Катастрофическая деформация и последующая эволюция высокотемпературной геотермальной системы
, как результат фреато-магматического извержения в Карымском кальдерном озере
Е.А. Вакин, Г.Ф. Пилипенко, ИВГиГ ДВО РАН
В терминальной части Карымского вулкано-магматического центра, в расположенных рядом кальдерах Карымской и Академии Наук, под воздействием близповерхностных магматических очагов сформировалась и длительное время функционирует высокотемпературная гидротермальная система, проявившаяся на поверхности в виде мощных термальных источников. Землетрясение и фреатическое извержение на дне кальдерного озера в 1996 г. привели к резким изменениям гидрохимического и теплового режима гидротермальной системы и озера. Активизировались существовавшие ранее источники и появились новые мощные выходы гидротерм. Массированная инъекция магматических и гидротермальных флюидов превратила озеро в бассейн кислой минеральной воды объемом ~500 млн. м3 - природный химический реактор, в котором перерабатываются продукты извержения, донные осадки и , материал, смытый с берегов.
В статье обсуждается генезис и эволюция состава термоминеральных вод и газов кальдер Академии Наук и Карымская, количественно оценивается их относительная роль в выносе и перераспределении тепла и растворенных веществ. Прослеживается динамика гидрохимических процессов, инициированных извержением. Сложившаяся обстановка сравнивается с существовавшей до извержения.
Введение
Современные гидротермы, всегда были объектом исследований, как агент выноса и перераспределения глубинногоых тепла и вещества, но механизм их связи с процессами, происходящими в магматических очагах, остается неопределенным. Благодаря синхронным извержениям в центре Карымской купольной структуры в 1996 г.оду, впервые в вулканологической практике появилась возможность непосредственно наблюдать возникновение высокотемпературных и высокодебитных термоминеральных источников, как следствие конкретных сейсмических и магматогенных событий, и проследить их дальнейшую химическую и тепловую эволюцию.
Карымская купольная структура (Карымский вулканический центр, в дальнейшем - КВЦ) - одно из звеньев в средней части цепи вулкано-магматических центров, образующих Восточный вулканический пояс Камчатки. Она зародилась в узле пересечения систем транскоровых разломов и развивается в течение 2 млн. лет с тенденцией центростремительного сокращения площадей проявления вулканической активности. Это пологий тектонический купол размером 40 х 50 км, свод которого осложнеен разновозрастными кальдерными депрессиями и образованными в них стратовулканами. В терминальной, самой молодой, части Карымской структуры расположены две сближенные кальдеры: Академии Наук, заполненная озером, и Карымская, с одноименным действующим вулканом в центре. В этих кальдерах под воздействием близповерхностных магматических очагов сформировалась высокотемпературная геотермальная система, проявившаяся на поверхности в виде термальных источников: кипящих - Академии Наук и горячих углекислых - Карымских.
В начале января 199б г. на дне озера в кальдере Академии Наук произошло мощное фреатомагматическое извержение. Одновременно в соседней кальдере началось обычное для вулкана Карымского эффузивно-эксплозивное извержение. Спусковым механизмом извержений послужило сильное землетрясение (магнитуда 6,9) с эпицентром всего в 15 км южнее озера. Гидрологический, гидрохимический и тепловой режим озера претерпел катастрофические изменения. На его берегах активизировались существовавшие ранее термальные источники и появились новые мощные выходы горячих вод. Значительно изменились и условия разгрузки Карымских источников. Подобных явлений в вулканологической хронике Камчатки не отмечено.
В данной статье предпринята попытка описать и количественно оценить наблюдаемые после извержения тепловые и гидрогеохимические феномены, соотнести их с конкретными проявлениями сейсмической и вулканической активности и сопоставить с гидротермальными процессами, протекавшими здесь ранее.
История исследования
Несмотря смотря на удаленность от населенных пунктов и относительную недоступность, КВЦ в геологическом, геофизическом и вулканологическом отношении изучен значительно лучше других территорий Камчатки. Начало исследованиям было положено экспедицией В.И. Влодавца в 1938 г., давшей первые сведения о геологии, вулканизме и термопроявлениях района. Геологии и вулканизму КВЦ посвящены фундаментальные труды Б.В. Иванова и большой группы геологов под руководством Ю.П. Масуренкова. Ценнейший вклад в понимание глубинного строения КВЦ внесли многолетние сейсмологические и геодезические исследования (П.И. Токарев, М.А. Магуськин и др.) .
Термальные источники в кальдерах Карымская и Академии Наук открыты в 1938 г.оду экспедицией В.И. Влодавца [5], но в дальнейшем исследования гидротерм предпринимались редко и были скорее попутными,, чем целенаправленными [10]. Лишьь в 1984 г. Г.Ф. Пилипенко провела специальные исследования термальных вод кальдеры Карымская и термопроявлений в кальдере Академии Наук, предложила концептуальную модель Карымско-Академической высокотемпературной гидротермальной системы, определила еее энергетическую мощность [17]. Термальные источники в кальдере Академии Наук описаны также при гидрогеологической съеемке масштаба 1:200000, выполненной в 1989 г. Камчатским территориальным геологическим управлением.
К моменту сейсмических и вулканических событий 1996 г. был накоплен большой объеем знаний по геологическому строению, истории развития, вулканизму, магматизму, гидротермальной активности и сейсмике КВЦ. Исследования процессов извержения и землетрясения и их последствий проводились Институтом вулканологии. Результаты исследований опубликованы в серии статей в журнале "Вулканология и сейсмология" и других изданиях.
В 1996, 97, 99 и 2000 гг.одах авторы изучали гидрогеологические последствия извержений. В 1996 г.оду было сделано детальное описание и составлены крупномасштабные схемы выходов гидротерм, как существовавших ранее, так и появившихся вновь. В последующие годы прослеживались изменения, происходящие на участках их разгрузки гидротерм. Каждый раз обследовались все термопроявления района, измерялись температуры и дебиты источников и водотоков, проводилось повторное гидро - и газохимическое опробование. По этим данным определенаы гидрогеохимическая специфика новых и старых групп гидротерм и их относительная роль в выносе тепла и вещества и формировании аномального гидрохимического стока.
Химический анализ водных проб выполнен в лаборатории Института вулканологии, хроматографический анализ газа - в Научно-исследовательском геотехнологическом центре и в Институте вулканической геологии и геохимии ДВО РАН.
Геологическое строение и история формирования КВЦ.
В геолого-структурном плане КВЦ представляет собой тектонический купол, осложненный в сводовой части кальдерными депрессиями и выросшими в них стратовулканами. Морфологически это дугообразный горный массив с отметками 500 --600 м., протянувшийся в субмеридиональном направлении на 50 км при ширине до 30 км. Над его поверхностью, рассеченной оврагами, долинами рек и уступами кальдер, возвышаются конусы действующих и останцы разрушенных вулканов. Кроме крупных, высотой до 1600 м, стратовулканов здесь множество других вулканических построек: шлаковых и лавовых конусов, и воронок взрывов - мааров, не редко заполненных озеерами.
Геологический разрез купола полностью состоит из вулканогенных (эффузивных и пирокластических) и вулканогенно-осадочных (кальдерно-озеерных) верхнеплиоцен-плейстоценовых отложений от кислого липаритового до основного базальтового состава. Это разнообразные туфы, игнимбриты, агломераты, пемзы, андезитовые и базальтовые лавы, липаритовые и дацитовые экструзивные тела. Характерной особенностью разреза является большое количество кальдерно-озерных отложений: алевролиты, песчаники, гравелиты, пески. Основанием для этих образований служат отложения континентальных и прибрежно-морских и вулканогенных (в верхней части) фаций нижнеплиоценового возраста, мощностью до 1 км (щапинская и сторожевская свиты). Они несогласно залегают на пенепленизированном складчатом основании, сложенном кремнисто-вулканогенными, кремнисто-карбонатными, и вулканогенно-терригенными отложениями мел-палеогенового, и олигоцен-миоценового возраста [19]. Метаморфизованный верхнемеловой фундамент здесь приподнят и залегает на глубине ~3,5 км [18].
КВЦ , как звено в цепи подобных структур, составляющих Восточный вулканический пояс Камчатки, возник на пересечении регионального глубинного разлома с более древней системой крупных дислокаций трансформного направления. Земная кора здесь разорвана на всю глубину и на длительное время открыт путь для движения глубинного тепла и вещества к поверхности. Возникла многоэтажная система внутрикоровых магматических очагов. Крупный "промежуточный" магматический очаг диаметром ~30 км с центром давления на глубине ~ 18 км устанавливается вблизи нижней границы коры [25]. Из него (или сквозь него) магма поступает в близповерхностные очаги меньших размеров. Вторжение магм и образование внутрикоровых магматических очагов привело к общему куполовидному подъеему поверхности, а игнимбритовые извержения - к частичному опустошению периферических очагов и образованию кальдерных депрессий в своде купола. Становление купола сопровождается развитием сложной системы линейных, дуговых и кольцевых разломов образовавших структуру "битой тарелки". КВЦ начал формироваться 2 млн. лет назад. В современном виде купольная структура образована, в основном, за счеет накопления вулканогенного материала и, в меньшей степени, за счеет общего подъеема поверхности.
Вулканическая активность
Карымского центра имеет преорывный "ритмичный" характер: периоды интенсивных извержений сменяются периодами покоя. Установлено 4 таких ритма, каждый из которых начинался катастрофическими извержениями с выбросом сотен кубических километров кислого, обычно дацитового, пирокластического материала и образованием игнимбритовых покровов. За этим следует обрушение кровли частично опустошавшихся магматических очагов и образование кальдер. Кальдеры заполняются вулканогенными пирокластическими, флювиальными и озеерными отложениями, внутри них начинается рост стратовулканов андезито-базальтового состава. Далее вулканическая активность снижается. Извержения следующего ритма локализуются внутри построек предыдущего, происходит телескопическое вложение молодых структур в более древние [6].
На позднем этапе развития КВЦ, в конце верхнего плейстоцена -- голоцене, в его юго-западной части образовались две сближенные кальдеры: Академии Наук и Карымская. Расстояние между кальдерами всего 3 км, причеем чеетких структурных границ между ними нет.
Кальдера Академии наук возникла на месте вулканов Однобокий и Академии Наук. По мнению Б.В. Иванова [9] и О.Б. Селянгина [19], они представляли собой единое вулканическое сооружение. Формирование кальдеры началось в начале верхнего плейстоцена 110-8014С тыс. лет назад (л.н.) после катастрофических извержений пирокластических потоков. Кальдерообразующие извержения продолжались десятки тысяч лет. В процессе извержений было выброшено от 8 до 10 км3 туфов и игнимбритов от андезитового до липаритового состава [6]. От вулканов Однобокогийо и Академии Наук сохранились только фрагменты их южных секторов. Кальдерная депрессия была заполнена озером, но вулканическая деятельность в еее пределах продолжалась. В позднем плейстоцене в южной части озера образовался крупный маар диаметром более 1 км. Уже в голоцене, 6500 14С л.ет н.азад, у северного берега озера произошло извержение с образованием маара диаметром 0,8 -- 0,9 км [2]. По другим данным возраст этого ("туфового кольца") ~4800 14C лет [1]. Одновременно сильное землетрясение, вызвало смещение крупного блока западного борта ущелья реки Карымская, перекрывшего сток из озера. В результате, уровень воды, судя по сохранившейся озеерной террасе, поднялся на 80 - 85 м выше современного. Примечательно, что во время этого извержения выбрасывалась ювенильная тефра базальтового состава, аналогичная тефре извержения 1996 г., которое произошло в непосредственной близости [2].
Кальдера Карымская начала формироваться значительно позже - в раннем голоцене. Это небольшая, всего 5 х 6,5 км по верхней кромке, кальдера обрушения с хорошо выраженным уступом, образованная в теле вулкана пра-Карымский. На севере она срезает склоны вулкана Двор, а на юге не имеет чеетких границ. В кальдере расположен действующий вулкан Карымский, лавы которого перекрыли всее дно кальдеры за исключением небольшого участка в юго-западной части - Термальной котловины. Кальдерообразующие извержения (типа Кракатау) начались на вулкане пра-Карымский около 7700 л.ет н.азад и продолжались ~200 лет [6]. За это время было выброшено от 4 до 6 км3 пирокластики от липаритового до липарит-дацитового состава (пемзовые туфы пирокластических потоков, бомбы, лапилли, отложения палящих туч), что привело к обрушению центральной части вулканической постройки [9]. Далее наступил длительный, более 1000 лет, период ослабления вулканической активности и накопления в кальдере озеерных и флювиальных отложений [6]. Судя по гидротермально изменеенным породам (каолинитам), наблюдающимся в эрозионных врезах юго-западного борта кальдеры, в раннем голоцене здесь открыто разгружались воды, подобные современным парогидротермам кальдеры Узон [16].
Около 5300 14С л.ет н.азад в кальдере начался рост стратовулкана Карымский. Состав продуктов его извержений на самых начальных стадиях формирования отвечал андезито-базальтам, на последующих - андезито-дацитам. Высота конуса вулкана над дном кальдеры ~700 м, объеем ~0,8 км3. 500014С лет назад в южной части кальдеры произошло одноактное извержение: образовался лавовый конус "Лагерный" с небольшим потоком андезито-базальтов.
На последних этапах формирования вулканического центра особую роль играет мощная субмеридиональная зона дизъюнктивных нарушений, рассекающая западную часть КВЦ [9]. Зона контролирует линейное расположение вулканов и кальдер - центров наиболее мощных проявлений кислого вулканизма в верхнем плейстоцене -- голоцене. Разломы имеют здесь глубокое заложение и являются магмовыводящими. В границах зоны последовательно во времени возникают близповерхностные "кальдерообразующие" магматические очаги. Субмеридиональная тектоническая зона продолжает активно развиваться, в особенности в средней части, на участке кальдер Карымская - Академии Наук, где фиксируется максимальная деформация (растяжение) поверхности [13]. "В осевой еее (зоны) части закладывается грабен протяженностью 15 км. Наиболее чеетко он проявлен на участке сближенных кальдер Академии наук и Карымскойая.. Современная гидротермальная деятельность сосредоточена исключительно в пределах этого участка грабена." [Г.Ф. Пилипенко, 1989, стр. 88].
Гидротермальнаыея система.
Кальдеры Академии Наук и Карымская выделяются среди остальных структур КВЦ мощной современной гидротермальной активностью. В кальдере Академии Наук разгружаются высокотемпературные гидротермы и их менее горячие дериваты, а в кальдере Карымская расположен самый мощный на Камчатке очаг разгрузки углекислых терм. Считается, что эти источники являются поверхностными проявлениями крупной геотермальной системы, заключенной в кальдерных депрессиях].
Молодые кальдерные депрессии благоприятны для формирования гидротермальных систем. С гидрогеологической точки зрения это небольшие наложенные артезианские бассейны с трещинно-пластовыми или трещинными водными резервуарами в погрузившихся блоках докальдерных вулканов и породах взрывного генезиса, заполняющих депрессии. Их инфильтрационное водное питание обеспечивается благодаря обильным атмосферным осадкам (на отметках ~600 м не менее 2000 мм/год), и высокой проницаемости кольцевых разломных зон и вулканитов, слагающих борта и склоны кальдер. Водоупорами, изолирующими артезианские резервуары от поверхностных и грунтовых вод, служат кратерно-озеерные отложения и гидротермально-измененные породы. Водопроницаемость вулканогенных пород резко возрастает в зонах тектонической трещиноватости, которые играют роль основных, часто единственных, каналов миграции гидротерм. Общие представления о природе гидротермальной активности в кальдерах Карымская и Академии Наук были уточнены по данным, полученным путеем исследования естественных термопроявлений. В кальдере Академии Наук до извержения 1996 г. основной участок разгрузки гидротерм находился на южном берегу озера. Здесь, на участке длиной более 1,5 км, наблюдались выходы термальных вод в виде мощных кипящих источников, источников с меньшими температурами, линейного высачивания в каменистом пляже, подводных выходов в прибрежной полосе. В зимнее время вдоль берега наблюдались длинные полыньи шириной до 50 м. Участок максимального прогрева с кипящими источниками и парящими площадками (собственно источники Академии Наук) протягивался на ~250 м вдоль берега и на ~80 м вверх по склону. Самые мощные выходы термальных вод расположены на высоте 10 -- 12 м над уровнем озера, в 40-50 м от берега. Там на площади порядка 2000 м2 насчитывалось до 50 кипящих грифонов и источников с температурой 80-98o С (здесь и далее температура в градусах Цельсия). Два из них работали в пульсирующем режиме и даже получили имена: гейзеры "Сердитый" и "Карлик" [ 10] . Вода источников собиралась в водоеемах -"ваннах", образующих два каскада на ручьях, стекающих в озеро. Ванны большие (28 х 7 м и 15 х 7 м), глубокие (до 1,4 м) и необыкновенно красивые, заполненные прозрачнейшей водой, с розовыми гейзеритовыми стенками и дном. В западной ванне из воронки в дне выбивал мощный пульсирующий грифон с температурой 98o , бросающий воду на высоту более метра. У верхней границы термальной площадки наблюдались выходы пара в виде участков парящего грунта, кипящих бессточных грязевых и водных (конденсатных) котлов. [10,17].
Гидрогеологи А.Л. Булыгин и О.В. Куницын во время съеемочных работ 1989 г. описали термальные источники с температурой 41-80o в 500 м восточнее ванн: "высачивание в травертинах" (?) на урезе воды озера (суммарный дебит 1,5 л/с) и "слабые выходы пара" на склоне на высоте ~40 м. над ними. Далее, в 1200 метрах, они обнаружили грязевой котеел и высачивание из