЕКОТОРЫЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДВОДНОГО ИЗВЕРЖЕНИЯ В КАЛЬДЕРЕ АКАДЕМИИ НАУК 2-3 ЯНВАРЯ 1996 г. ї 2004 Г. А. Карпов
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 683006. 683006, Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, Институт вулканологии и сейсмологии; тел. (415-22)5-02-25; факс (415-22)5-47-23; e-mail: karpovga@kcs.iks.ru

Рассмотрены некоторые геохимические особенности подводного извержения в кальдере Академии Наук 2-3 января 1996 г. Даются общие сведения об этом уникальном по ряду параметров фреато-магматическом извержении, составе изверженного материала, гидрохимическим изменениям кальдерного озера Карымское. Приводятся анализы химического состава воды новых и существовавших до извержения термальных источников и гейзеров, общесолевой состав и содержание Zn, Ni, Mn, Fe, Cu, Sr, Al в воде озера Карымское до и после извержения. Исходя из содержания в воде озера предположительно глубинных компонентов - хлора и серы, рассчитано количество эндогенного вещества, поступившего в озеро в процессе извержения. Используя систему аналогий с работой гейзера, сделаны приблизительные расчеты количества ювенильной воды, поступившей из магматического очага при извержении, и массы дегазированного магматического вещества. Объясняется причина кратковременности извержения, оценивается масса свежего магматического материала под дном озера и тепловая мощность подводного извержения.

Подводное извержение, произошедшее 2-3 января 1996 г. в заполненной озером (оз. Карымское) кальдере считавшегося угасшим вулкана Академии Наук (Муравьев и др., 1997), можно отнести к уникальным. Во-первых - это, по-видимому, первое непосредственно наблюдавшееся специалистами фреато-магматическое извержение в пресновод ном бассейне на Камчатке. Во-вторых, извержение произошло вблизи берега на относительно небольшой глубине (около 60 м), в кальдерном озере (диаметром 3.8 км, урез воды до извержения + 623.91 м), где не бывает сильных волнений воды. Вследствие этого новая вулканическая форма хорошо выражена морфологически и сохраняется в своем первозданном виде 1. В-третьих, при значительной мощности извержения (особенно
1

в первые его часы) оно было непродолжительным: по различным оценкам длилось от 10 до 30 часов. В-четвертых, продукты этого извержения значительно различаются по составу. Основную массу изверженных пород - пески, шлаки, мелкие и средние вулканические бомбы составляют базальты (SiO2 52.30-53.08%; Al2O3 18.37-19.72%; CaO 10.34-11.0%). Крупные бомбы весом более тонны состоят из своеобразно переслаивающихся зон черных базальтов и светло-серых пемзовидных дацитов. Границы зон резкие, отчетливые. Общее количество материала кислого состава по оценкам Е.Н. Гриб, не превышает 2-3% от количества материала базальтового состава (Гриб, 1997). Наконец, следует отметить, что подводное извержение происходило параллельно с терминальным извержением Карымского вулкана, отстоящего от северного берега озера Карымское на 6 км2.
Вулкан Карымский продолжает извергаться (по состоянию на 1 декабря 2004 г.).
2

В первые часы после образования кратера, верх его был, по-видимому, частично срезан и размыт волнами типа 'цунами' и базисными волнами от извержения.

ВЕСТНИК КРАУНЦ. СЕРИЯ НАУКИ О ЗЕМЛЕ. 2004. ? 4

81


КАРПОВ

Пеплы и лавы извержений Карымского вулкана имеют типичный андезитовый состав (Федотов, 1997). Несмотря на кратковременность подводного извержения, произошли большие гидрогеохимические изменения, что привело к катастрофическим последствиям для биоты озера и реки Карымской, вытекающей из него и в 30 км от истока впадающей в Тихий океан. Извержение произошло зимой. Ледяной панцирь на озере достигал толщины порядка 0.2 м, и на нем находился слой снега не менее 2 м. В результате мощных фреато-магматических взрывов и значительного притока глубинного тепла, весь лед и снег на озере был растоплен в считанные часы. Достоверно известно, что за неделю до этого события озеро было сковано льдом. Утром 2 января 1996 г. с вертолета, пролетавшего над озером, было отмечено, что озеро сво б о д но от льда. В 15 часов (местного времени) озеро уже парило по всей поверхности, а в северном секторе озера, в 250-300 м от берега наблюдалась четко выраженная клубовидная колонна пара, поднимавшаяся с площади диаметром порядка 200 м на высоту 5-6 км, а по некоторым оценкам до 8 км (Муравьев и др., 1997; Федотов, 1997; Karpov et al., 1996). В нижней части колонны 2 (и в меньшей степени 3) января были видны взмывающие вверх 'черные стрелы' выбросов раздробленного каменного материала. Бурные всплески взрывов вызывали мощные волны. О их высоте можно судить по катастрофическим последствиям. При маршрутном обследовании после извержения на северном берегу озера были обнаружены размывы борта озера, сломанные и вывернутые кусты ольхового стланика на высоте до 20 м над урезом озера. Серия частых взрывов с выбросом паро-газового и шлако-бомбового материала продолжалась порядка 12-18 часов (Федотов, 1997; Муравьев и др., 1997). Еще 10-12 часов, по нашему мнению, происходило извержение преимущественно парогазовой смеси. За это время сформировался подводный шлаковый конус с кратером диаметром до 600 м, насыпная северная часть которого возвышалась над уровнем воды, и образовав серповидный полуостров пло щадью 0.47 км2 (рис. 1). Не исключено, что одновременно действовали два эруптивных центра (исходя из характера поражения растительности и по словам очевидца А.В. Сокоренко, их могло быть больше), расположенные на одной субмеридиональной линии. На плановом фотоснимке хорошо виднаоваль82

ная воронка под водой напротив истока реки Карымской. Именно к этому месту тяготеют находки наиболее крупных бомб, в которых наблюдается сонахождение материала и базальтового, и дацитового состава (пемзовидные образования с пленкой базальта черного цвета). Рассмотрим некоторые геохимические особенности и следствия подводного извержения. Состав воды новых термальных источников Судя по составу изверженного материала на полуострове Новогоднем, можно предположить, что он поставлялся из разноглубинных источников. По-видимому, мантийный (или корово-мантийный) базальтовый расплав, внедрившись в верхние зоны коры, вызвал ее локальное плавление. Не исключено, что плавление происходило в присутствии воды. Процесс протекал быстро, со взрывами, что привело к образованию вулканических бомб сложного базальтдацитового состава. О наличии мантийной компоненты свидетельствуют высокие содержания ванадия и меди фактически во всех пробах тефры базальтового состава (Karpov et al., 1996). В донной пробе мелкозернистого песка из основной зоны эрупции и в сере возгонов на термальной площадке нового полуострова отмечено также повышенное содержание ртути (до 2.0х10-3%). Присутствие в тефре мелких обломков измене нных до опалитов пород с кристаллами пирита, возможно, свидетельствует о внедрении расплава в зону деятельности высокотемпературной гидротермальной системы. О химическом составе растворов этой гидротермальной системы, по-видимому, можно судить по минерализации гидротерм, возникших в северном обрамлении участка извержения и на южном берегу озера, где образовались новые грязевые котлы и гейзер. Новые термальные источники проявились и в узкой зоне субмеридионального простирания в центральной части новообразованного полуострова (рис. 1). Термальные воды с температурой от 33 до 92оС высачивались здесь в четырех взрывнопровальных воронках глубиной от 1.5 до 5 м, а также у уреза воды озера по кольцевому обрамлению эруптивного центра и под левобережной террасой у истока р. Карымской 3 .
Эти источники, по сообщению Я.Д. Муравьева, проявились после 15 мая 1996 г., когда произошел прорыв естественной плотины, образовавшейся в результате извержения, и р. Карымская восстановила свое русло.
3

ВЕСТНИК КРАУНЦ. СЕРИЯ НАУКИ О ЗЕМЛЕ. 2004. ? 4


НЕКОТОРЫЕ

ГЕОХИМИ ЕСКИЕ

ОСОБЕННОСТИ

ПОДВОДНОГО

ИЗВЕРЖЕНИЯ

В
Т К А М
Карымское озеро

Пущино

А

руч. Горячий

ист. Пи йповски е

п-ов Новогодний

С
17

12 25 18

24

ист. Мед вежь и

3
10 30 50 60

16 19
X

A

23

С
1 2


кая мс ры Ка р.

Ка ры м ское

озеро

15

X


X

X 20

А
ПЕТРО ПАВЛОВСККАМАТСКИ

3 4 5 6 7
а
X

К

А

21

X

4

б

X

5

14
60 40 20

X

22X 7 8 9

6

8

100 C

o

X

13 12
ист. Акад еми и Наук

10

X

C


кратер Токарева

11

0

500

1000 м


0

Г

100 o C

100 o C

10 o 0C

25 50 м

Рис. 1. Морфология Карымского озера в кальдере Академии Наук (А) и новообразованного кратера Токарева (Б) в северном секторе озера. Во врезке (В) - схематическая карта полуострова Камчатка и точка, показывающая место расположения Карымского озера; Г - профиль через Карымское озеро. 1- базальты; 2- андезиты; 3- иловые осадки; 4- зона разуплотнения; 5- термальные источники со стоком (а) и бесточные (б) ; 6 - точки опробования холодных водотоков; 7 - участки разгрузки горячих вод; 8 - изотермы. ВЕСТНИК КРАУНЦ. СЕРИЯ НАУКИ О ЗЕМЛЕ. 2004. ? 4 83


КАРПОВ

1. , К 1996 ., /
К NH+4 Na+ K+ Li+ Ca2+ Mg2+ К ClFSO2-4 HCO-3 CO2-3 А H3BO3 H4Si4 Mn Zn Ni Cu Fe М pH To. C Cl/Na Na/K Cl/SO4 Cl/K 1 0.1 341.7 43.2 0.54 50.1 30.4 465.9 224.4 0.43 691.6 70.8 0.0 987.2 14.8 402.0 0.5 0.04 0.003 0.0003 0.3 1870.7 6.75 56 0.6 7.9 0.3 5.2 22.01.96 1 0.2 330.0 33.2 64.0 18.0 445.2 199.0 0.45 547.0 174.0 4.2 924.6 12.2 463.0 0.3 1845.0 8.20 56 0.6 9.9 0.3 5.9 11.02.96 3 89.6 9.2 112.2 51.1 264.6 42.6 2.51 595.6 1.2 0.0 641.9 6.2 279.0 2.5 1194.2 4.6 55 0.5 9.7 0.4 4.6 22.01.96 И 3 4 0.1 0.7 255.0 551.0 24.0 58.0 48.0 124.0 9.7 16.9 336.8 750.6 282.0 753.0 1.20 0.51 240.0 509.0 152.0 140.3 0.0 0.0 675.2 1402.3 16.3 53.4 390.0 291.0 1418.3 2497.3 7.31 7.76 79 89 1.1 1.4 10.6 9.5 1.2 1.5 11.7 12.9 03.01.97 10.10.96 4 0.7 547.0 64.5 96.0 29.0 737.2 824.0 0.51 345.0 162.0 0.0 1331.5 54.4 380.0 2503.1 6.70 87 1.5 8.5 2.4 12.8 03.01.97 5 0.1 255.0 13.9 5.6 0.2 274.6 303.0 1.7 86.5 42.7 23.7 457.6 32.6 384.0 0.3 1148.9 9.35 98 1.2 18.3 3.5 21.8 11.02.96 6 237.0 2 6. 0 9.0 0.0 272.0 355.0 2.3 9 2. 0 8 5. 0 534.3 4 8. 0 343.0 1197.3 8.7 98 1.50 9.1 3.8 1 3. 6 05.84 ; 4, (). , 1989); Cu, Fe

П. И (. .1): 4- А: В.К. М (ИВ ВО Р.А. С.М.

1, 1 - ? 4; 3, 3 - . К; 5, 6 - А Н РАН); 6 (П .А. К; '-' - ; Mn, Zn, Ni, ICP Я (. Ц).

Состав растворов существенно различен (табл. 1). Можно более-менее уверенно предположить, что глубинным условиям формирования отвечают наиболее высокотемпературные растворы источника, выходящего в группе газогидротерм под левобережной террасой р. Карымской, у е е истока (табл. 1, пробы 4, 4 а ). Действительно, это наиболее высокоминерализованные воды, существенно хлоридно-натриевые (с достаточно высокой примесью сульфата), с аммонием, калием и гидрокарбонатом. По общему составу, генетическим коэффициентам (Cl/Na, Na/K, Cl/K) и содержанию бора они близки к типичным хлоридно-натриевым растворам высокотемпературных гидротермальных
84

систем типа Узон-Гейзерной, Паужетки, Вайракай (Белоусов, Сугробов, 1976; Карпов, 1988). Близки они и водам как нового, возникшего в результате извержения, так и старого гейзера (табл. 1, пробы 5 и 6). От Паужетско-Гейзерного типа эти источники (и в первую очередь, воды воронок, представленных в табл. 1, пробы 1 и 1 а ) отличает повышенное содержание сульфата, что отразилось на снижении соотношения Cl/SO 4 . После завершения извержения содержание сульфата во всех источниках значительно снизилось (табл. 1, пробы 1 и 1 а, 3 и 3а, 4 и 4 а). По-видимому, следует предположить приток во время извержения значительных масс сернистых соединений. Подтверждением

ВЕСТНИК КРАУНЦ. СЕРИЯ НАУКИ О ЗЕМЛЕ. 2004. ? 4


НЕКОТОРЫЕ

ГЕОХИМИ ЕСКИЕ

ОСОБЕННОСТИ

ПОДВОДНОГО

ИЗВЕРЖЕНИЯ

этому является обнаружение H 2 S в количестве до 23.8 мг/л в воде четвертой взрывно-провальной воронки сразу же после извержения и выходы сероводородсодержащих паро-газовых струй на самой северной термальной площадке (здесь осаждается самородная сера). Относительно высокие содержания в водах воронок и в термах, высачивающихся у уреза воды озера, таких компонентов как сульфат, фтор, магний, железо, цинк, никель, по-видимому, можно объяснить тем, что эти растворы имеют смешанное происхождение. Они образуются за счет конденсации вулканических газо-паровых эманаций в трещинно-поровых полостях холодных верхних горизонтов осадков. Об этом же свидетельствует и наиболее низкая температура этих источников. Очевидно, вулканические летучие в период извержения имели галоидно-сернистый состав. Со временем в составе поступающих из глубины газов начинает увеличиваться доля углекислоты (табл. 1). Определенную роль в формировании солевого состава термальных растворов играют также процессы выщелачивания пеплово-шлаковых продуктов извержения Так, в искусственных водных вытяжках 4 из свежих проб пепла, выпавшего в окрестностях озера при извержении, определено (в мг/л): Na + 27.85-115.9; K + 3.72-14.0; Ca 2+ 38.82-324.3; Mg 2+ 7.57-25.0; Fe общий 10.9-21.0; Cl - 42.7-257.0; SO 2- 4 181.21112.0 (аналитик В.К. Марынова). Обнаруживается хорошее соответствие отношений Na/K, Cl - /SO 4 в растворимой части пеплов и в воде эксплозивных воронок. Состав воды Карымского озера до и после извержения До извержения 1996 г. вода озера Карымского имела гидрокарбонатно-натриевый состав и очень низкую общую минерализацию (табл. 2, пробы 16*, Ф-1/93). В озере даже хорошо прижилась озерная форма лосося-кокань, разводимая здесь ихтиологами с 1976 г. Но уже с 1993 г. отмечается слабый рост общей минерализации, выразившейся в увеличении содержания Na, Cl, B и, возможно, Zn (в 1984 г. Zn в воде не определялся). В пробе воды, отобранной 22 января 1996 г., т.е. фактически сразу же после извержения,
4

Извлечение водорастворимых соединений из 100 г пепла, залитого 0,5 л дистиллата, после 24 ч. выстаивания.

наблюдается резкое возрастание содержаний Na, K, Ca, Mg, Cl, F, B, кремнекислоты, сульфата и, соответственно, общей минерализации. Поменялся тип воды. Она стала сульфатнонатриево-кальциевой, кислой (табл. 2, проба 22.01/1). Обращает на себя внимание резкое увеличение содержания тяжелых металлов - Zn, Ni, Mn, Fe, Cu. В пробах, отобранных с акватории озера и из района вблизи центра эрупции в мае 1996 г., помимо отмеченных выше элементов, фиксируется довольно высокое содержание Al, Sr. Примечательно, что не обнаруживается ни практически значимой вертикальной стратификации, ни площадной гидрохимической зональности в озере (табл. 2). Вся масса воды достаточно хорошо перемешана и однородна. Можно предположить также, что субмеридиональный профиль, вдоль которого отбирались пробы, трассирует разломно-трещинную зону с выходами газо-гидротерм на дне. Логичность такого допущения диктуется тем, что воронки взрыва на новообразованном полуострове, центр подводной эрупции и выходы источников Академии Наук на южном берегу озера хорошо укладываются в линейную зону. Как уже выше упоминалось, в районе известных ранее источников Академии Наук после извержения 1996 г. появились новые термальные площадки, новый гейзер и многочисленные грязевые котлы и пульсирующие источники. При таких допущениях однородность растворов в этой части озера в первые месяцы после извержения легко объяснима. Тем не менее, опробование озера в октябре 1996 г. и в январе 1997 г. показало, что намечается тенденция уменьшения содержания Mg, B, H 4 SiO 4 , Fe, сульфата и общей минерализации воды (табл. 2, пробы 20-К/96, 13-К/96 и 5-К/97). Это, в первую очередь, связано с разубоживанием раствора за счет атмосферных осадков и притока многочисленных ручьев холодной воды, общая масса которых составляет 1/8 объема воды озера в год (устное сообщение Я.Д. Муравьева). Хорошее соответствие уменьшения концентрации солевого состава воды озера этому соотношению свидетельствует о том, что, по-видимому, 10 месяцев спустя после извержения глубинный тепломассопоток из зоны эрупции существенно сократился или прекратился вовсе. В таком случае, анализируя поведение элементов солевого состава воды озера за весь период наблюдений с 1984 по 1997 гг., можно сделать заключение о существовании
85

ВЕСТНИК КРАУНЦ. СЕРИЯ НАУКИ О ЗЕМЛЕ. 2004. ? 4


КАРПОВ

элементов-индикаторов процесса эндогенной активизации данного участка земной коры. Ими, по нашему мнению, могут служить Cl, Na, Ca, общая минерализация, а также B и, возможно, Zn, содержания которых достаточно отчетливо имели тенденцию к повышению за 3 года до извержения. О генезисе солевого состава озерной воды Как было показано выше, после подводного извержения солевой состав воды Карымского озера резко изменился. Исходя из вариаций содержания наиболее информативных индикаторов глубинности - хлора и серы, попытаемся рассчитать количество эндогенного вещества, поступившего в озеро в процессе извержения, и определить природу минерализации озерной воды. К сожалению, из-за множественности форм нахождения серы в эндогенной флюидной системе, содержание сульфатиона в воде озера не может отражать всей массы серы, привнесенной во время извержения. асть ее была вынесена газовой фазой в виде H 2 S и, безусловно, какая-то доля выпала из круговорота, отложившись в виде серы самородной (что наблюдается в настоящее время 5 на самой северной термальной площадке ? 6, вблизи паро-газового выхода). Поэтому расчеты по сульфат-иону, по-видимому, следует использовать лишь для предварительной оценки. Наиболее показательны содержания в воде хлора. Исходные данные для расчетов : диаметр озера 3.8 км, средняя глубина 48 м. Объем воды до извержения - 544х10 6 м 3 . Объем вулканического материала, отложившегося в озере в результате извержения - около 40ћ10 6 м 3 , в литре воды озера сразу после извержения содержалось, в среднем, 50 мг Cl - и 374 мг SO 2- 4 (табл. 2). Допуская хорошую перемешанность воды озера, получаем, что во всем объеме водоема было растворено порядка 27200 т хлора и 203456 т сульфат-иона. Сколько (и в каком виде) глубинного флюида должно было поступить в озеро, чтобы обес печить наблюдаемую минерализацию воды? Очевидно, в формировании солевого состава воды озера участвовали все составляющие вулканического процесса: летучие магматичес5

кого расплава, изверженный вулканический материал, аэрозоли, гидротермы. Трудно количественно определить долю каждого из них. П о - видимому, на первой (в период собственно фреато-магматического извержения) стадии, основную роль играли летучие соединения - пар, газ, аэрозоли. После завершения активной стадии извержения поступление эндогенных компонентов (хлора, серы, бора и др.) продолжалось (также за счет выщелачивания изверженного материала) по системам образовавшихся тектонических трещин 6 . Об этой части эндогенных компонентов несет информацию минеральная нагрузка термальных источников, проявившихся вокруг зоны эрупции. Объем и содержание вулканических газов, в составе которых, безусловно, огромную роль играли хлориды, фториды, и соединения форм мы пока еще не можем точно оценить количественно. Тем не менее, для приблизительных расчетов можно использовать систему аналогий. Так, в период пароксизмальной фазы извержения паро-газовая колонна поднималась над поверхностью озера на высоту 5-6 км и выглядела как мощнейший гейзер. По свидетельству Я.Д. Муравьева, в основании колонны, также как и у основания выбрасываемого пароводного столба гейзера, наблюдалось бурное кипение воды на площади диаметром около 200 м. Сама паро-газовая колонна имела диаметр порядка 50 м, т.е. площадь сечения составляла около 2000 м 2, и поднималась на высоту 3-5 км. Такое соотношение очень близко параметрам гейзера 'Великан' в Долине Гейзеров на Камчатке. Этот гейзер с площади устья выводного канала 10 м 2 извергает за одну минуту работы около 30 т воды. Следовательно, можно рассматривать 'фонтан' Карымского подводного извержения как аналог одновременного извержения 200 гейзеров типа 'Великан'. В таком случае, при этом извергалось около 6х10 3 т воды в минуту. Известно, что подводное извержение продолжалось не более суток. Интенсивность его, конечно, была неодинаковой во времени. Принимая, в среднем, продолжительность активной стадии 10 часов, находим, что в процессе извержения на поверхность было выброшено 3х6ћ106 т воды. Если считать всю эту воду ювенильной 7 , то, исходя
Эти трещинные зоны хорошо фиксируются на местности по выходам гидротерм и провалам. 7 В вулканических газах вода обычно занимает до 98%.
6

В 1997 г.

86

ВЕСТНИК КРАУНЦ. СЕРИЯ НАУКИ О ЗЕМЛЕ. 2004. ? 4


НЕКОТОРЫЕ

ГЕОХИМИ ЕСКИЕ

ОСОБЕННОСТИ

ПОДВОДНОГО

ИЗВЕРЖЕНИЯ

Талиа 2. Химический состав воды оз. Карымское и р. Карымской, мг/л
Компон енты H+ NH+4 Na+ K+ Ca2+ Mg2+ ClSO2-4 HCO-3 FH4SiO4 H3BO3 Zn Ni Mn Feобщ. Cu Sr Al M pH To, C Дата отбора 16* 10.4 1.6 1.6 0.5 8.5 3.8 35.1 0.0 48.0 0.0 109.6 7.0 1 05.84 Ф-1/93 0.9 14.0 0.84 6.0 0.6 21.3 4.8 22.0 0.08 48.0 0.10 0.009 0.0002 0.001 6.87 0.0004 125.7 7.4 4 07.93 22.01/1 0.60 57.0 8.5 66.0 19.5 49.0 405.9 6.3 210.0 0.9 0.042 0.019 1.90 8.63 0.052 834.9 3.22 22 22.01.96 11.02/3 0.76 0.2 75.0 7.3 66.0 14.4 35.5 379.0 0.0 1.8 330.0 0.9 0.031 0.006 1.54 7.32 0.040 0.18 921.7 3.16 19 11.02.96 11.02/5 0.70 0.2 78.0 7.3 67.0 13.2 39.0 379.0 0.0 1.8 333.0 0.9 920.1 3.20 21 11.02.96 Номера Ф-2/10 0.70 0.2 73.0 6.6 63.2 18.4 38.3 374.6 0.0 1.74 192.0 0.9 0.059 0.00 1.64 9.73 0.041 0.17 5.30 786.5 3.22 05.96 проб Ф-2/64 0.20 64.6 6.6 63.2 18.40 37.60 374.0 0.0 1.84 192.0 1.0 0.251 0.005 1.70 9.46 0.051 0.20 5.86 776.7 3.22 05.96 Ф-3/10 0.20 65.3 6.6 64.0 18.9 40.5 374.0 0.0 1.70 190.0 0.9 0.059 0.008 1.86 10.91 0.048 0.19 5.89 780.9 3.28 05.96 Ф-3/58 0.20 64.4 6.7 64.0 19.3 39.0 374.0 0.0 1.76 194.0 0.8 0.054 0.010 1.70 7.71 0.053 0.19 5.53 779.4 3.22 05.96 20-К/96 0.22 0.0 74.3 7.6 64.0 7.2 50.8 317.0 0.0 161.0 0.7 1.7 3.50 688.2 3.70 20 09.10.96 13-К/96 0.22 0.0 69.2 7.1 62.0 10.9 49.3 317.0 0.0 157.0 0.7 2.8 4.10 680.5 3.70 10 09.10.96 5-К/97 0.40 0.10 62.0 7.0 58.0 14.5 42.6 307.0 0.0 1.40 192.0 0.7 3.2 1.3 690.4 3.40 1,5 3.01.97

Примечание. Пробы отобраны: 16* - (Г.Ф. Пилипенко,1989) из озера на истоке р. Карымской; Ф-1/93 - С.М. Фазлуллиным, там же; 22.01/1 - Г.А. Карповым в северном секторе озера, в 3 м от берега; 11.02/3 и 11.02/5 - Р.А. уваловым, соответственно в центральной части озера и в 200 м от северного берега, почти над центром подводной эрупции; с индексом 'Ф' - С.М. Фазлуллиным, Ф-2/10 и Ф-2/64 - южнее центра эрупции, на глубинах 10 м и 64 м соответственно, Ф-3/10 и Ф-3/58 - над центром эрупции, на глубинах 10 м и 58 м. Пробы с индексом 'К' отобраны Г.А. Карповым - 20-К/96 - в северном секторе озера, в 3 м от берега; 13-К/96 и 5-К/97 - в истоке р. Карымской. Аналитик В.К. Марынова (центральная химическая лаборатория ИВ ДВО РАН). Тяжелые металлы анализировались на ICP К. Суз уки (Токийский университет), в остальных - С.М. Фазлуллиным в геологической службе Японии (г. Цукубо). Прочерк - не анализировалось.

из среднего 8 содержания воды в магме базальтового состава порядка 0.1%, получим, что дегазировалось 3.6х10 9 т магматического материала. Общая масса изверженного материала (подводной постройки, нового полуострова и тефра на дне озера) оценивается в 72 млн. т (Федотов, 1997). Унесено за пределы озера с потоками воды (мощные отложения в широкой долине в верховьях р. Карымской) и по ветру в виде пепла порядка половины этой массы материала. По нашим расчетам, при извержении на поверхность было выброшено едва 2.7% от общей массы дегазированного базальтового расплава. Основная его часть осталась в магматическом выводном канале и в самом магматическом очаге, в его верхней зоне. Возможно, что мощный прорыв расплава в воду озера, вызвав фреатические взрывы, тем самым еще более усилил извержение, так как при взрывах возникает локальное разряжение, которое, в свою очередь, инициирует дегазацию. В таком случае можно предположить, что быстро дегазированная головная часть магматиХотя есть представления о более высоком содержании воды в магме.
8

ческой колонны тем самым была лишена своей движущей силы - газов. Тяжелый, более вязкий дегазированный базальтовый материал как пробкой закупорил выводной канал, и извержение (несмотря на свою огромную начальную мощность) быстро прекратилось. Итак, принимаем, что при извержении на поверхность поступило 3.6ћ10 6 т ювенильной 9 воды. Если исходить из содержания иона хлора в конденсате фумарольных газов - порядка 7.8 г/л, а сульфат-иона - 21.47 г/л (как, например, в активной воронке Мутновского вулкана (Вакин и др., 1976)), то в озеро при извержении должно было поступить 28000 т хлора и 77000 т серы в виде сульфат-иона. Как видим, по порядку цифр получается хорошее совпадение с реальным содержанием в воде озера хлора (27.2ћ10 3 т). По-видимому, все другие источники поступления хлора в воду играли подчиненную роль. По сульфат-иону наблюдается более чем двукратное превышение, что дает основание для заключения о присутствии в составе извергавшегося материала более разнообразных форм
Т.е. находившейся до извержения в магматическом веществе.
9

ВЕСТНИК КРАУНЦ. СЕРИЯ НАУКИ О ЗЕМЛЕ. 2004. ? 4

87


КАРПОВ

проявления серы, которые при окислении трансформируются в сульфатные соединения. Проведенные расчеты показывают, таким образом, что можно с достаточным приближением определить количество магматического материала, поднявшегося из магматического очага и находящегося под дном озера цифрой 3.6х10 9 т. При средней плотности габбро (эквивалент базальта) около 3.0 г/см 3 , магматическое 'тело' под дном озера должно иметь объем порядка 1.2 км 3 . Сколько тепла генерировало это магматическое вещество в процессе извержения? В нашем случае это сравнительно легко рассчитывается по оценке количества тепла, необходимого для расплавления льда на озере и последующего нагрева этой воды и воды озера до наблюдавшейся температуры 25 о С. При площади поверхности озера 11.33 км 2, толщине льда 0.2 м, снега 2.0 м и средней плотности льда 0.94 г/см 3 и уплотненного снега 0.45 г/см 3 общая ледово-снежная масса на озере к моменту извержения оценивается в 12.3х10 12 г. Исходя из теплоемкости льда (80 кал/г), на ее расплавление потребовалось 9.84х10 14 Дж тепла. На нагрев этой массы воды от 0 до 25 о С требуется 3.36х10 14 кал или 14.06х10 14 Дж тепла. На подогрев подледной воды (массой 10 око-ло 542х1012 г) от 4оС до 25оС необходимо 113.6х1014 кал (475.6х10 14 Дж) тепловой энергии. Таким образом общая затрата тепла составляет 126.8хћ10 14 кал или 5.30х10 16 Дж. Это эквивалентно годовой тепловой разгрузке 27 таких современных гидротермальных систем как Долина Гейзеров на Камчатке (Белоусов, Сугробов, 1976). Основные выводы 1 . Подводное извержение в кальдере Академии Наук привело к кардинальным изменениям химического состава крупного водного бассейна. Пресная вода озера Карымское объемом 544х10 6 м 3 за несколько часов извержения подкислилась до рН 3.2 и приобрела сульфатный натриево-кальциевый состав и общую минерализацию до 0.9 г/л. 2 . По северной территории озера, тяготея к новому центру эрупции, возникли термальные площадки и термальные источники (названные Пийповскими (Федотов, 1997)). Состав
Учтена масса льда (~ 2х10 входить в массу воды озера.
10 12

вод последних различен. Одни гидротермы - сульфатно-хлоридного и натриевого состава, близки к известному Паужетско-Гейзерному типу, другие - относятся к конденсатным, смешанным водам сложного состава. 3 . Исходя из представления о быстрой дегазации головной части магматической колонны, внедрившейся под дно Карымского озера, нами дано объяснение непродолжительности подводного фреато-магматического извержения в кальдере Академии Наук. 4. Методом аналогии с механизмом деятельности и параметрами крупных гейзеров типа 'Великан' в Долине Гейзеров на Камчатке рассчитана масса ювенильной воды, выброшенной на поверхность за время извержения: 3.6х106 т. Тепловая энергия извержений оценена в 1.27х10 16 кал (5.3х10 16 Дж). 5 . Спустя год после извержения, отмечена тенденция уменьшения общей минерализации воды озера за счет уменьшения содержания Mg, B, H 4SiO 4, SO 2-4. Озеро зимой 1996-1997 гг. покрылось льдом (за исключением узкой прибрежной зоны с термальными источниками). Это может свидетельствовать о резком сокращении поступления эндогенного тепломассопотока из эруптивного центра. 6 . По предварительным данным изменения в химическом составе воды озера начались с 1993 г. Возможные элементы-индикаторы процесса эндогенной активизации района - Cl, S, Na, Ca, B и Zn (?). Гидрохимический мониторинг состава воды кальдерного озера может использоваться для прогностических целей. Автор благодарит Я.Д. Муравьева и В.А. Дрознина за информацию о ходе извержения и ценные замечания в процессе подготовки статьи. Примечание Автор был непосредственным свидетелем извержения и участником полевых работ в районе извержения 1996 г. в кальдере Академии Наук. Эта статья готовилась к публикации в 1997 г., как итоговая по оценке геохимических особенностей продуктов извержения по состоянию изученности на тот период времени. Но в журнале 'Вулканология и сейсмология' в конце 1997 г. были опубликованы две крупных статьи (С.А. Федотова и Я.Д. Муравьева с соавторами), в которых этот вопрос был освещен с достаточной полнотой. В то же время (при сходимости многих выводов), наши оценки

г), которая должна

88

ВЕСТНИК КРАУНЦ. СЕРИЯ НАУКИ О ЗЕМЛЕ. 2004. ? 4


НЕКОТОРЫЕ

ГЕОХИМИ ЕСКИЕ

ОСОБЕННОСТИ

ПОДВОДНОГО

ИЗВЕРЖЕНИЯ

количества взрывов в озере и общей мощности извержения несколько расходились, например, с данными С.А. Федотова. Автор счел необходимым проверить свои расчеты. Публикация статьи была отложена. За последующие шесть лет исследований материал статьи получил дополнительные обоснования. Более того, примененный нами оригинальный метод оценки процессов извержения и их масштабов на основе аналогий с работой гейзеров, а также пусть приближенная оценка минимальной массы ювенильной воды, поступившей на поверхность при извержении, дали нам основу другого подхода к оценке суммарной мощности самого извержения. По нашим расчетам, она была на два порядка больше, чем показано в публикации 1997 г. В статье даны ссылки на работы 1997 г., и читатели смогут сами проанализировать изложенный материал и сделать соответствующие выводы о, как мы считаем, уникальном подводном извержении в кальдере Академии Наук в 1996 г. Список литературы Белоусов В.И., Сугробов В.М. Геологическая и гидрогеологическая обстановка геотермальных районов и гидротермальных систем Камчатки // Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки. Владивосток, 1976. С. 5-22.

Вакин Е.А., Кирсанов И.Г., Кирсанова Т.П. Термальные поля и горячие источники Мутновского вулканического района // Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки. Владивосток, 1976. С. 85-114. Гриб Е.Н. Петрология продуктов извержения 2-3 января 1996 г. в кальдере Академии Наук // Вулканология и сейсмология. 1997. ? 5. С. 71-96. Карпов Г.А. Современные гидротермы и ртутно-сурьмяно-мышьяковое оруденение. М.: Наука, 1988. 183 с. Муравьев Я.Д., Федотов С.А., Будников В.А. и др. Вулканическая деятельность в Карымском центре в 1996 году: вершинное извержение Карымского вулкана и фреато-магматическое извержение в кальдере Академии Наук // Вулканология и сейсмология. 1997. ? 5. С. 38-70. Пилипенко Г.Ф. Гидротермы Карымского вулканического центра на Камчатке // Вулканология и сейсмология. 1989. ? 6. С. 85-101. Федотов С.А. Об извержениях в кальдере Академии Наук и Карымского вулкана на Камчатке в 1996 г., их изучении и механизме // Вулканология и сейсмология. 1997. ? 5. С. 3-37. Karpov G.A., Muraviev Y.D., Shuvalov R.A. et al. A subaquous eruption from the caldera of Akademii Nauk volcano on January 2-3 1996 // Newsletter of the IAVCEI Commition on Volcanic Lakes. 1996. ? 9. P. 14-17.

ВЕСТНИК КРАУНЦ. СЕРИЯ НАУКИ О ЗЕМЛЕ. 2004. ? 4

89