Все о геологии :: на главную страницу! Геовикипедия 
wiki.web.ru 
Поиск  
  Rambler's Top100 Service
 Главная страница  Конференции: Календарь / Материалы  Каталог ссылок    Словарь       Форумы        В помощь студенту     Последние поступления
   Геология >> Геоэкология | Книги
 Обсудить в форуме  Добавить новое сообщение

Редкие щелочи в термальных водах вулканических областей

Арсанова Г. И.
Новосибирск: Наука. 1974, 110с
Текст оцифрован, откорректирован и дополнен в 2009 г
содержание

1. РЕДКИЕ ЩЕЛОЧИ В ТЕРМАЛЬНЫХ ВОДАХ КАМЧАТКИ.

В первой части работы излагается основной фактический материал по распределению редких щелочных элементов в водах отдельных гидротермальных систем и групп источников с разбором их поведения в зонах разгрузки. А так же закономерности распределения редких щелочных и других элементов, обязанные глубинным процессам.

1.1. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА ЗОН РАЗГРУЗКИ, ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И РЕДКИЕ ЩЕЛОЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД КАМЧАТКИ

В настоящей главе приводятся конкретные гидрогеологические и гидрохимические сведения (фактический материал) по ряду термальных ключей Камчатки. На содержание редких щелочных элементов обследовались в первую очередь наиболее мощные, горячие и легкодоступные выходы термальных ключей, которые могут представлять непосредственный экономический интерес. В то же время сделана попытка охватить все разнообразие термальных вод вулканического региона.

Описываемые термальные воды в основном приходятся на юго-восточную часть п-ова Камчатка, известную широким проявлением современного активного вулканизма. Выходы вод на поверхность непосредственно не приурочены к кратерам активных вулканов. Обычно источники локализуются на дне древних кальдер и в связи с разломами глубинного заложения.

Кислые термальные воды кратеров действующих вулканов описываются ниже (2.1.2.).

1.1.1. Паужетские источники

Паужетские источники - одни из наиболее известных ключей Камчатки. Их изучение началось в 30-х годах прошлого столетия и продолжается поныне. Площадь разгрузки разбурена, построена тепловая гидроэлектростанция. Геологические и гидрогеологические материалы собраны и обработаны коллективом авторов и приводятся в монографии <Паужетские горячие воды на Камчатке>, по которой кратко даётся характеристика пород и геологическое строение района. Разгрузка Паужетских горячих ключей приходится на северо-западное крыло антиклинальной структуры Камбального хребта, которое представлено моноклинально падающими под небольшим углом (10-20o) вулканогенно-осадочными породами.

Моноклинальное строение осложнено вторжением экструзивных тел дацитового состава и разрывными нарушениями северо-восточного простирания взбросового типа. Тектоническая раздробленность подножия северо-западного крыла антиклинальной структуры Камбального хребта и глубокий эрозионный врез обусловили локализацию гидротерм в ее современном виде. Характерная особенность крыла - его двухъярусность. Верхний ярус сложен плотными алевролитами, алевропелитовыми и пелитовыми туфами дацита, предохраняющими термальные воды от разбавления их холодными поверхностными; нижний - псефитовыми туфами преимущественно андезито-дацитового до андезито-базальтового состава, являющимися собственно водовмещающим комплексом. Ниже залегают андезитовые туфобрекчии, спекшиеся туфы дацита и игнимбриты, подстилаемые вулканомиктовыми песчаниками.

Наиболее крупные естественные гидротермопроявления в долине р. Паужетки представлены источниками: Парящий I, Парящий II, Пульсирующий, Южный и Грязевое озерко. Известны два небольших гейзера и грязевые котлы. За последние годы пробурено более 20 скважин, которые вывели на поверхность парогазовую смесь. Температура воды на глубине - до 200oС; максимальная замеренная температура в скв.21 составляет 200,5o. Установлено повышение температуры сверху вниз до основной водоносной толщи псефитовых туфов и её уменьшение ниже толщи туфобрекчий; это подтверждает характер движения горячих вод в горизонтальном направлении с юго-востока на запад и северо-запад к зоне разгрузки. Общий дебит системы после проведения разведочных работ - 250 л/с; до бурения суммарный расход естественных выходов составлял 100 л/с.

Химический состав воды - хлоридно-натровый. Рн = 8,1. Формула Курлова воды одной из центральных скважин (N 13) . В паре определяется Н2S, СО2, NH3.

Изменения химического состава потока термальных вод в приповерхностной зоне наблюдаются ближе к его периферии, как результат падения температуры и смешения с маломинерализованными метеорными водами. Чем ближе к центральной части потока отобрана проба воды, тем выше в ней относительное содержание хлоридов натрия и калия.

С. И. Набоко выделяет семь зон новообразований в гидротермально измененных породах. Породы каждой зоны по-особенному влияют на пробегающие по трещинам воды, но так как объем реагирующего раствора несоизмеримо больше объема пород и вода движется быстро, влияния пород на химический состав хлоридно-натрового раствора в зоне разгрузки практически не чувствуется.

В 1968 г. было опробовано 6 скважин и 4 естественных выхода хлоридно-натровых вод (табл.1,часть1). Паровая фаза высокотемпературной хлоридно-натровой воды на некоторых участках месторождения частично отделяется до выхода вод на поверхность и растворяется в приповерхностных метеорных водах. В результате образуются гидротермальные проявления типа источника Южный (Na - 10 мг/л, К - 5 мг/л, Li - 0,0038 мг/л, Rb - 0,0045 мг/л и Сs - 0,0032 мг/л; отношение Li:Rb:Сs = 100:118:84; Сs/Rb=0,71; T=97oС; формула Курлова . На верхнем термальном поле возникают грязевые котлы. Вода котлов имеет сложный многокомпонентный состав, неустойчивый во времени, преимущественно сульфатно-натриевый, с минерализацией 3 - 0,5 г/л.

В составе конденсата пара первой эксплуатационой скважины преобладают ионы NН4+, НСО3-; присутствуют следы хлора и натрия при минерализации до 50 мг/л. Для определения направления миграции щелочей в реакциях <вода - порода> проанализированы породы высокотемпературной скв. 20, глины двух котлов (I и II) верхнего термального поля, а также породы вне гидротермального месторождения (табл. 2).

1.1.2. Озерновские источники

Озерновские горячие ключи (так называемые Первые ключи) располагаются в левом, обрывистом, берегу р. Озерной, в 16 км от впадения ее в Охотское море. Породы вблизи выходов ключей на поверхность представлены переслаивающимися андезитами, базальтами и их туфами. Они изменены горячими водами и переработаны в пёстрые глины, а непосред-ственно участки выходов иногда инкрустированы серой. Недалеко от источников на плато-образной возвышенности вскрывается экструзия амфиболового риолита. Верхний выход термальной воды расположен на высоте 35 - 40 м над руслом реки. Температура в разных грифонах до 80oС, дебит около 5 л/с, химический состав воды сложный: .

Источники были опробованы на содержание редких щелочных элементов в июле 1968 г. (табл. 1,часть 1).

1.1.3. Курильские источники

Курильские теплые источники находятся на северо-восточном берегу Курильского озера у подножия Ильинской сопки в небольшой тёплой бухточке. Место выходов сложено сильно выветрившимися эффузивными породами среднего и основного состава. Температура воды около 40oС. Воды - низкоминерализованные. Формула Курлова: .

Проба на редкие щелочи отобрана в 1968 г. Г. А. Карповым, анализ выполнен автором (табл. 1,часть 1).

1.1.4. Киреунские источники

Киреунские (Крестовские) источники расположены на восточном склоне Срединного хребта, в 60 - 65 км на северо-запад от с. Кресты, вдоль русла правого притока р. Средняя Киреуна. Платообразная возвышенность, сложенная перемежающимися потоками базальтовых лав и их туфов, расчленяется истоками многих рек, в том числе долиной р. Киреуна, которая, глубоко врезаясь, образует каньонообразную долину. Горячие ключи выходят по долине на протяжении ~1 км. Насчитывается около 200 отдельных грифонов. Из них свыше 40 имеют значительный дебит. Отложения из вод близ их выхода на поверхность представлены гейзеритами. Киреунские источники обследовались в 1969 г. Т. П. Кирсановой, по данным которой их дебит оценивается в 40 л/с, температура 99,5oС, высота выходов над уровнем моря - около 500 м, формула солевого состава: .

Проба воды для определения редких щелочных элементов была предоставлена Т. П. Кирсановой (табл. 1,часть 1).

1.1.5. Двухъюрточные источники

Двухъюрточные источники находятся в верховьях правого притока р. Двухъюрточной, впадаюшей в р. Еловку, общим устьем с р. Киреуна. Неподалеку расположен Белый хребет (отрог Срединного хребта), по данным Богдановича сложенный биотитовыми андезитами, приближающимися по кислотности к дацитам (Пийп, 1937). Источники обследовались Т. П. Кирсановой в 1968 г. Одновременно отобрана проба на определение редких щелочных элементов. Источники имеют относительно невысокий дебит - 7,5 л/с, максимальная температура выхода 75oС, формула солевого состава: . Результаты опробования на редкие щелочи табл. 1,часть 1.

1.1.6.Банные источники

Большие и Малые Банные источники располагаются в долине р.Банной - притока р. Плотниковой: первые - почти в верховьях реки, а вторые -в 5-6 км ниже первых по течению на правом берегу притока Маленький Ключик. Большие Банные источники известны давно -со времени посещения их С. Крашенинниковым (1737-1740 гг.), однако только в последнее время в связи с проведением буровых работ (1961- 1969) и детальных геологических съемок стало вырисовываться геологическое строение района. Тем не менее, его сложность и все еще недостаточная изученность явились причиной отсутствия общепринятой структурной геологической карты.

Согласно работам (Эрлих, Трухин, 1969), Больше-Банное гидротермальное месторождение приходится на западную часть грабена, обрамляющего кольцевую структуру непосредственно близ контакта с поднятым блоком фундамента. Кольцевая структура образована серией экструзивных куполов, расположенных к северу от р. Банной. Купола располагаются дугообразно. Дуга диаметром около 12 км открыта на север. С юга и юго-востока структура ограничена узким (0,2-0,7 км в поперечнике) грабеном, к которому и приурочена долина р. Банной с её гидротермальными проявлениями. Кольцевая структура классифицируется авторами как долгоживущая ослабленная зона, к элементам которой <приспосабливаются> последующие проявления магматизма. Отмечается отсутствие обшей просадки площади, исключая дуговой грабен. По мнению В. Коваленко, отрицательную структуру р. Банной можно классифицировать как реликт кальдеры.

По данным гидрогеологов Камчатского территориального геологического управления Большие и Малые Банные источники представляют собой очаги разгрузки единой гидротермальной системы. Характерная гидрогеологическая особенность этой гидротер-мальной системы - трещинно-жильная циркуляция подземных вод и отсутствие четко выраженного водоупора. Блоковая структура месторождения обусловлена сочетанием субширотных сбросов, образовавших грабен р. Банной, с более поздними субмеридиональ-ными и северо-восточными разрывными нарушениями. Падение разломов крутое, амплитуда смещения от 50-100 до 250-400 м. Распределение водопритоков определяется характером трещиноватости и степенью раскрытости трещин. Породы практически водонепро-ницаемы (0,0001-0,004 мД). В поднятых блоках центральной и западной частей место-рождений наиболее мощные водопритоки вскрыты на глубинах 20-200 м; здесь же фиксируется поверхностная разгрузка гидротерм. В опущенных восточных блоках приток термальной воды приурочен к глубинам 250-450 м и до 600-700 м.

Характер распределения температур (максимальная 162- 171oС) и пьезометрический напор по скважинам позволяют сделать вывод о наклонно восходящем движении <перегретых> вод к очагу разгрузки с юга и юго-востока.

Водовмещающие породы представлены эффузивно-пирокластическими образованиями андезито-дацитового состава. В юго-восточной части месторождения породы прорваны интрузией диоритов; по всей площади фиксируются дайки и субвулканические тела липаритов, андезитов, андезито-дацитов, а на востоке - современных андезито-базальтов. В среднем приблизительно две трети пород по составу отвечают базальтам, андезито-базальтам и андезитам и одна треть - образованиям дацитового и липаритового состава. Вблизи выхода Малых Банных ключей фиксируются андезитовые туфы.

Эксплуатационные запасы Больше-Банного месторождения составляют 156 кг/с, энтальпия 158 ккал/кг. Суммарный дебит всех источников равен 35-38 л/с, минерализация воды - 0,8-1,2 г/л, рН = 7,1- 8,5.

Химический состав вод, циркулирующих в различных породах, довольно однообразен; сульфатно-натриевый и сульфатно-хлоридно-натриевый, а на периферии месторождения, где происходит активное смешение с холодными поверхностными водами, скважины выводят на поверхность воды с температурой ниже 100oС более низкой минерализации и более высоким относительным количеством гидрокарбонатов. Колебания содержаний компонентов термальной воды в скважинах (по данным Камчатского территориального геологического управления) в г/л: SО42- - 0,29-0,86; Сl- - 0.31-0,80; Na+ - 0,22-0,44; НСО3- - 0,06-0,25; Са2+ -0,02-0,05; К+ - 0,005-0,025; Мg2+ -0,0-0,01; в мг/л Н2SiO3- до 200-300; НВО2-8-14; F- до 2-3; Br- до 0,05; NH4+ до 3.

Формула солевого состава воды, выводимой одной из центральных скважин Больше-Банного месторождения (скв. 31): .

Вода главного грифона Малых Банных источников

На редкие щелочные элементы в 1967 г. были опробованы воды источников и скважин Больше-Банного месторождения и две пробы, взятые в разные годы из Малых Банных источников (табл. I часть 2).

1.1.7. Паратунские источники

По р. Паратунке и её притоку Карымшина на редкие щелочные элементы обследованы четыре относительно крупные группы термальных источников, площадь которых ныне разбурена (рис. 1). Область термопроявлений вытянута в субмеридиональном направлении более чем на 30 км и контролируется депрессией р. Паратунки. Согласно работам гидро-геологов Камчатского территориального геологического управления (Манухин и др., 1971), в структурном отношении депрессия представляет собой сложно построенный грабен, образовавшийся в четвертичное время. Блоковыми разрывными нарушениями затронут неогеновый фундамент. Борта и ложе долины сложены в различной степени дислоцированны-ми осадочно-вулканогенными эффузивными и интрузивными образованиями неогенового и четвертичного возраста от базальтов и андезито-базальтов до (реже) - дацитов. Здесь фиксируются две системы разрывных нарушений: более древние - северо-западного и северо-восточного простирания и более молодые - субмеридионального и субширотного. Водоупорный горизонт, представленный выдержанными по площади четвертичными алевролитами, аргиллитами и глинами, служит границей раздела двух водоносных комплексов термальных глубинных вод и холодных инфильтрационных поверхностных. Положения участков (Средне-Паратунский, Нижне-Паратунский и т.д.) контролируется взаимным пересечением зон повышенной трещиноватости пород. В относительно приповерхностных условиях наличие перекрывающего водоупора приводит к возникновению субгоризонтальной зоны растекания термальных вод; в более глубоких частях гидротермальной системы горячие воды движутся в близком к горизонтальному направлению с юго-запада на северо-восток, что совпадает с направлением долины и доказывается падением пьезометрических уровней от Верхне-Паратунских до Ннжне-Паратунских ключей. Породы гидротермально метаморфизованы. Фиксируется формация пропиллитов и вторичных кварцитов типа серицитовых. Кроме того, гидротермальный метаморфизм пород возник в результате циркуляции современных термальных вод с температурой преимущественно менее 100oС. Последний характеризуется низкотемпературной ассоциацией минералов: цеолит-опал - глинистые минералы - гипс - ангидрит. Особенности разрывной тектоники позволили специалистам КТГУ выделить два типа трещин.

Для первого - характерна ассоциация минералов, свойственная более высокотемпературной обстановке: кварц, эпидот, хлорит, кальцит, пирит. Открытые трещины второго типа выполнены рыхлыми цеолитами, карбонатом, ангидритом, гипсом и глинистыми минералами. На Средне-Паратунском участке преобладают трещины первого типа, на Нижне-Паратунском и Северном участках - второго. Температура воды в пределах горизонтов, вскрытых скважинами, как правило, не превышает 100oС, однако в скв. 19 Нижне Паратунского участка на глубине 560 м она равна 106oС. Общий дебит Паратунских и Карымшинского участков, по данным КТГУ, порядка 200 л/с. Химический состав термальных вод Паратунской гидротермальной системы сложный. Содержания главных компонентов колеблются в пределах, не меняющих основного химического типа воды сульфатно-хлоридно-натриево-кальциевого. Формула солевого состава воды из скв. ГК-5 Карымшинского участка . Усредненная формула воды Верхне-Паратунского участка: ; Средне-Паратунского - и вода скв. 49 Нижне-Паратунского участка . В колебании содержаний основных компонентов - Cl-; SO4-2; CO3-2; HCO3-; Na+;K+ , кремнезема и общей минерализации для вод Средне-Паратунского участка существует определенная закономерность, связанная с растеканием термальных вод в относительно приповерхностной зоне. Термальные воды центральной части площади отличаются максимальными показателями; к периферии - на запад и восток - содержания компонентов падают. Для определения редких щелочей, натрия и калия были отобраны воды 34 скважин (табл. 1,часть 3), а для определения относительной подвижности щелочных элементов в приповерхностных условиях построена серия графиков и карт, которые разбираются ниже (1.2.6.).

1.1.8. Малкинские источники

В долине р. Ключевки (Малки), недалеко от с. Малки, в 130 км от Петропавловска-Камчатского, расположены горячие Малкинские источники, на которых еще в 1802-1805 гг. была построена первая, ныне не существующая, водолечебница.

Непосредственно около выхода гидротерм вмещающие породы представлены зелеными кремнистыми сланцами, по Б. И. Пийпу (1937), предположительно мелового возраста.

В геологоструктурном отношении места выходов ключей приходятся на грабеновое опускание и связаны, вероятно, со сбросом, отвечающим направлению грабенного разлома.

Выходы Малкинских горячих ключей занимают левобережную пойменную часть р. Ключевки, образуя сравнительно широкую термальную площадку. Ясно выраженных грифонов мало - в основном горячая вода поступает со слабым напором между отдельными несцементированными гальками и валунами, образуя широкие открытые естественные <ванны>. Максимальная замеренная нами температура 82oС. Суммарный дебит по Б. И. Пийпу около 4 л/с, по В. В. Иванову - 10 л/с. Источники выделяются среди термальных вод низкой минерализацией. - 0,55 г/л. Химический тип воды сульфатно-хлоридно-натриевый:

На редкие щелочные элементы отобраны 3 пробы из трех грифонов (пр. 1-грифон в 20 м от уреза реки, пр. 2 - Главный грифон и пр. 3 - грифон у реки) и одна проба из выхода в дне ванны в галечнике - пр. 4. (табл. 1,часть 3).

Недалеко от горячих Малкинских ключей, в правом борту р. Быстрой, в 1,5 км от с. Малки в 30-х годах Б. И. Пийпом был обнаружен холодный газирующий углекислый источник. Температура источника 5oС, расход двух выходов 0,2 л/с.. Формула солевого состава воды: . Результаты анализа на щелочи в табл.1,часть 3

1.1.9. Пущинские источники

В 16 км от с. Пущино в долине р. Кошкан издавна известны как целебные выходы незначительных по дебиту термальных вод. Они располагаются по обоим берегам реки, однако больше и значительнее термопроявления связаные с правым берегом. Источники выбиваются на поверхность в 5-6 м выше уреза реки несколькими малодебитными выходами. Возле одних выходов отлагается травертин, представленный почти чистым арагонитом, другие источники образуют маленькие теплые болотца.

Вмещающие породы представлены андезитами и туфами.

Место выходов гидротерм приходится на пересечение разломов широтного и северо-западного простираний в породах верхнемелового возраста. По предположению Б. И. Пийпа, Пущинские источники - это отмирающие гидротермы, существующие, возможно, с плиоцена.

В 1968 г. были опробованы четыре наиболее значительных выхода, включая ныне действующие деревянные ванны. Все они располагаются в пределах 40-50 м на правом берегу реки и схожи между собой (пр. 1 - Главная ванна, пр. 2 - Малая ванна, пр. 3 - Котел с термофильными водорослями). Несколько отлична вода пр.4, из термального ручейка, который суммировал воду нескольких мелких грифончиков и, по-видимому, разбавлен холодными поверхностными водами. Результаты пр. 4 не учитывались при расчете среднего для данной группы выходов (табл. 1,часть 3). Максимальная замеренная температура 40oС. Общий расход 1,0 л/с. Состав воды сложный, многокомпонентный. По Диланяну (1963г): . По Б. И. Пийпу, сухой остаток воды, проанализированный в начале 30-х годов, составляет 5,168г/л. Вода отличается высоким содержанием бора. Есть мышьяк и кремниевые соединения.

1.1.10. Начикинские источники

На высоком правом берегу р. Плотниковой, в 104 км от Петропавловска-Камчатского, расположены выходы одних из давно известных и посещаемых теплых ключей Камчатки, так называемых Начикинских гидротерм. В последние годы район месторождения разбурен и проведена детальная разведка запасов термальных вод для строящегося здесь санаторно-лечебного комплекса.

В геологическом строении района принимают участие породы верхнего мела (кремнистые сланцы и алевролиты), палеоген-неогена (осадочно-вулканогенный комплекс пород, в который входят туфогенные песчаники, гравелиты, конгломераты и туфобрекчии андезитового и базальтового состава), а также различные генетические типы четвертичных образований - эффузивы дацитового состава, ледниковые и аллювиальные отложения. Интрузивный комплекс представлен диоритами и липаритами неогена. Петрографический анализ пород, вскрытых скважинами, показал, что это дациты, андезитовые порфириты, алевролиты, кварц-серицит-карбонатная порода типа вторичных кварцитов, кварцевые диориты и диоритовые порфириты. Из вторичных минералов определены глины, гипс, кальцит, соединения кремния с примесью соединений железа, алюминия и титана. В зоне разгрузки породы гидротермально переработаны.

В геологоструктурном отношении Начикинское месторождение термальных вод приходится на северо-западную часть крупной складчато-глыбовой Начикинской депрессии, северный борт которой осложнен системой региональных тектонических разломов. Горячие источники пространственно приурочены к контакту древних туфогенных пород с прорывающим их штоком гранодиоритов, однако на поверхность они выходят через аллювиально-галечные отложения. Собственно участок разгрузки ассоциирует с зоной повышенной трещиноватости на площади пересечения тектонических нарушений северо-восточного и северо-западного направлений. В плане он невелик- (60-70) X (90-100) м.

Напорные воды поступают снизу, образуя в приповерхностной части зону растекания.

До бурения термопроявления были представлены серией (58шт. - по Е. А. Вакину) небольших выходов в верховьях небольшого овражка, спускающегося к р. Плотниковой, в пределах второй надпойменной террасы правого берега, у подножья горы Начикинское Зеркальце. Затем было пробурено более двадцати скважин, из которых ныне оставлено в качестве эксплуатационных пять. Максимально замеренная в ходе бурения температура составляет 84,5o (скв. 18). Суммарный дебит оценивается в 12 л/с. Дебит естественных источников до бурения равнялся 6,3 л/сек.

По химическому составу вода сульфатно-натриевая, с невысокой (1,2 г/л) минерали-зацией. Усредненная формула ее солевого состава: . Эксплуатационные скважины были опробованы на содержание редких щелочей в 1968г на сливе (табл. 1,часть 3).

1.1.11. Налычевский геотермальный район

На северо-восток от г. Петропавловска-Камчатского, приблизительно в 50-40 км по прямой; в бассейне р. Правая Налычевая располагается один из интереснейших геотермальных районов Камчатки, включающий нескольких групп горячих, теплых и газирующих (холодных) источников, протянувшийся неширокой полосой параллельно долинам рек Шайбной и Горячей.

Геологическое строение района чрезвычайно сложно. Несмотря на значительное количество геологических исследований, единого взгляда на структуру района нет. Источники приходятся на центральную часть так называемой Налычевской депрессии, окруженной с севера хребтами Ивлук и Дзензур, с юга - вулканами Авача и Корякский и далее к западу горами Ааг и Арик. С юга котловина закрыта Налычевским хребтом. В пределах депрессии с центром на месте горы Купол сотрудники Института вулканологии Ю. П. Масуренков, В. А. Ермаков и др. выделили положительную Купольную структуру. В централь-ной части ее по разломам, образующим замкнутую полигональную фигуру, размещены много-численные интрузии габбро-диоритов и диоритовых порфиритов, по-видимому, миоценового возраста. Более поздние плиоценовые вулканы приурочены к местам интенсивной гидротер-мальной деятельности миоцена (?), выразивщейся в образовании обширных полей гидротер-мально измененных пород типа вторичных кварцито-опалит-аргиллитов. В плейстоцене в пределах Купольной структуры образуются, кроме вулканов и шлаковых конусов, экструзии дацит-липаритов. Непосредственно места выхода ключей на поверхность сложены андезито-выми и базальтовыми туфобрекчиями и лавами. Реконструкция центров вулканизма в районе горы Купол дает основание связать в единый процесс явления, относящиеся к разным струк-турным ярусам и циклам - олигоцен-миоценовому и плиоцен-четвертичному. Область гене-рации магматических расплавов, возникшая в недрах Налычевской структуры в миоцене (?), продолжает существовать до настоящего времени. Происходила последовательная смена вулканизма интрузивным магматизмом, затем активной гидротермальной деятельностью и снова в плиоцен-четвертичное время - вулканизмом, возникновением экструзий и, наконец, современной гидротермальной деятельностью. Участки разгрузки гидротерм в их современном виде (рис. 2) приурочены к сложной ступенчатой грабенообразной структуре северо-восточного простирания, приходящейся на восточное и юго-восточное окончание Купольной структуры. В северо-восточной ее части выходы Краеведческих и Таловых источников связаны с зафиксированным здесь в рельефе наклонно падающим на юго-восток разломом. Юго-западнее разлом и его оперяющие или серия параллельных разломов проходят по р. Горячей и подчеркиваются выходами горячих и газирующих ключей и экструзивными куполами.

Источники группы Котла (собственно Налычевские). У юго-восточного окончания горы Круглой между реками Горячей и Желтой расположены Налычевские горячие ключи. Место выхода источников представляет собой площадку размером 150X200 м, слегка наклоненную к югу, покрытую глинами и бронированную травертинами. С севера, запада и востока площадка окружена термальными болотами. В северной ее части в котле на пятиметровом куполе находится самый значительный выход термальной воды - грифон Большой Котел (N 1). На куполе, где расположен Большой Котел, и по западной части травертиновой площадки наблюдается несколько котлов с горячей водой. Максимальная температура была зарегистрирована в источнике Коренной (N 7) 74oС. Значение рН воды 6,6 - 6,4.

В 1958-1959 гг. в районе горячих источников пробурено четыре скважины. Они взаимодействуют между собой и источниками. Скв. 1, где замерена на устье самая высокая температура (75oС) расположена в нескольких десятках метров; на северо-восток от Большого Котла, скв. 2- в 300 м к востоку от него. Напор и характер распределения температур в фонтанирующих скважинах показывают, что приток вод идет с северо-запада. По Е. А. Вакину, дебит источников вместе со скважинами составляет 50 л/с при средней температуре 70oС, а выносимое ими тепло - 3500 ккал/с. Предполагается, что бурением можно увеличить дебит до 100-150 л/с.

По составу воды отвечают хлоридно-натровым с минерализацией 4,2-4,6 г/л и чрезвычайно высоким содержанием бора и мышьяка; насыщены углекислотой. По данным Е. А. Вакина и др., полученным в 1963 г., максимальное содержание НВО2 составляет 340 мг/л, Н3АsО3 -3,09, Н2SiO3 - 163, F- -10,4, I- - 0,84, Вr- - 4,1 мг/л. В сухом остатке спектральным анализом обнаружены скандий, фосфор, марганец и медь.

В 1968 г. источники месторождения опробованы на содержание редких щелочей. Анализ показал, что в пределах термальной площадки и скв. 2 редкие щелочные элементы в водах различных выходов распределены очень равномерно, что представляется естественным, учитывая незначительные размеры площадки и отсутствие в ее пределах явного подмеши-вания приповерхностных холодных вод. Состав воды скв. 2 (по Е. А. Вакину): .

Налычевские источники выделяются высоким содержанием редких щелочей и особенно цезия (табл. 1,продолжение).

Термальные источники поймы рек Горячей и Желтой. На участке между устьями ручьев Котельного и Снежного, т. е. на протяжении 2,5 км по р. Горячей и на правом берегу Желтой, в 600 м выше ее впадения в р. Горячую, также наблюдаются многочисленные выходы термальных источников, близких к водам группы Котла, но отличающихся несколько меньшей минерализацией. Опробованы на редкие щелочи две естественные ванны: в пойме р. Горячей (близ скв. 4, табл. 1,продолжение) и в пойме р. Желтой - в 600 м выше впадения ее в р. Горячую (пр. 2; там же).

Таловые теплые ключи расположены в левом борту р. Порожистой, в 2,5 км севернее ее впадения в р. Шайбную, у подножия высоты 745,0 м. Они выходят вдоль склона четырьмя группами на участке, приблизительно равном 1 км. Высота 745,0 сложена андезитами, прорванными в 2-1,5 км от источников интрузией кварцевых диоритов. Суммарный видимый дебит (по Е. А. Вакину) около 6 л/с, а температура не превышает 38oС при общем выносе тепла 150 ккал/с. Замеренная нами температура в месте отбора пробы на редкие щелочные элементы составляла 34oС (Таловый котел, табл. 1,продолжение). По Б. И. Пийпу (1937)-это представитель группы <А>. Просвечивающие сквозь лес яркие купола на склоне высоты 745,0 сложены красно-желтой травертинистой глиной. Дебит источников, которым они обязаны своим образованием, ныне крайне не значителен. По химическому составу воды этой группы мало отличаются от Налычевских, однако содержание HCO3-, SO4-2 и Ca2+ несколько выше.

По данным Е. А. Вакина: .

Б.И.Пийп , Е. А. Вакин и др. считают, и по нашему мнению, - справедливо, эти источники угасающими.

Шайбные источники. Вдоль правого борта р. Шайбной, на участке между ее притоками Порожистой и Таловой, выходят на поверхность минеральные ключи, названные открывшими их работниками Налычевской партии КТГУ Шайбными. Они представлены двумя одинаковыми группами рядом расположенных источников с очень незначительным дебитом. Дебит северной группы (по Е. А. Вакину) составляет 0,27 л/с при температуре 17,6oС. Температура южной группы, где была отобрана проба на редкие щелочные элементы (пр. 3), равна 17oС (наши замеры). Общесолевой состав воды источников сходен с Налычевскими термами.

По Е. А. Вакину: , однако содержание редких щелочных элементов ниже, особенно цезия (табл. I,продолжение).

Краеведческие источники выходят по обоим берегам р. Таловой, в 2-х км от ее впадения в р. Шайбную. В 8 км от Налычевских источников, на склоне горы, у западного подножия которой выходят Краеведческие источники, туфобрекчии прорваны интрузией кварцевых диоритов. Предполагают, что Краеведческие источники связаны с тем же тектоническим разломом, что и Таловые и Налычевские. Краеведческие ключи прослеживаются на расстоянии нескольких десятков метров вдоль р.Таловой. На редкие щелочные элементы нами опробован наиболее мощный грифон (пробы <а> и <б>) в правом борту р.Таловой у уреза. Его дебит {по Е. А. Вакину) составляет 6,9 л/с, а общий вынос тепла Краеведческими источниками оценивается в 360 ккал/с. Температура, согласно нашему замеру (1968г.), составляет 64oС. В отличие от Налычевских и Таловых источников, травертины и охристые осадки здесь не отлагаются, а общесолевой состав воды сходен с таковым последних, но отличается несколько повышенной минерализацией. По Е. А. Вакину

Количество редких щелочей в водах грифона (мг/л) самое высокое из зарегистрированных для всей Камчатки, однако в процентах на минеральное вещество оно оказывается ниже, чем в других гидротермах, таких как воды группы Котла, Паужетские, Узонские и др. (табл. 1).

Источники р. Шумной. Из ключей этой группы нами исследованы на содержание редких щелочей только нижние источники. Они расположены в 2 км выше по течению от слияния р. Шумной с самым крупным правым притоком и в 5 км по прямой от Налычевских ключей. Породы близ выхода представлены андезитами. Локализация источников, по-видимому, связана с разломом северо-восточного простирания, проходящим вдоль р. Шумной. Самый крупный источник вытекает из открытой круто падающей трещины шириной около 10 см. Его дебит 0,25 л/с, температура 9oС (табл.1,продолж., пр. 5). При выходе на поверхность природного минерального раствора в нем меняется форма соединеннй серы. Сероводород окисляется, и сера выпадает из раствора в виде светло-желтых налетов самородной серы, которые покрывают валуны, гальку и песок. Источники в борту пойменной террасы вытекают из рыхлых отложений откоса, сложенного вулканическим пеплом и крупными валунами, причем в нижней части в воронкообразных углублениях выбиваются газирующие струйки воды с характерным запахом сероводорода, а чуть выше холодная вода газирует уже только углекислым газом и очень приятна на вкус (пр. 6). Температура самой теплой лужицы (пр. 4) 22oС, рН = 5, формула Курлова .

Содержание редких щелочных элементов чрезвычайно низкое (табл.1,продож.).

1.1.12. Узон-Семячинский геотермальный район.

Узон-Семячинский геотермальный район выделен и описан группой исследователей Института вулканологии. В состав района (Аверьев и др., 1971) входят два крупных месторождения парогидротерм - Узонское (точнее, Узон-Гейзерное) и Семячинское (рис.З). Первое представлено источниками и гейзерами Долины Гейзеров и собственно кальдеры вулкана Узон. Второе - горячими водами Нижнего Семячика и паровыми струями Большого Семячика. Основной геологической структурой района являются вулканические кольцевые депрессии (кальдеры) Б. Семячика и Узона, формирование которых связано с мощной вспышкой кислого вулканизма во второй половине плейстоцена. Среди вулканических образований района исследователи выделяют три комплекса пород, соответствующих трем крупным этапам вулканической деятельности:

1. Пирокластические образования андезито-базальтового состава докальдерного этапа.

2. Покровы игнимбритов и выжатые купола, по времени отвечающие формированию вулкано-тектонических депрессий. Размер Узон-Гейзерной депрессии, позднее осложненной образованием наложенной более молодой кальдеры в западной части, 9X15 км, Семячинской -9Х10 км.

3. Последний, современный, этап выразился в основном в формировании вулканического массива Б. Семячик в его современном виде и выбросом незначительного количества пепла и игнимбритов вулканом Узон. Состав пород - от базальтов до липарито-дацитов.

Гидротермальная деятельность в районе приурочена к кольцевым структурам. В пределах Узон-Гейзерной депрессии известны две крупные термоаномалии. Одна из них рас-положена в восточной части кальдеры в долине р. Гейзерной--в знаменитой Долине Гейзеров, открытой для науки в 1941 г. Т. И. Устиновой; другая - собственно в кальдере вулкана Узон в <омоложенной> ее части на западном участке Узон-Гейзерной депрессии (Пилипенко, 1971). В северо-западном направлении по линии, близкой к осевой, Узон-Гейзерная депрессия сечется крупным нарушением. Предполагается, что эта зона фиксирует глубинный разрыв в породах складчатого фундамента, заложенный еще до образования кольцевой структуры, и является выходящим каналом гидротерм. Нарушение контролируется участками гидротермальной активности и полями гидротермально измененных пород.

Источники Долины Гейзеров. Разгрузка термальных вод Долины Гейзеров привязана к узкому ущелью в области кольцевого разлома, ограничивающего депрессию с востока.

Со времени открытия Долина Гейзеров неоднократно изучалась многими исследова-телями (Т. И. Устинова, С. И. Набоко, В. И. Кононов и др.). В пределах Долины известно более 20 крупных гейзеров и множество мелких кипящих источников. В верховьях р. Гейзерной располагаются сольфатарные поля вулкана Кихпиныч, которые, по всей вероятности, обязаны своим возникновением паровой фазе гидротерм Долины Гейзеров. В верховьях р. Гейзерной у подножия вулкана Кихпиныч вытекают термальные ключи с водой сульфатно-натриевого состава и низким значением рН. По-видимому, эти гидротермопроявления - дериваты горячих хлоридно-натровых вод (табл.1,продолж.). Ниже по течению р. Гейзерной горячие ключи встречаются все чаще; температура их на выходе повышается до 100oС. Кислотность падает до 7,6, а химический состав, как и обычно в водах источников с гейзерным режимом, преимущественно хлоридно-натровый с высоким содержанием калия. Формула солевого состава воды гейзера Великан .

Наиболее мощные и интересные выходы термальной воды в Долине Гейзеров встре-чаются на участке ее нижнего течения, где расположена основная масса источников и все гейзеры. Общий вынос горячей воды Гейзерной группы гидротерм (без Верхне-Гейзерных) составляет по В. А. Аверьеву и Е. А. Вакину (1966) 275 кг/с, с энтальпией 250 ккал/кг. Кроме хлора, натрия, калия и небольшого количества кальция, магния, сульфат- и гидрокарбонат-ионов воды гейзеров содержат до 400 мг/л кремневой кислоты, 2,5 - брома, 2,0 - фтора и 1,2-йода, а также определенные спектральным анализом марганец, титан, молибден, медь, серебро, сурьму, олово, германий, галлий, стронций, барий (Кононов, 1965).

Источники Долины Гейзеров были первыми, обследовавшимися в 1965 г. на содержание редких щелочных элементов ( табл. 1,продолжение).

Гидротермальные проявления кальдеры р. Узон. В 15 км северо-западнее Долины Гейзеров в кальдере вулкана Узон разгружаются гидротермы второй крупной группы. Площадь в этой части кальдеры заболочена, причем часть болот - теплые. Встречается множество озер, как холодных, так и теплых. По берегам и в дне термальных озер изливаются горячие во-ды. Многие источники характеризуются пульсирующим режимом (рис. 4).Г. Ф. Пилипенко (1971) установила, что Узонская термоаномалия является очагом разгрузки <перегретых> хлоридно-натровых вод. В близповерхностных условиях происходит смешение горячих хлоридно-натровых с холодными маломинерализованными водами, которое сопровождается химической дифференциацией компонентов горячей парогазовой смеси. В результате состав термальных вод закономерно изменяется от центральных участков, где разгружаются наиболее горячие хлоридно-натровые воды, к периферии, где не только падает температура источников, но и изменяется состав воды от хлоридных через хлоридно-сульфатные и сульфатные к гидрокарбонатным с высоким содержанием углекислого газа.

Индивидуальность района выражается в широком развитии горячих минеральных озер. Всего известно около трех десятков источников, грязевых котлов и выходов парогазовых струй. Общее количество пароводяной смеси оценивается в 70 кг/с (Кононов, 1965).

Пробы на определение редких щелочных элементов представлены Г. Ф. Пилипенко; по ее же материалам приводятся все прочие компоненты и показатели, кроме данных по щелочным элементам. Последние получены нами (табл.1,продолж.). Анализ распределения редких щелочей в гидротермах Узона подтверждает существование гидрохимической зональности вод данного района, как результат метаморфизма горячих хлоридно-натровых вод, разгружающихся в центральных участках термоаномалии. На основании составленных графиков прослеживается связь содержаний редких щелочей с количеством хлора в водах, значением рН и оценивается относительная подвижность щелочных элементов в приповерхностных условиях (см.ниже1.2.4;1.2.5 и 1.2.6).

Нижне-Семячинские ключи выходят на поверхность в дне и бортах верховьев небольшой долины, открывающейся к берегу Тихого океана в 7 км от него. Располагаясь у подошвы южного склона вулкана Б. Семячик, они дают начало Горячему ручью. Источники известны около 250 лет, и местные жители используют их в лечебных целях. Ключи выходят среди риолитовых пемз и покрывающих их андезитовых и дацитовых туфовых лав, выбиваясь из коренных пород и почвы по обеим сторонам узкого русла долины. Суммарный расход. Б. П. Пийп оценивает в 70-80 л/с. Температура источников 49,5oС. Общий размер участка разгрузки термальных вод составляет порядка 10 км2, а описываемые источники являются наиболее мощным локальным ее проявлением (Аверьев, Вакин, 1966). Вода сульфатно-гидрокарбонатного состава, с небольшим содержанием хлоридов. Минерализация 1-1,6 г/л. Химический состав воды сходен с таковым терм Б. Семячика (Аверьев, Вакин, 1966). Источники обследованы на содержание редких щелочей в 1965 г. Отобраны две пробы из выходов правого (пр. 1) и левого (пр. 2) бортов, которые оказались идентичными (табл.1,продолж.).

1.1.13. Источники хребта Тумрок

Термальные источники хр. Тумрок исследовались с 1964 г. В. С. Петровым. Им же одновременно были отобраны пробы воды на редкие щелочные элементы. Геолого-структурное положение площади разгрузки источников хр. Тумрок дается ниже по В. С. Петрову (1970). Хр. Тумрок представляется тектонически напряженной областью, в которой обычны современные тектонические движения типа сбросов. Породы района представлены вулканическими образованиями, соответствующими среднему плиоцену и до современных, а по составу - андезитам и базальтам, причем даже рвущие тела экструзивно-дайкового комплекса также не кислее андезитов. Фиксируются целые поля гидротермально измененных пород.

Щапинские источники (рис. 5) выходят в долине р. Щапиной в 60 км выше по течению от пос. Щапино и приурочены к серии молодых ступенчатых сбросов Щапинского грабена, хорошо прослеживаемого в рельефе. Источники представляют собой группу ключей из 14 отдельных выходов с суммарным дебитом 70-80 л/с и максимальной температурой 50oС. Отлагаются травертины, обогащенные магнием и марганцем. Термальные воды сложного хлоридно-гидрокарбонатно-натриевого состава. Минерализация порядка 4 г/л. Содержат Н2SiО3 около 60 мг/л и много бора. Формула воды, отобранной из Центральной ванны (пр. 4) . Результаты анализа на щелочи в табл.1,прод.

Источники среднего течения р. Белой чрезвычайно сходны с Верхне-Щапинскими. Их температура до 50oС, состав хлоридно-гидрокарбонатно-натровый, формула Курлова: . Характеризуются высоким содержанием кремниевой кислоты (от 59 до 134 мг/л) и бора. На выходе отлагаются травертины, причем в левом борту обогащенные мышьяком (до 1,57%).

Суммарный дебит двух выходов 0,7-0,8 л/с.

И Щапинские источники, и источники р. Белой приурочены к системе разломов, секущих подножие вулкана Киземен.

Иултский источник находится к северо-западу от источников р. Белой, на продолжении той же тектонической зоны. Он уже более холодный (34oС), слабо газирует (СО2); также отлагает травертин, но выносит значительное количество гидроокислов железа. Дебит 0,5-0,6 л/с. По химическому составу - это практически чистый гидрокарбонатный ключ с очень высоким относительным содержанием магния. Формула Курлова: .

Источники р. Сторож связаны, по-видимому, с одним из разломов западного борта Гамченского грабена. Однако по составу , высокому содержанию бора и кремневой кислоты, а также температуре (51-52oС) они сходны со Щапинскими и источниками р. Белой (по мнению В. С. Петрова). Группа состоит из двух ключей с суммарным дебитом 1,7-2,5 л/с. В отличие от карбонатных осадков Щапинских источников и источников р. Белой минеральные новообразования представлены кремнистыми туфами (SiO2 > 90%). Результаты определений редких щелочных элементов см в табл.1,продолжение. Другие анализы даются по В. С. Петрову (1970).

1.2. ГЕОХИМИЯ РЕДКИХ ЩЕЛОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЗОН РАЗГРУЗКИ ГИДРОТЕРМ

От зон генерации термальные воды поднимаются к поверхности с глубины в несколько километров и становятся доступными для непосредственного наблюдения. В поверхностной зоне в той или иной степени происходит разделение коренного потока очень горячих вод на пар с газами и раствор. Дифференциаты (парогазовый и жидкий) пространственно разобщаются и далее существуют самостоятельно. Масштабы дифференциации зависят от температуры, химического состава и структурных особенностей вмещающих пород, а появление дериватных вод на поверхности - от гидрогеологических особенностей зоны разгрузки. Состав дифференциатов усложняется, если имело место смешение с холодными метеорными приповерхностными водами, причем смешение не ограничивается простым суммированием компонентов, особенно при растворении паро-газового дифференциата в вадозных водах. При высокой температуре сероводород, окисляясь биогенным путем или кислородом при участии катализаторов, превращается через промежуточные формы в ион SO42-. В более холодных водах в растворенное состояние переходит углекислый газ, образуя угольную кислоту, а сероводород если и окисляется, то только до серы. В контакте с породами кислоты нейтрализуются. Это приводит, с одной стороны, к интенсивному гидротермальному метаморфизму пород, а с другой-к усложнению состава вод. Процесс дифференциации коренного потока уже близ поверхности может проявляться слабо, как, например, на Паужетском месторождении, или очень сильно, как на месторождении Узон, которое представляет собой классический пример такой дифференциации, проявляющейся в возникновении пестрого по составу семейства вод - продуктов дифференциации хлоридно-натрового горячего коренного потока в поверхностных условиях.

Ниже разбирается поведение редких щелочных элементов в геохимически сложных и разнообразных условиях поверхностного и приповерхностного метаморфизма и дифферен-циации термальных вод в зонах их растекания и до глубин порядка километра.

1.2.1. Поведение редких щелочных элементов в условиях контакта горячих вод и пород на глубине до километра

Закономерности распределения редких щелочей между водами и вмещающими их породами изучались по водам и породам скв. 20 Паужетского месторождения. Температура на забое скважины составляет 197,5oС. Петрографическое описание пород, выполненное С. И. Набоко, дано в таблице (рис. 6). На щелочные элементы анализировались объединенные пробы. Для сравнения приведены анализы трех проб пород вне месторождения, но в непосредственной близости от него. Результаты анализа выражены в виде графика, показывающего отклонение в процентах от среднего содержания по разрезу (кривая построена по материалам табл. 2).

В пределах Паужетского месторождения фиксируются относительно водоупорные породы выше и ниже основного напорного комплекса. Уже в пределах разреза, вскрываемого скв. 20, породы в различной степени гидротермально изменены, что позволяет сравнить степень гидротермальной проработки и содержания щелочных элементов. Максимальные содержания редких щелочей приходятся на верхнюю часть пород напорного комплекса вблизи зоны парообразования. Содержания лития и рубидия в гидротермально измененных породах водоносного комплекса выше, чем в менее переработанных подстилающих породах.

Накопление цезия ощутимо только непосредственно в зоне парообразования: его среднее содержание по водовмещающим породам (пр. 3-9) одинаково с породами ниже водоносного комплекса (пр. 10- 15). Спектральный анализ (материалы С. И. Набоко) показал повышенное содержание лития в верхних частях разреза всех высокотемпературных скважин Паужетского месторождения. В зоне парообразования натрий преимущественно переходит из пород в раствор, а калий относительно накапливается в верхней части напорного гидротермального комплекса пород в количествах, превышающих 40-70% его содержание в породах вне напорного комплекса. Изменяется отношение Li:Rb:Cs в гидротермально измененных породах по сравнению с неизмененными. Увеличивается относительное количество лития, так как его особенно много в водах. В верхней части разреза наблюдается некоторая разница в интенсивности перехода из раствора в породы лития, рубидия и цезия. По графику (рис. 6) видно, что в породы верхней зоны более интенсивно переходит литий и рубидий, чем цезий, что, вероятно, объясняется особенностями вторичного минералообразования в зтой зоне.

По-видимому, как литий и рубидий, так и цезий могут быть вовлечены в структуру цеолитов. Однако в кристаллическую решетку адуляра входит преимущественно рубидий, изоморфно замещая калий, а между слоистыми пакетами кристаллической структуры монтмориллонита и гидрослюд и в самих пакетах находит свое место литий. Цезий же не может столь свободно входить в решетку других минералов при относительно невысокой температуре, поэтому он в большей степени остается в растворе. Эти особенности редких щелочных элементов казалось бы должны сказаться на увеличении значения цезия в отношении Li:Rb:Cs воды, однако практически этого не наблюдается, так как абсолютные содержания редкий щелочей, переходящих из единицы объема воды в породу, ничтожны. За многие тысячи лет действия гидротермальной системы количество прошедшей через породы горячей воды составляет более 1013 л. Измененные же породы по сравнению с породами вне зоны разгрузки накопили всего в 1,5-2 раза больше редких щелочей. Причем накопление затрагивает только верхнюю зону в области вскипания на глубинах от 20-50 до 200-250 м. Разница в подвижности редких щелочей с глубиной неодинакова и достигает максимальных значений на глубинах со 100-150 м, уже перед выходом гидротерм на поверхность, поэтому и не успевает сказаться на перераспределении редких щелочей в природном растворе.

Выводы:

Хотя гидротермальный метаморфизм пород и не исключает выщелачивания элементов, преимущественная направленная миграция из пород в раствор установлена только для натрия в зоне парообразования. Редкие щёлочи и калий очень незначительно накапливаются в гидротермально измененных породах по сравнению с породами не водоносного комплекса.

1.2.2. О распределении щелочных элементов между природным раствором и его паровой фазой

Вскипание природных растворов сопровождается переходом в пар щелочных элементов даже при атм.давлении, однако содержания их в паре низкого давления чрезвычайно малы.

Анализировались конденсаты природного пара с Паужетской ГеоТЭС, со скв. 4 месторождения Горячий Пляж (о. Кунашир) и с участка подземной газификации углей г.Шатска (табл. 3). В данном случае важно определить тенденцию.

Интересно отношение Li:Rb:Cs для конденсатов пара. По сравнению с жидкой фазой уменьшается значение лития и рубидия. Cs/Rb выше, чем для термальных вод с самым высоким содержанием редких щелочей.

Рассматривая отношение <элемент в воде>/<элемент в паре> для различных элементов, можно определить, какой элемент интенсивнее переходит в пар. Чем ниже отношение, тем выше при данных условиях стремление элемента перейти в паровую фазу. Устанавливаются следующие ряды интенсивности перехода щелочных элементов в пар:
Cs >= K > Rb > Na > Li (Паужетское месторождение),
Cs > Rb > Li > K > Na (Горячий Пляж).
Во всех случаях Cs > Rb > Li и K>Na .

Проведенные исследования не дают уверенности в том, что элементы мигрируют в пар в чисто газовой фазе. Не исключен хотя бы частичный перенос с коллоидными частичками - туманом. Поэтому отношение концентраций элемента в жидкости и паре, строго говоря, нельзя считать коэффициентом его распределения. Важно то, что именно так происходит в природе.

Выводы:

1. Редкие щелочные элементы переходят в пар при кипении природных вод уже при атмосферном давлении, однако содержания их в паре низкого давления не выше первых тысячных долей миллиграмма на литр конденсата.

2. По интенсивности перехода в пар при атмосферном давлении, редкие щелочи располагаются в ряд: Cs>Rb>Li и K>Na .

3. Чисто конденсатные воды областей разгрузки хлоридно-натровых кипящих вод могут содержать не более первых тысячных долей миллиграмма на литр редких щелочных элементов, перенесенных с паром.

1.2.3. Редкие щелочные элементы в растворах грязевых котлов (Для удобства изложения сюда же включены котлы некоторых активных вулканов.)

Грязевые котлы возникают, как следствие интенсивного поверхностного гидротер-мального метаморфизма пород. Они часто образуются на термальных площадках в зонах разгрузки кипящих хлоридно-натровых вод (Паужетка, Узон) и высокотемпературных паровых струй (южнокамбальные фумаролы), а также на кратерах некоторых обводненных активных вулканов (Эбеко). Не самых горячих! - иначе всё превратится в пар.

Для того, чтобы возник грязевой котел, нужны условия, приводящие к растворению вулканических газов или газов, отделившихся от гидротерм (Н2S, СО2 и др.), в небольшом количестве застойных метеорных вод или к конденсации пара с газами в виде луж и других небольших водоемов. Если водоем значительный, его можно назвать озером. Разница по величине между озером и котлом условна. Продукты превращения сероводорода в горячем растворе понижают значение его рН до 2 и ниже. Это приводит к интенсивному перерождению вмещающих силикатных пород в глины и формированию по ним котлообразных углублений, заполненных тонким глинистым раствором. Кашеобразная масса <кипит> от непрерывно выделяющихся газов и пара.

Поведение элементов в растворах грязевых котлов обусловлено специфической физико-химической обстановкой в них: высокой температурой, пониженным значением рН, тонкими вторичными глинами на месте первичных плотных пород, энергичным перемешиванием раствора и глинистых осадков, обычно - непроточностью.

Содержание редких щелочных элементов в растворах котлов низкое (табл. 4). Цезий и часто литий не могут быть обнаружены без обогащения. Рубидий определяется наиболее часто; иногда определяется литий, причем обычно рубидия больше, чем лития. Для выяснения влияния сорбции на распределение редких щелочей между глиной и раствором анализировались глины (табл. 2) и растворы (табл. 4) двух грязевых котлов с Верхнего термального поля Паужетского месторождения, а также неизмененные породы вблизи месторождения (табл.2). В рассматриваемые котлы пробулькивает или переносится в. капельножидком состоянии вода глубинного коренного потока, богатая редкими щелочами. Судя по результатам анализов, явления сорбции очень незначительно сказываются тогда, когда глины контактируют с кислым раствором: относительно лучше сорбируется литий и практически совсем не сорбируется цезий. Поэтому почти все редкие щелочи, вне зависимости от того, какими путями они попали в раствор котлов, задерживаются в нем почти полностью. Нахождение редких щелочей в растворах грязевых котлов обязано трем процессам:

  • миграции редких щелочей с паром,
  • перемещению с капельками раствора коренного потока (над гидротермальными месторождениями) и
  • выщелачиванию из пород (во всех случаях).

    С первым процессом в растворы котлов может быть привнесено всего не более первых тысячных долей миллиграмма на литр редких щелочей, но ввиду того, что в котлах происходит постоянное упаривание, растворы котлов, казалось бы, могут накопить и большее количество редких щелочных элементов. Тем не менее, процесс переноса редких щелочей с паром не ведёт к накопления их в растворах котлов. Согласно анализам растворы котлов содержат очень мало цезия, в то время как в паровом дифференциате Cs почти столько же, сколько и Li.

    Перенос редких щелочей с капельками термальных вод может быть значительным, если грязевой котел образовался в зоне разгрузки глубинных гидротерм, как, например на Паужетке и, вероятно, в кальдере вулкана Головнина, что сразу же сказывается на их количестве, особенно лития.

    Выщелачивание - часто основной источник редких щелочных элементов в растворах котлов на действующих вулканах и в местах выхода на поверхность мощных парогазовых струй (южнокамбальные фумаролы). Оно вносит значительную долю редких щелочей и в растворы котлов над месторождениями гидротерм.

    Если в растворе котла рубидия больше лития при содержаниях на пределе чувствительности, то основной источник редких щелочных элементов - разрушающиеся породы, в которых также рубидия больше лития. При обратном соотношении (Li >Rb), по-видимому, котел <заражается> водами с высоким содержанием редких щелочных элементов.

    Выводы:

    1. Растворы грязевых котлов содержат мало редких щелочных элементов, особенно цезия.

    2. Сорбция глинами почти не сказывается на перераспределении редких щелочей в жидкой фазе - практически все они остаются в растворе.

    3. Низкие содержания цезия свидетельствуют о незначительной доле редких щелочных элементов, привнесенных в раствор котлов с вулканическими газами (на действующих вулканах) и с газовым дифференциатом (в зонах разгрузки хлоридно-натровых гидротерм).

    4. Судя по отношению рубидия к литию и низкому содержанию цезия - большая часть редких щелочных элементов котлов выщелочена из пород, однако в котлах зон разгрузки хлоридно-натровых гидротерм возможна значительная добавка редких щелочных элементов непосредственно термальными водами.

    1.2.4. Взаимосвязь содержаний редких щелочных элементов с температурой, значением рН и минерализацией

    В пределах одного гидротермального месторождения источники с высокой температурой не всегда содержат высокие количества редких щелочных элементов. Если для конкретного гидротермального месторождения не свойственна резкая приповерхностная дифференциация коренного потока на газ с паром и раствор, как, например, на Паужетском или Больше-Банном месторождениях, то устанавливается зависимость содержаний редких щелочных элементов от температуры. На Больше-Банном месторождении максимальное содержание редких щелочей бывает только в самых горячих водах (90o - 80oС). В пределах этих значений температуры содержания редких щелочей быстро падают с ее уменьшением. С дальнейшим падением температуры содержания понижаются уже менее значительно (рис. 7). Характер взаимосвязи одинаков для всех щелочных элементов, поэтому приводится график только для рубидия.

    Если коренной поток интенсивно разделяется на пар с газами и раствор, то дериватные воды, получающиеся при конденсации парогазового дифференциата и его растворении в метеорных водах, могут быть очень горячими, но при этом содержать мало редких щелочных элементов. Например, вода Водяного котла Верхне-Гейзерной группы источников (пр. 95, табл.1) при температуре 95oС содержит всего 0,008 мг/л лития и менее 0,004 мг/л рубидия и цезия. Поэтому для вод растекания месторождения Узон, где широко развиты дериватные воды, взаимосвязи между концентрацией щелочных элементов и температурой не наблюдается.

    Влияние концентрации водородных ионов на распределение редких щелочных элементов в термальных водах изучалось на примере вод месторождения Узон, где колебания значения рН велики. Изменение значения рН воды происходит одновременно с изменением ее солевого состава и газовой составляющей, что, в свою очередь, связано с температурой и условиями разгрузки гидротерм, т. е. является суммированным отражением множества факторов. Содержания редких щелочных элементов не определяются значением рН, однако максимальные их содержания ассоциируют с водами коренного потока, имеющими нейтральное или слабощелочное значение рН.

    А вот максимальные количества натрия и калия связаны не только с нейтральными водами коренного потока, но и с кислыми дериватными водами. Таким образом, если большая часть редких щелочных элементов выносится водами коренного потока, то для натрия и калия в приповерхностных условиях существует такой дополнительный источник, как выщелачивание из пород.

    Несомненно, какая-то доля редких щелочей поступает в воды зоны растекания из пород, но пока такую добавку можно определить только ориентировочно. Ранее было показано, что растворы кислых котлов, где условия накопления редких щелочных элементов особенно благоприятны, могут содержать не более сотых и тысячных долей миллиграмма на литр лития и рубидия, а цезия и того меньше. Большая часть редких щелочных элементов перешла в раствор котлов при разрушении пород, уровень содержания редких щелочных элементов в которых можно принять максимальным для условий, когда выщелачивание является основным источником поступления катионов в раствор. Естественно, что в проточных условиях формирования и существования дериватных кислых вод и при не столь полном разложении пород, как в котлах, количества выщелоченных редких щелочных элементов в расчете на раствор будут еще ниже. Содержания редких щелочей в водах коренного потока таких месторождений, как Узонское, Гейзерное, Паужетское, составляют целые доли миллиграмма на литр лития и десятые - рубидия и цезия. Отсюда возможная за счет выщелачивания максимальная добавка редких щелочных элементов в раствор в зоне растекания месторождения составит по литию не более сотой части от его содержания в водах коренного потока, по цезию - значительно меньше сотой, а по рубидию - около десятой и уже может быть заметной особенно к периферии месторождения, где воды коренного потока максимально разбавляются метеорными.

    Между величиной рН и отношением К/Rb установлена прямая зависимость (коэффициент корреляции +0,6, значимый). Увеличение кислотности больше влияет на подвижность рубидия, нежели калия в условиях растекания вод Узона.

    Взаимосвязь минерализации и содержаний редких щелочных элементов также рассматривалась на примере вод месторождения Узон. Характер взаимосвязи одинаков для всех редких щелочных элементов, поэтому приводится график только для цезия (рис. 8).

    Большое количество редких щелочных элементов встречается только в водах максимальной для данного месторождения минерализации; низкие же содержания могут иметь место в водах различной минерализации. Таким образом, высокая минерализация не всегда определяет высокое значение редких щелочей. Т.е. генезис общей минерализации и редких щелочей в зоне растекания не всегда одинаков.

    Для источников с максимальной долей жидкого дифференциата коренного потока устанавливается прямая связь минерализации и количества редких щелочей, что свидетельствует о едином источнике всех этих компонентов. Коэффициент корреляции <концентрация цезия - минерализация> +0,64, значимый.

    Для вод, производных газового дифференциата (рис. 8 нижняя часть), такой связи установить не удалось. При увеличении чувствительности анализа на цезий прямая связь, возможно, и выявится, так как почти все катионы таких вод, включая и редкие щёлочи, образуются за счет выщелачивания пород. Однако характер зависимости будет несомненно другим: если в первом случае минерализация в 2-3 г соответствует нескольким десятым миллиграмма на литр цезия, то во втором - та же минерализация отвечает водам с содержанием цезия, меньшим в 100- 1000 раз.

    Выводы:

    1. Высокие значения температуры и минерализации для вод в пределах одного месторождения не всегда показательны для высокого содержания редких щелочных элементов. Для вод, производных жидкого дифференциата, прямая зависимость устанавливается. Воды же, производные газового дифференциата, несмотря на высокие температуру и минерализацию, содержат очень мало редких щелочей, в основном выщелоченных из пород.

    2. Понижение значения рН не сказывается на увеличении абсолютного содержания редких щелочных элементов - максимальное их количество связано с водами коренного потока, имеющими значение рН, близкое к нейтральному. Тем не менее, к периферии месторождения добавка рубидия, выщелоченного из пород, может быть заметной. Подмечено увеличение подвижности рубидия по сравнению с калием с падением рН в кислых дериватных водах.

    1.2.5. Зависимость содержаний редких щелочных элементов от химического типа воды (мг.экв. % хлора) и вынос щелочных элементов из пород

    Исследования проводились на водах месторождения Узон. Полученные результаты отражают особенности месторождения с резко выраженной приповерхностной химической дифференциацией коренного потока в зоне растекания.

    Содержания редких щелочных элементов прямо сопоставляются с величиной хлоридности вод (в мг-экв.% Cl) и снижаются с ее падением (рис. 9). Это происходит к периферии месторождения, подчеркивая приуроченность редких щелочных элементов к коренному хлоридно-натровому потоку, вернее, его жидкому дифференциату.

    Темп падения содержаний лития и цезия выше, чем рубидия, что, по-видимому, объясняется увеличением доли рубидия, выщелоченного из пород, с разбавлением жидкого дифференциата коренного потока.

    Значимые высокие положительные коэффициенты корреляции установлены только для лития (+0,9) и рубидия (+0,75). В связи с более низким общим содержанием цезия значительное количество проб зоны растекания охарактеризовано по этому элементу лишь качественно и рассчитанный коэффициент корреляции незначим.

    Отношение элемента к хлору может быть использовано как генетический показатель из-за особых свойств хлора. Хлор - один из самых гидрофильных элементов. Он

  • не извлекался из растворов при гидротермальном минералообразовании;
  • не вовлекается в поглощенный комплекс пород;
  • при разрушении силикатных пород переходит в раствор в микроколичествах.

    Поэтому отношение какого либо элемента к хлору для хлоридных вод, циркулирующих в сили-катных породах, можно использовать в качестве индикатора накопления или рассеяния дан-ного элемента. Если разбавление хлоридно-натровых вод к периферии зоны растекания месторождения происходит маломинерализованными метеорными водами, несущими ничтожные количества хлора, то постоянное отношение <хлор/элемент> свидетельствует о том, что и исследуемый элемент, как и хлор, только разбавляется. Если такое отношение падает, исследуемый элемент дополнительно поступает из пород. И, наоборот, с увеличением отношения исследуемый элемент покидает раствор и переходит в поглощенный комплекс пород.

    Коэффициенты Cl/Li , Cl/Rb, Cl/Cs с понижением хлоридности вод колеблются нешироко. Вынос или привнос редких щелочных элементов таким образом не устанавливается. Редкие щелочи ведут себя, как и хлор.

    Отношения же Cl/Na, Cl/K падают с уменьшением хлоридности вод (коэффициенты корреляции +0,59 и +1, значимые),что указывает на дополнительный вынос натрия и калия из пород в воды к периферийным участкам месторождения, причем калий поступает интенсивней натрия, так как отношение Nа/К падает с падением хлоридности вод (мг-экв.% Сl); коэффициент корреляции +0,9, значимый.

    Выше отмечалось, что понижение значения рН влияет на увеличение относительной по сравнению с калием подвижности рубидия в кислых водах Узона, что дает основание предполагать и незначительный вынос рубидия из пород в этих водах.

    Выводы:

    1. Разбавление коренного потока к периферии зоны разгрузки месторождения, выражающееся в падении мг-экв.% Сl в составе вод, сопровождается рассеянием редких щелочных элементов.

    2. Устанавливается вынос из пород натрия, калия и, по-видимому, незначительного количества рубидия. Доля выщелоченных в приповерхностных и поверхностных условиях элементов в общем балансе щелочей тем выше, чем больше разбавлен коренной поток.

    3. В условиях месторождения Узон калий выщелачивается интенсивней натрия.

    4. Вынос лития и цезия из пород не установлен, что, очевидно, объясняется очень незначительным содержанием выщелоченных лития и цезия по сравнению с тем их количеством, которое поступает с водами коренного потока.

    1.2.6. Подвижность щелочных элементов в термальных водах

    В работах Б. Б. Полынова и А. И. Перельмана (1955) под подвижностью, или миграционной способностью, понимается свойство элемента переходить из пород в раствор при их разрушении.

    По-видимому, следовало бы разграничить понятие <подвижность элементов при выветривании пород> и <подвижность как свойство элемента предпочтительней оставаться в растворе, нежели в твердой фазе>, вне зависимости от способа попадания в раствор. В настоящей работе под подвижностью понимается последнее, однако определить абсолютную величину подвижности не представляется возможным, поэтому щелочные элементы только сравниваются по своей миграционной способности.

    В основу определения сравнительных рядов подвижности положено следующее рассуждение:

    Содержания таких элементов, как редкие щелочные, четко падает от центральных участков потока к его периферии. Если при этом отношение рассматриваемого элемента к другому элементу остается на одном уровне, их подвижности в конкретных условиях одинаковы. Если наблюдается закономерное увеличение или уменьшение отношения с падением абсолютного содержания, миграционная способность данной пары элементов различна, и можно определить, какой элемент подвижней.

    По четырем месторождениям (Паужетскому, Больше-Банному, Узонскому и Средне-Паратунскому участку) составлялись графики зависимости абсолютных и относительных содержаний щелочных элементов в координатах < А/В - А>, где А/В - отношение концентраций пары щелочных элементов, А - концентрация одного из них. Было составлено 40 графиков по четырем месторождениям (в качестве примера приводится один - рис.10)

    Для Средне-Паратунского участка дополнительно была построена 21 карта изолиний концентраций элементов и их отношений (одна из них изображена на рис. 11). Графики дают возможность составить серию парных неравенств подвижностей, а затем вывести ряд сравнительной подвижности, где удовлетворяются все парные неравенства.

    Ниже показано, как это было сделано для месторождения Узон:
    Характер изменения отношения пары элементов с рассеянием одного из нихСравнение подвижности элементов
    Коэффициентрастет или падает с рассеяниемэлемента
    Rb/LiрастётRbRb > Li
    Cs/RbпадаетCsRb > Cs
    Cs/Li-"-CsLi > Cs
    Na/LiрастетLiNa>Li
    K/Li-"-LiK > Li
    Na/Rbслабо растёт, почти не мен.RbNa >= Rb
    K/RbрастётRbK >Rb
    Na/Cs-"-CsNa > Cs
    K/Cs-"-CsK > Cs
    Na/KпадаетKK > Na

    Ряд сравнительной подвижности щелочных элементов: K>Na>=Rb>Li>Cs

    Аналогично анализировалась подвижность элементов на других месторождениях, причем для Средне-Паратунского участка, где содержания наиболее низкие, результаты анализа графиков сопоставлялись для уточнения с картами изолиний.
    Ряды сравнительной подвижности щелочных элементов:
    УзонскоеK > Na >= Rb > Li > Cs
    ПаужетскоеNa > Li > K >= Rb ~= CsK > Cs
    Больше-БанноеNa ~= Li>K >= Rb >= CsK > Cs
    Средне-Паратунский участокNa > K > Li > Rb ~= Cs

    Подвижность элементов зависит от многих факторов, как-то: состава пород и растворов, температуры и степени кислотности растворов. Определенные ряды сравнительной подвижности представляют собой некоторое суммарное отражение этого множества факторов, влияющих на подвижность. Они являются усредненными рядами сравнительной подвижности элементов в условиях зон разгрузки конкретных гидротермальных систем.

    Сопоставление рядов подвижности щелочных элементов для четырех месторождений показывает, что минимальную подвижность на исследованных глубинах (до 0,5 -1 км) имеет цезий. В глубинных условиях химически сравнительно однородного потока подвижность рубидия почти равна подвижности цезия. В кислых водах поверхностных и приповерхностных зон все щелочи максимально подвижны в растворах и миграционная способность цезия близка к таковой лития, а в случае кислых непроточных котлов даже как будто чуть выше.

    Максимальной подвижностью в водах Паужетского, Больше-Банного месторождений и Средне-Паратунского участка обладает натрий, который уступает это преимущество калию в кислых водах Узона. Наименее стабильна относительная миграционная способность лития, которая может быть одинаковой с натрием (сульфатно-хлоридные кипящие воды Больше-Банного месторождения), а иногда и приближается к уровню цезия (например, на Узоне). Подвижность рубидия немного ниже калия или равна ей. Можно выделить два типа подвиж-ности щелочных элементов в термальных водах в зависимости от условий:

    Подвижность первого типа в термальных водах зоны растекания при низких значениях рН, на гидротермальных месторождениях, для которых резко выражена поверхностная химическая дифференциация коренного потока (например, месторождение Узон):

    K > Na >= Rb > Li > Cs;

    И подвижность второго типа в термальных водах, находящихся в относительно глубинных условиях (до 1 км), при нейтральном значении рН в пределах почти недифференцированного коренного потока гидротерм:

    Na > Li > K >= Rb >= Cs, К>Сs.

    На относительную подвижность редких щелочных элементов в природных термальных растворах не влияет процесс выпадения их соединений или соосаждения с другими осадками благодаря высокой растворимости их солей. Карбонатные (травертины) и кремнистые (гейзериты) осадки, выпадающие при выходе на поверхность термальных вод, не содержат даже следов редких щелочных элементов, что и следовало ожидать из основных химических свойств их соединений. Анализ проб воды, отобранных через 10-30 м по термальному ручью, берущему начало от скв. 2 (Налычево) и отлагающему на всем протяжении травертины, показал постоянное (в пределах точности анализа) содержание редких щелочей в водах горячего ручья на участке 300-350 м.

    Теоретически изменение окислительно-восстановительного потенциала не может сказываться непосредственно на подвижности щелочных элементов, так как их валентность постоянна. Значение рН, возможно, отражается на подвижности лития-ион лития сильно гидратируется в растворах (Крамбейн, Гаррелс, 1960),- однако в процессе настоящих исследований такого влияния не замечено. Теоретически косвенно изменение значения red/oxi может вывести из раствора щелочной элемент. Например, выпадение из раствора марганца есть следствие изменения окислительно-восстановительного потенциала, литий же лишь адсорбируется и увлекается его соединениями. Однако прямых наблюдений - нет.

    Относительная подвижность щелочных элементов при продавливании растворов через силикатные породы, как через фильтры, выражается, по Ю. В. Алехину (1970), следующим рядом: Li > Na > K > Cs > Rb, который не совпадает в деталях с реально наблюдаемым рядом подвижности щелочей на гидротермальных месторождениях. Несовпадение рядов подвижности щелочных элементов, выведенных для вод конкретных гидротермальных месторождений и в экспериментальных фильтрующихся растворах, свидетельствует о различной генетической природе рядов сравнительной подвижности в том и другом случае.

    Интересно также отметить, что данные по выщелачиванию редких щелочей из силикатных пород в гидротермальных условиях проточного реактора хлоридно-натровым раствором (Хитаров, Колонин, 1962) свидетельствуют о наименее интенсивном поступлении цезия в раствор по сравнению с литием и рубидием, т. е. о меньшей его подвижности.

    Выводы:

    1. Установлены два ряда (типа) относительной подвижности щелочных элементов в гидротермах:
    K>Na>=Rb>Li>Cs в водах месторождений, характеризующихся резкой поверхностной химической дифференциацией коренного потока
    Na>Li>K>=Rb>=Cs, К>Сs в водах более глубоких горизонтов в пределах почти не дифференцированного коренного потока.

    2. Судя по экспериментальным данным, нет оснований ожидать увеличения относительной подвижности цезия в горячих водах, интенсивно циркулирующих на глубине.

    3. Подвижность щелочных элементов в термальных водах не определяется фильтрационным эффектом.

    1.2.7. Геохимическая история редких щелочных элементов в зонах разгрузки гидротерм

    Восходящие, напорные термальные воды подходят к зоне разгрузки уже будучи обогащенными редкими щелочными элементами. На глубинах до 1 км и, вероятно, глубже редкие щелочи гидротермального потока, имеющего температуру более 100oС, оказываются довольно инертными по отношению к породам, и только в приповерхностной зоне парообразования наблюдается некоторое, очень незначительное (всего в 1,5-2 раза против фона), увеличение их содержаний в водовмещающих породах. Выщелачивание редких щелочей в этих условиях не наблюдается.

    При температуре вод на глубине выше 100oС в приповерхностных условиях образуется зона вскипания, где происходит разделение коренного потока на две части - газовую, с большим количеством пара, и жидкую. Подавляющее количества редких щелочей при температуре потока 100- 200oС остается в жидком дифференциате, и в зависимости от интенсивности процесса происходит увеличение их в растворе по сравнению с водами корен-ного недифференцированного потока ниже зоны парообразования. Например, проба, отобран-ная на изливе скв. 31 Больше-Банного месторождения, показала 0,082 мг/л лития, а на глубине 130 м - 0,077 мг/л. Чем ниже температура глубинного коренного потока, тем менее интенси-вно идет обогащение редкими щелочами жидкого дифференциата в зоне парообразования.

    Обособившиеся раствор и пар с газом начинают раздельное существование. В результате в зоне растекания возникает множество дериватных вод, пёстрых по составу.

    Низкотемпературный (по сравнению с температурой паргазовых струй действующих вулканов) парогазовый дифференциат содержит очень мало редких щелочных элементов (тысячные доли мг/л), причем более интенсивно переходит в пар цезий, затем рубидий и менее всех литий. Поднимаясь по трещинам, смесь пара и газов может достигнуть дневной поверхности и рассеяться в атмосфере. Может раствориться в приповерхностных водах или конденсироваться с образованием луж, водяных котлов и прочих мелких водоёмчиков, которые часто со временем вырождаются в грязевые котлы, так как одновременно идет интенсивное гидротермальное изменение пород. Возникшие подобным образом горячие и теплые воды содержат редкие щелочи двух генетических типов: перемещенные с паром и выщелоченные из пород. Количество редких щелочных элементов, отделившихся с горячим паром при близком к атмосферному давлении, очень мало, поэтому соотношения редких щелочных элементов в растворах котлов, конденсатных лужах и т.п. в основном определяются элементами, выщелоченными из пород: очень мало цезия, рубидия одинаково с литием или чуть больше; общий уровень их в растворе - низок, до первых сотых долей мг/л Rb и Li.

    Жидкий дифференциат, который на многих не столь горячих гидротермальных месторождениях практически не депарирован, отражает собственно коренной поток. В приповерхностных условиях на периферии месторождений он часто смешивается с холодными водами и остывает. Иногда он претерпевает метаморфизм в результате растворения и окисления не полностью отделившихся газов и изменяет свой химический состав. При этом содержания щелочных элементов, вынесенные коренным потоком, разубоживаются и очень незначительные количества их переходят в поглощенный комплекс. Теоретически возможно и добавочное поступление вторичных редких щелочных элементов в воды в результате выщелачивания из пород, однако их очень мало и ведущим процессом является разбавление холодными водами и уменьшение в связи с этим содержаний редких щелочей в водах ближе к периферии зон разгрузки. Поступление вторичных редких щелочей при выщелачивании пород, сорбция и вторичное минералообразование на перераспределение редких щелочей в термальных водах - практически не влияют. Слабое вторичное поступление, как результат выщелачивания, наиболее возможно для рубидия в субповерхностных условиях в кислые воды типа вод месторождения Узон.

    Отношение Cl/Li можно использовать в качестве особенно устойчивого генетического показателя воды, за значение которого ответственны глубинные, а не поверхностные про-цессы. Отношение Cl/Li наиболее постоянно в водах зон растекания месторождений и коле-блется в водах Паужетского месторождения в среднем на 5% при среднем значении 456; для Больше-Банного - на 9% при среднем значении 99; для Средне-Паратунского - на 73% при среднем значении 417 и для месторождения Узон - в водах источников, где коренной поток разбавлен не более чем вдвое,- на 22% при среднем значении 403.

    Влияние на содержание редких щелочей в воде процессов их перераспределения между водами и породами очень незначительно, однако оно все-таки проявляется в том, что подвижности редких щелочных элементов, определенные относительно друг друга, оказываются различными. Подвижность всех редких щелочных элементов в гидротермах на исследуемой глубине порядка 1 км и близ поверхности очень высокая, но относительно минимальна она у цезия, к которому в одних случаях близка подвижность лития (в условиях резкой химической дифференциации коренного потока и широкого развития пестрых по составу дериватных вод), а в других - рубидия (на глубине, в пределах коренного химически почти однотипного потока).

    Геохимическое поведение всех редких щелочных элементов в жидком дифференциате и жидком коренном потоке очень близко, а в парогазовом дифференциате отличается. Особенно велика разница в летучести с паром у цезия и лития и это будет использовано ниже при объяснении происхождения некоторых вод.

    Геохимическая история редких щелочей и хлора в зоне разгрузки гидротерм сходна. Несмотря на то, что хлора в термальных водах много, он не задерживается в зоне разгрузки, а рассеивается в гидросфере, не обогащая пород. Почти такими же, существенно сквозными элементами, оказываются и редкие щелочи.

    Заканчивая обзор геохимического поведения редких щелочей в термальных водах в зоне разгрузки, можно констатировать, что литий, рубидий и цезий идут с термальной водой уже с большой глубины. И хлор - тоже. В зоне разгрузки они только рассеиваются в гидросфере. Основная часть натрия и калия - тоже идёт с глубины, но в зоне разгрузки небольшая их часть поступает и из пород.

    1.3. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПОВЕДЕНИЯ РЕДКИХ ЩЕЛОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ ГЛУБИННЫМИ ПРОЦЕССАМИ, И ПРОЦЕССЫ ГЕНЕРАЦИИ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД

    Основная трудность в изучении глубинных процессов формирования вод, и в частности накопления или рассеяния в них редких щелочных элементов, заключается в невозможности непосредственного их наблюдения, как это ранее делалось для зон растекания. Нельзя пробурить скважину прямо <в сердце> действующего вулкана или гидротермальной системы и т.п. Как способ понять глубинные процессы, происходящие с веществом, обычно используются сложные эксперименты при высоких давлениях и температурах. Однако природа разнообразней эксперимента. В лабораторных исследованиях параметры эксперимента жестко заданы, поэтому использование их <впрямую> для объяснения многофакторных природных процессов далеко не всегда допустимо. В природе результаты прошедших процессов обычно исследуются по <продукту>.

    Как известно, для понимания генезиса какого-либо минерального образования исключительное значение имеет анализ отношений пар близких по своим свойствам элементов. Чем меньше число физико-химических процессов, способных в условиях земной коры нарушить некоторые нормальные отношения для данной пары химических элементов, тем надежней геохимические выводы, построенные на анализе нарушений этих отношений (Виноградов, 1948). Особенно важен анализ отношений пар элементов, присутствующих в микроколичествах, как например, редкие щелочи в термальных водах. Микроэлементы, не оказывая воздействия на процессы, происходящие в системе, выступают чуткими индикаторами этих процессов, так как вынуждены распределяться между фазами или внутри отдельных фаз в зависимости от физико-химических условий среды, являющейся их носителем (Рябчиков, 1965). Элементы в паре (частный случай: пара изотопов), хотя и близки по свойствам, всегда несколько отличаются друг от друга, поэтому в ходе развития какого-либо процесса один из элементов будет несколько запаздывать или опережать другой, в результате чего возникнет последовательное изменение их отношений в ходе процесса. Анализируя отношения редких щелочных элементов, можно судить об их источнике и о генезисе их носителя - гидротерм.

    Как способ выявления природного процесса в данной работе использовалось сравнение численно выраженных различных характеристик: содержаний Li, Rb, Cs по отношению к Н2О (мг/л) и минерализации (% минер.), температуре гидротерм, их минерализации и химического типа (мг.экв.% Cl), а так же содержаний Na, K, Cl и отношений различных элементов. Определялось какие из этих характеристик и как коррелируют между собой. И какой процесс может привести к такому их одновременному сходству или различию.

    В настоящей работе часто используется, как показатель, тройное отношение Li:Rb:Cs, в котором Li принят за 100.

    Для выяснения глубинных процессов, ответственных за столь высокие содержания редких щелочей сравнивались глубинные воды различных гидротермальных систем в пределах единого вулканического региона - Камчатки.

    1.3.1. Группы термальных вод

    Воды априори не систематизировались по физико-химическим типам, ранее кем-либо выделяемым. Несмотря на то, что предложено несколько классификаций термальных вод вулканических областей (Иванов, 1960, 1961; Белова и др., 1961; Набоко, 1962; Воробьев, Голубовский, 1966; и др.) - геохимических данных, по-видимому, недостаточно для построения обоснованной генетической классификации, удовлетворяющей, как вулканологов, так и гидрохимиков.

    На графиках каждой серии источников или скважин, разгружающихся в одном месте, соответствует одна точка, которая отвечает среднему значению или центральному <коренному> источнику.

    Графики отражают закономерности для вод 80 источников и скважин в пределах 24 гидротермопроявлений единого вулканического региона - Камчатки (по материалам всех частей табл.1). Единственный район принят для исключения влияния регионального фона.

    Общие геохимические закономерности поведения редких щелочей в разнообразных водах вулканического региона анализировались графическим способом и рассчитывались коэффициенты корреляции. Для этого было составлено несколько десятков графиков, позволяющих проследить характер взаимосвязей между различными параметрами:

    Первое, что бросается в глаза при простом рассматривании многочисленных графиков, - это обособление фигуративных точек в ДВЕ совокупности, объединяющие воды с более высоким и более низким содержанием редких щелочей. Причём в пределах отдельно взятой каждой из совокупностей характер взаимозависимостей разный, иногда обратный.

    Воды с более высоким содержанием редких щелочей (первая совокупность) разделились еще на две группы : гидротермы, кипящие у поверхности - I группа вод и термальные воды с более низкой температурой - II группа вод .

    Воды, отвечающие точкам второй совокупности, получили название III группы вод.

    Изучение особенностей вод, обособившихся таким образом в группы, показало, что геохимические и гидрогеологические характеристики вод разных групп вполне определенны:

    С I ГРУППОЙ вод связаны самые высокие cодержания редких щелочных элементов в процентах от минерализации и выдержанность отношения Li:Rb:Cs=100:9:10 (среднее для Камчатки). Так как дебит вод раcсматриваемой группы очень высокий: 100- 270 л/с - они выносят из недр и максимальные количества редких щелочных элементов. Гидротермы включает в себя высокотемпературные, кипящие у поверхности хлоридно-натрово-калиевые растворы невысокой минерализации (1,5-4 г/л). Это самые горячие гидротермальные растворы, замеренная температура которых на глубине бывает до 300oС и выше. На Камчатке максимально замеренная температура в скважине на Паужетке составляет 200,5oС. На поверхность гидротермы вырываются в виде кипящих напорных источников и гейзеров. У выходов отлагаются кремнистые осадки - гейзериты. По химическому составу воды практически чисто хлоридно-натрово-калиевые, с отношением натрия к калию -10. Микрокомпонентный состав сложный: особенно много бора, кремния и других элементов. Газовый состав также сложный. Газы содержатся в количестве до 0,5-1% на пар и, за вычетом азота, представлены на 90-95% СО2, до 0,5- 8% Н2S, иногда до 1-2% Н2, реже СН4; С2Н6, NН3 -десятые и сотые доли процента. (Пределы колебаний содержаний газов даны с учетом новозеландских гидротерм (Эллис, 1965).

    Воды I группы гидротерм встречаются в областях современного вулканизма, но не локализуются непосредственно на активных вулканах. Обычное место их проявления - дно старых кальдер давно недействующих вулканов, глубокие разломы. Наиболее типичны - источники Долины Гейзеров, Паужетские.

    Для источников этой группы характерно однообразие физико-химических характеристик не только в пределах Камчатки, но и планетарно (подробней об этом 2.2.2.).

    II ГРУППА гидротерм характеризуется самым высоким содержанием редких щелочей, выраженных в миллиграммах на литр. Например, Краеведческие ключи. Однако в процентах от минерализации содержания почти одинаковы или незначительно ниже, чем у гидротерм I группы. Значительно ниже их дебит и общий вынос редких щелочей.

    Воды II группы имеют повышенную минерализацию (более 4 г/л), сложного, но преимущественно хлоридно-натрового состава. В анионной части <на вторых ролях> присутствуют гидрокарбонат-ион. Температура их ниже 100oС и дебит значительно меньше, чем у источников I группы (максимально до 50 л/с). Они значительно менее газонасыщены, чем воды I группы, и состав газов отвечает в основном азоту и углекислому газу, иногда со следами сероводорода. Микрокомпонентный состав источников сложный: много бора, мышьяка, иногда ртути и других элементов. На выходе источники рассматриваемой группы часто отлагают травертины. Воды II группы разгружаются на площадях, где активный вулканизм имел место не позднее раннечетвертичного - неогенового времени.

    Относительно большинства из них установлено длительное время существования. Пущинские источники, например, по Б. И. Пийпу (1937), возможно, действовали с плиоцена. Подмечено падение дебита и температур, зафиксированное уже в историческое время непосредственными наблюдениями. Например, для Таловых ключей - Б. И. Пийпом, (1937) и наблюдениями в 1963 г. Е. А. Вакина.

    II группа источников представляется древними, медленно угасающими ключами. Представители на Камчатке - Пущинские, Налычевские, Краеведческие, Таловые, Щапинские, источники р. Белой. Аналоги рассматриваемых вод обычны в областях недавнего вулканизма и в частности, на Кавказе, в Карпатах, на Балканах, где они, как правило, содержат больше гидрокарбонатов (мг-экв. %), чем камчатские термы.

    III ГРУППА гидротерм представлена водами сложного состава, но в отличие от вод II группы - растворами очень низкой минерализации. Редких щелочных элементов здесь меньше, чем в гидротермах двух первых групп, а диапазон колебаний их количеств очень велик в отличие от устойчиво высоких содержаний в гидротермах II и особенно I групп. Микрокомпонентный состав беднее, чем вод I-II групп, однако в некоторых высокотемпературных источниках установлено высокое содержание германия. Температура источников колеблется в широком диапазоне - от холодных (10o) до - теплых, горячих и даже кипящих на выходе (Больше-Банные источники). В солевом составе горячих вод преобладают сульфаты, присутствует небольшое количество хлоридов и гидрокарбонатов. Солевой состав холодных источников представлен в основном гидрокарбонатами. Главный газовый компонент - азот, однако может присутствовать углекислый газ и сероводород в следах. Дебиты источников различны - от долей литра в секунду до 200 л/с и более.

    По-видимому, III группа вод - наиболее распространенные воды районов современной вулканической деятельности, а более холодные представители встречаются и на площадях развития активного вулканизма в раннечетвертичное - неогеновое время. Типичные представители: Паратунские, Начикинские, Малкинские холодные и горячие, источники по р. Шумной и др.

    1.3.2. Геохимические закономерности распределения редких щелочных элементов в термальных водах в пределах одного вулканического региона (на примере вод Камчатки)

    Занудность анализа множества взаимоотношений различных элементов, сравнение их с другими параметрами окупается возможностью сложить из этих мелких закономерностей, как из цветных кусочков, мозаичную картину природного процесса, приведшего к столь высокому содержанию редких щелочей в термальных водах. Геохимический смысл связи может быть и не всегда сразу понят, но он не бывает случайным, так как является индикатором процесса. Образно говоря: они так же информативны в геохимии, как информативны отпечатки пальцев в криминалистике.

    Ниже (1.3.2.1.- 1.3.2.7.) разбирается характер этих взаимосвязей, как он есть, причём представляются далеко не все из проанализированных графиков, а потом (1.3.3.) анализируется возможность или невозможность процессов, которые могли привести к таким фактически наблюдаемым взаимозависимостям.

    1.3.2.1. Взаимосвязь содержаний редких щелочных элементов с минерализацией. (Рис. 12).

    Взаимосвязь содержаний щелочных элементов с минерализацией для вод двух совокупностей различная:

    В водах I и II групп (первая совокупность) содержания лития не контролируются минерализацией. Они остаются на одном самом высоком уровне (рис. 12, а) хотя минерализация увеличивается.

    В пределах вод III группы (вторая совокупность) содержания лития (мг/л), как видно на графике, почти не контролируется минерализацией, но иначе. При этом минерализация - низкая. Коэффициент корреляции +0,43, недостоверен. Содержания же лития колеблются более, чем на порядок, не достигая количеств I,II групп.

    Те же закономерности наблюдаются по Rb и Cs.

    Характер зависимости содержаний редких щелочных элементов, выраженных в % минерализации, от минерализации вод одинаков для лития, рубидия и цезия:

    Для вод I и II групп содержания редких щелочей падают с ростом минерализации (коэффициенты корреляции от -0,8 до -1, значимые; рис. 12, б, в,г).

    В пределах вод III группы содержания Li меняются вне зависимости от минерализации, а по цезию и рубидию графически даже намечается слабая обратная зависимость.

    1.3.2.2. Взаимосвязь содержаний редких щелочных элементов с температурой. (Рис.13)

    При одновременном учете всех вод региона зависимость содержаний редких щелочных элементов от температуры не устанавливается.

    В гидротермах I группы - самых горячих - редких щелочных элементов (мг/л) меньше, чем в самых богатых гидротермах II группы, но всегда больше, чем в самых богатых гидротермах III группы.

    Установить какую-либо зависимость среди представителей I группы вод не представляется возможным, так как на поверхности все кипят, а на глубине большей частью их температура неизвестна.

    Если рассматривать отдельно воды II и III групп, то на графиках видно падение содержаний редких щелочных элементов с понижением температуры вод (рис. 13), но термальные воды II группы содержат значительно больше редких щелочных элементов (мг/л), чем гидротермы такой же температуры III группы.

    Зависимость <концентрация щелочного элемента в % минерализации-температура> того же типа, что и зависимость <концентрация щелочного элемента мг/л - температура>, с той лишь разницей, что в первом случае максимальные содержания устанавливаются для самых богатых гидротерм I группы.

    Достоверный линейный коэффициент корреляции установлен для пары <концентрация цезия (мг/л) - температура> для вод III группы +0,84.

    1.3.2.3. Взаимосвязь содержаний щелочных элементов с хлором выраженным в (мг/л), и с химическим типом воды, выраженным в мг-экв.% хлора. (Рис. 14).

    Содержания лития, рубидия и цезия (мг/л) коррелируют с таковым хлора (мг/л) при одновременном учете точек, отвечающих всем водам. Коэффициенты линейной корреляции соответственно равны +0,74; +0,71 и +0,80, значимые.

    Для вод отдельных групп расчеты показали отсутствие корреляции: коэффициент линейной корреляции либо незначим, хотя и имеет значение +0,54 (концентрация лития - концентрация хлора для вод III группы), или близок к нулю (во всех остальных случаях).

    Между содержанием щелочных элементов и долей хлора в солевом составе воды (мг-экв.% хлора) при одновременном учете источников всех типов устанавливается прямая зависимость (рис. 14). Линейные коэффициенты корреляции <концентрация цезия - мг-экв.% хлора> и <концентрация лития - мг-экв.% хлора> соответственно равны +0,45 и +0,5, значимые. Линейный коэффициент корреляции <концентрация рубидия - мг-экв.% хлора> положительный, но недостоверный.

    При учете вод только I-II групп связь между концентрацией редких щелочных элементов и мг-экв. % хлора ещё теснее - линейные коэффициенты корреляции значимые, положительные, равные 0,6.

    А вот линейные коэффициенты корреляции вод только III группы - низкие, незначимые. При этом интересно отметить, что корреляция <литий - мг-экв. % хлора> положительная, <рубидий - мг-экв. % хлора> около нуля(отсутствует), а <цезий - мг-экв. % хлора> - отрицательная.

    Содержания натрия и калия (мг/л) тоже падают с падением доли хлора (мг-экв.%) при одновременном учете источников всех групп. Коэффициенты линейной корреляции соответственно равны для натрия +0,9 и для калия +0,8, значимые.

    1.3.2.4. Взаимосвязь отношений хлора, натрия, калия к редким щелочным элементам (Cl/ Li, Rb, Cs ; Na/ Li, Rb, Cs ; K / Li, Rb, Cs ) с химическим типом воды, выраженным в мг-экв. % хлора, а также с минерализацией. (Рис. 15).

    Разбираемые зависимости принципиально одинаковы для лития, рубидия и цезия, поэтому остановимся только на зависимости для цезия. Отношение хлора к цезию минимально для вод I группы и вод с минимальной долей хлора в химическом составе вод III группы, которые оказались еще и наиболее горячими среди вод III группы, например воды Больше-Банного гидротермального месторождения. Причем для последних отношение бывает даже несколько ниже, чем для вод I группы.

    С падением хлоридности вод (мг-экв. % хлора) в пределах I-II групп отношение Сl/Сs растет - коэффициент корреляции -0,6 , значимый. Растет оно и с увеличением минерализации - коэффициент корреляции +0,9, значимый. Для вод III группы уменьшение отношения Сl/Сs совпадает с падением хлоридности гидротерм (коэффициент корреляции +0,81, значимый) и слабым понижением минерализации (коэффициент корреляции +0,63. значимый; рис. 15, а, б).

    Характер зависимостей < Na/Сs- мг-экв. % хлора >, < Na/Сs -минерализация > и < К/Сs- мг-экв. % хлора >, < К/Сs- минерализация > (рис. 15, в - е) графически такой же, как < Сl/Сs- мг-экв. % хлора >, < Сl/Сs - минерализация >, с той лишь разницей, что значения Nа/Сs для гидротерм III группы не бывают ниже, чем для I группы. Расчет линейной корреляции показал, что для вод I- II групп коэффициенты корреляции зависимостей < Na/Сs- мг-экв. % хлора >, < Na/Сs -минерализация > , < К/Сs -мг-экв. % хлора > и < К/Сs - минерализация > соответственно равны: -0,9; +0,8; -0,9; +0,77 и значимы. Коэффициент линейной корреляции для вод III группы или равен нулю (< Na/Сs -минерализация >), или положительный, но незначимый.

    1.3.2.5. Взаимосвязь отношений Сs/Li и Rb/Li с химическим типом воды, выраженным в мг-экв % хлора в солевом составе, а также с минерализацией. (Рис.16)

    Отношения Сs/Li и Rb/Li изменяются с падением хлоридности вод различно для гидротерм I-II и III групп вод: для вод I-II групп, судя по графикам, зависимости прямые, для III группы - обратные.

    Различен и характер связи этих отношений с минерализацией вод: значения отношений Rb/Li для гидротерм I-II групп не коррелируются с минерализацией, а связь <Сs/Li- минерализация> обратная. Для гидротерм III группы на графиках видна обратная связь с минерализацией отношений Сs/Li и Rb/Li (рис. 16, б, г). Однако расчет меры такой зависимости показывает, что коэффициенты линейной корреляции незначимы, хотя и совпадают по знаку с графическим выражением связи.

    1.3.2.6. Взаимосвязь содержаний редких щелочных элементов.

    При учете вод всех групп содержания редких щелочных элементов попарно прямо связаны между собой.

    Коэффициенты корреляции < Сs-Li > и < Сs-Rb > равны +0,96; < Rb-Li > +0,82. Все парные коэффициенты корреляции вод только I- II групп значимы и равны +0,6. Парные коэффициенты корреляции для вод III группы значительно ниже: < Сs-Rb > = +0,69; < Rb-Li > = +0,38; < Сs-Li > = +0,23, и значим только первый= +0,23, и значим только первый коэффициент.

    1.3.2.7. Связь отношений Сs/Rb, Сs/Li с содержанием цезия. (Рис. 17).

    С падением абсолютных содержаний цезия (% минерализации) в гидротермах падают и значения отношений Сs/Rb и Сs/Li (рис. 17). Коэффициенты линейной корреляции соответственно равны +0,73 и +0,63, значимые. (Рассчитано для вод всех групп.) Однако в среднем водам III группы соответствуют более высокие значения отношений Сs/Rb и Сs/Li при одинаковом содержании цезия с водами первых двух групп. Левая линия графика проведена по точкам вод III группы: правая (двойная)-по точкам вод I и II групп. В пределах отдельных групп также устанавливаются прямые зависимости. Коэффициенты корреляции <Сs/Rb - СCs> и <Сs/Li - СCs> для вод III группы одинаковы - (+82), I-II групп тоже одинаковы-(+0,6), значимые.

    1.3.3. Процессы генерации вод с высокими содержаниями редких щелочей.

    Не вызывает сомнения, что термальные воды получили свои редкие щёлочи уже на большой глубине. Об этом прежде всего свидетельствует огромный вынос редких шелочей. Чтобы определить процесс, ответственный за вынос таких высоких количеств редких щелочей, попытаемся осмыслить многочисленные вышеприведённые взаимозависимости.

    Li, Rb, Cs тесно коррелируют между собой и, стало быть, источник поступления всех редких щелочей глубинных гидротерм единый: они не поступают отдельно и независимо, но появляются все разом и, уже находясь в растворе, ведут себя почти одинаково.

    <Почти> выражается в том, что величины отношения Cs/Li,(и Cs/Rb) к содержанию цезия при учёте всех гидротерм одного региона падают: чем меньше содержание цезия, тем меньше его и по отношению к лития и к рубидию.

    Такая же закономерность подмечена ранее при изучении рассеяния вод в зоне разлива (1.2.6): Cs быстрее и Li и Rb покидает раствор при рассеянии в гидросфере.

    Получается, что все термальные воды вулканичического региона - это семейство вод рассеяния неких первичных растворов с высоким содержанием редких щелочей.

    Но может быть при глубоком гидротермальном выщелачивании (высоком давлении) цезий может поступать в раствор быстрее Li и Rb и этим обеспечить свое относительное накопление в растворе?

    Согласно экспериментальным данным (Хитаров,Колонин,1962), имитирующим гидротермальное выщелачивание, литий и рубидий переходят в раствор интенсивней цезия. Поэтому и при гидротермальном выщелачивании с увеличением концентрации цезия в растворе отношения Сs/Li, Сs/Rb тоже будут падать. Это свидетельство того, что гидротермальное выщелачивание, как процесс накопления редких щелочей в природном растворе, не имело места.

    В условиях гидросферы, пока редкие щёлочи пребывают в растворе, цезий труднее и лития и рубидия переходит в раствор, но быстрее их обоих этот раствор покидает, что означает, что пока существует и как-то передвигается среди кристаллических пород раствор с редкими щелочами, относительное содержание цезия в нём всегда будет падать. Стало быть, все воды одного вулканического региона представляют семейство вод рассеяния неких первичных растворов, несущих высокие количества редких щелочей. А не последовательного их накопления!

    Небезынтересно отметить, что аналогичная зависимость (Cs/Li - конц.Cs) устанавливается и для углекислых вод Кавказа (коэффициент корреляции +0,67, значим). Т.е и там идёт процесс рассеяния (а не накопления!) в гидросфере вод с высоким содержанием редких щелочей.

    Остаётся найти этот глубинный первичный раствор, так как именно с ним генетически связаны все термальные воды вулканического региона. Но об этом - ниже.

    Сам факт обособления фигуративных точек на графиках <в кучки> и характер перехода между отдельными обособлениями свидетельствует о существовании двух качественно различных между собой процессов, ответственных за химический состав и другие параметры гидротерм. Об этом говорят обратные зависимости для вод I, II групп - с одной стороны и вод III группы - с другой. А вот процесс, ответственный за формирование вод I и II группы, был один и тот же, но его параметры последовательно менялись во времени.

    Действительно: воды I и II групп находятся на одной линии различных графиков, но на разных её концах, т.е. одна группа по разным показателям как бы плавно переходит в другую:
    Дебитисточников II группыпадаетпо сравнению с источ. I группы.
    Температура-"-падает-"-
    Минерализация-"- растёт-"-
    Хлоридность (мг/экв.% хлора)-"- падает-"-
    Содержания ред.щел. в мг/л -"- растут -"-
    Содержания ред.щел. в % минер -"- падают -"-
    Вынос редких щелочей-"- падает-"-

    В тоже время для вод обеих групп:

  • Все редкие щелочи коррелируют друг с другом при высоком их содержании
  • Все редкие щелочи прямо коррелируют с Cl,Na,K
  • Все редкие щелочи являются принадлежностью вод хлоридного типа, причём, чем <чище> тип хлоридный (ближе к 100 мг/экв.% Сl), тем больше в нём редких щелочей относительно макрокомпонентов.

    Иными словами, будучи в природном хлор - натрово - калиевом растворе, редкие щёлочи ведут себя почти так же, как и основные макрокомпоненты (Сl,Na,K) и вода. Следовательно, не только все редкие щёлочи, но и Cl, и Na, и К ,а так же сама Н2O возникли единым актом, разом. Только в этом случае горячий глубинный раствор проявит себя на поверхности, как гидротермы I группы.

    Невозможность его разбавления метеорными водами среди кристаллических пород подтверждается и другими данными (см.ниже 2.2.2.)

    К поискам геологической природы этого процесса вернёмся позже.

    А вот процесс, ответственный за формирование гидротерм III группы сложнее, хотя свои редкие щелочи они также получили из того же самого единого источника. Существует и ещё какой-то качественно отличный процесс, который осложняет подъем гидротем к поверхности и существенно влияет на их состав и другие их параметры.

    Попытаемся определить этот осложняющий процесс и с этой целью проанализируем, что поменялось в распределении различных показателей вод III группы, как результат этого <Х> процесса?

    Количество редких щелочей в водах III группы значительно меньше и никогда не выше, чем в гидротермах I, II групп. Т.е. рассеяние в подземной гидросфере - на лицо.

    Температура разная - до выше 100oC на выходе, причем прямая зависимость содержаний от температуры наблюдается, но она иная, чем для гидротерм II группы: при одной и той же температуре гидротермы II группы содержат больше редких щелочей. С I группой здесь не можем сравнивать: все они кипят на поверхности, а на глубине их температура без бурения не может быть измеренной.

    Как возможный процесс напрашивается простое разбавление глубинных богатых редкими щелочами хлоридно-натрово-калиевых растворов маломинерализованными холодными поверхностными метеорными водами, не содержащими редких щелочей.

    Минерализация вод III группы низкая, воды преимущественно сульфатные и казалось бы на первый взгляд модель простого разбавления возможна.

    Если это так, то содержания всех редких щелочей в пределах вод III группы должны прямо связываться с хлором или с хлоридным типом воды. (Об этом много говорилось выше.) А этого нет, причём нет даже тенденции к этому. Скорее есть тенденция к обратной зависимости.

    Отношения Сl/Li, Cl/Rb, Cl/Cs для вод III группы принимают не только большие, но и меньшие значения, чем для вод I группы. Сl/Сs падает со снижением минерализации вод и доли хлора в них, причем одновременно увеличивается общее количество цезия.

    Поменялся характер корреляции редких щелочей между собой. Парные коэффициенты корреляции для вод III группы значительно ниже: < Сs-Rb > = +0,69; < Rb-Li > = +0,38; < Сs-Li > = +0,23, и значим только первый коэффициент.

    Отношения Сs/Rb и Сs/Li отдельных вод III группы могут быть иногда выше при более низком содержании цезия, чем в гидротермах I и II групп, что невозможно (см.выше) при простом разбавлении одних вод другими среди кристаллических пород.

    В пределах вод III группы установлен высокий достоверный линейный коэффициент корреляции для пары <концентрация цезия (мг/л) - температура> +0,84.

    Таким образом, в процессе формирования гидротерм III группы геохимические пути редких щелочей несколько разошлись. Если при сосуществовании в растворе среди пород цезий показывает себя, как минимально подвижный элемент, то в случае вод III группы цезий оказывается максимально подвижным среди щелочей и иногда даже подвижней хлора.

    Следовательно, надо найти процесс, в котором цезий ведёт себя по отношению к литию и рубидию и иногда даже к хлору, как более подвижный элемент.

    Ранее (1.2.2.) было показано, что по скорости перехода в пар низкого давления и относительно невысокой температуры, Cs среди редких щелочей стоит на первом месте. При высокой температуре газов на вулканах Cs ещё более активно переносится в парогазовой фазе в отличие от Li и даже способен образовывать собственный минерал (2.1.2.) При кипении Cs быстрее и Li и Rb устремляется в парогазовую фазу при низкой её общей минерализации, что и наблюдается. На летучесть соединений хлора в большей степени, чем на летучесть соединений щелочных элементов, влияет температура. Поэтому в каких-то случаях происходит относительное по хлору увеличение в парогазовой части дифференциата щелочей, что тоже наблюдается.

    Поэтому причина изменяющегося относительного поведения редких щелочей - это изменение фазового состояния вещества, носителя редких щелочей. Носителем высоких количеств редких щелочей является хлоридно-натрово-калиевый раствор высокой Т. Если такой раствор, находясь глубоко под землёй (первые км), оказывается в условиях резкого падения давления, он вскипает и происходит его разделение на пар и раствор.

    Таинственный процесс <Х> - это глубинное подземное вскипание высокотемпературного термального раствора и разделение его на маломинерализованный парогазовый дифференциат и депарированный раствор. Первый устремляется вверх и проявляет себя на поверхности, как термальные воды III группы, а второй захоранивается на глубине в походящих структурах.

    Подземным кипением хорошо объясняется характер распределения редких щелочей и других элементов, их взаимосвязь с другими параметрами вод III группы при низкой их минерализации и разнообразной температуре.

    Остаётся понять, что представляет собой глубинный высокотемпературный раствор с изначально высоким содержание редких щелочей и характерным выдержанным отношением между ними, который дает начало всем термальным водам вулканического региона.

    Чтобы понять его геохимическую природу проанализируем накопление и распределение редких щелочей в самых различных природных образованиях Земной коры и сравним их с таковым термальных вод.


    << пред. след. >>


  • Проект осуществляется при поддержке:
    Геологического факультета МГУ,
    РФФИ
       
    TopList Rambler's Top100