Происхождение подземных вод областей современного вулканизма

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Происхождение подземных вод областей современного вулканизма

28.07.2020

Подземные воды современных вулканических областей и жидкие включения в минералах и породах привлекали внимание специалистов, занимающихся изотопными исследованиями с целью выявления их происхождения и решения ряда актуальных прикладных задач, в том числе связанных с проблемой гидротермального рудообразования. X. Крейг провел сравнительный анализ изотопного состава воды и пара основных геотермальных районов мира. В работе приведены изотопные данные наиболее известных геотермальных районов, в которых кроме водяного пара имеются характерные нейтральные или слегка щелочные горячие источники. Для этих вод и пара содержание дейтерия соответствует его содержанию в местных метеорных водах. Значения b18О здесь возрастают по мере увеличения температуры. Это явление связано с процессами кислородного изотопного обмена в системе «вода—порода». Пределы изменения 18O относительно метеорных вод колеблются от О (для источников Новой Зеландии) до 14%о (для района Солтон-Си). Характерно также, что для нейтральных гидротерм содержание дейтерия на стадии подземной циркуляции воды практически не изменяется и точно соответствует среднему изотопному составу метеорных вод в областях питания гидротермальных систем.

Для кислых вод, таких, как гидротермы Лассенского или Йеллоустонского парков, также характерно метеорное происхождение, однако наряду с кислородным сдвигом наблюдается и некоторое увеличение содержания дейтерия, связанное с базовыми температурами гидротермальных систем и временем пребывания воды в подземных условиях. X. Крейг объясняет это явление процессом неравновесного испарения при 70—90° С. Аналогичное явление наблюдается также для кислых гидротерм Японии.

Генетические возможности изотопного анализа вод гидротерм были обоснованы X. Крейгом при исследовании термальных рассолов, полученных в процессе бурения скважин в районе оз. Солтон-Си. Температура этих высокоминерализованных (до 332 г/кг) рассолов, определенная экстраполяцией для забоя 1400-метровой скважины, составляла 340° С. Д. Уайт и др. приняли рассолы, вскрытые первой из глубоких скважин, за рудоносные магматические флюиды или ювенильные воды. По содержанию дейтерия и кислорода-18 в этих рассолах и других поверхностных и подземных водах района X. Крейгом был сделан однозначный вывод о метеорном происхождении «рудообразующих флюидов» Д. Уайта. Правомочность такого вывода ясна из анализа изотопных данных, приведенных в его работе, из которых видно, что содержание дейтерия в указанных рассолах остается постоянным и соответствует средним значениям bD, характерным для атмосферных осадков.

К настоящему времени, используя изотопные и гидрогеохимические методы, проведено исследование многих гидротермальных систем мира, в том числе расположенных на территории России. Почти тридцать лет проводятся изотопные исследования крупного месторождения термальных вод района Лардерелло (Италия). Исследования со всей очевидностью показали, что это месторождение питается метеорными водами (bD = —40—47%, что соответствует содержанию тяжелого изотопа водорода в местных метеорных водах). В горячих водах и перегретом паре продуктивных областей месторождения отмечается значительный кислородный сдвиг, обусловленный изотопным обменом перегретых вод с карбонатными породами. В свою очередь, карбонатные породы в гидротермальном очаге в значительной степени обеднены тяжелым изотопом кислорода (рис. 24).
Происхождение подземных вод областей современного вулканизма

Ранее Дж. Феррарой и др. на месторождении Лардерелло в нагретых водах, насыщенных углекислым газом, был установлен эффект обратного кислородного сдвига, являющегося следствием изотопного обмена кислорода между водой и термометаморфической углекислотой. В равновесных условиях при температуре 200° С углекислый газ обогащается кислородом-18 примерно на 20% по сравнению с водяным паром.

X. Сакаи и О. Мацубая изучали с помощью изотопных и гидрохимических методов гидротермальные системы Японии. На основании геолого-геохимических методов ими выделены четыре типа геотермальных систем: Арама. Зеленотуфовый, Прибрежный н Вулканический.

В водах типа Арима по изотопным данным обнаружено присутствие подавляющего количества «растворителя» метеорного происхождения. Эти воды характеризуются также значительным кислородным сдвигом. В некоторых рассолах значение b18O достигает + 8%, однако, по утверждению авторов, на основании этих данных нельзя сделать вывод о магматическом происхождении термальных рассолов, так как термальные воды имеют более высокие значения b18O, чем это имело бы место при изотопном равновесии воды с гранитной магмой. Очевидно, изотопный состав кислорода этих вод обусловлен изотопным обменом с карбонатными породами примерно при 100°С. X. Сакаи и О. Мацубая отмечают, что по химическому типу и изотопному составу эти воды близки к формационным водам седиментационных бассейнов Северной Америки.

Воды зеленотуфовых формаций по изотопным данным также являются в основном метеогенными. Воды сходного типа встречены в шахтах, пройденных в формационной толще зеленого туфа подводного тоннеля Сейкан, соединяющего острова Хонсю и Хоккайдо. Поступающие в тоннель воды являются смесью морских и местных метеорных вод. Здесь концентрации дейтерия и ионов хлора возрастают параллельно, что объясняется процессами смешения двух типов вод. Термальные воды зеленотуфовой формации в ряде областей характеризуются как кислородным сдвигом, так и некоторым увеличением дейтерия. Основываясь на данных, полученных для вод тоннеля Сейкан, авторы приходят к выводу, что в ряде гидротерм зеленотуфовой формации присутствуют воды, представляющие смесь локальных атмосферных осадков и морских вод. При этом нарастание концентраций дейтерия в водах этого типа коррелирует с процессом обыкновенного смешения, а увеличение 18O обусловлено кислородным сдвигом. Отсюда следует, что процессы изотопного обмена термальных вод в данном районе практически не влияют на содержание в них тяжелого водорода, но приводят к значительному обогащению термальных вод кислородом-18.

Прибрежные термальные воды, как правило, представляют смешанные в определенных пропорциях морские и метеорные воды. Их химический состав в ряде случаев значительно изменен в результате взаимодействия между нагретыми водами и вулканогенными породами. Малое количество магния в них (по сравнению с морскими водами), по мнению авторов, может быть объяснено следующей реакцией:

вулканические породы (стекло) + 2Mg + H2O —> Mg — хлорит — Ca2+ + K+ + H+ + H4 SiO4.

Сульфаты могут выводиться в результате образования гипса:

Ca2+ + SO4 —> Ca SO4.

В результате этих реакций выводы приобретают Na-Ca-Cl тип.

Вулканический тип гидротерм формируется, вероятно, за счет метеогенных вод и вулканических эксгаляций, смешивающихся в различных пропорциях. Данные табл. 16 дают возможность предположить две модели формирования кислых термальных вод района Хигаши (вулканический о-в Сатсума-Ивойима, Япония). Авторы отдают предпочтение модели II, однако в любом случае доля метеорных вод в термальных вулканических источниках весьма велика.

Происхождение вулканических газов этого острова представляет определенный интерес в связи с их необычным изотопным и химическим составом. Значения bD в фумарольных газах значительно более высокие, чем в местных грунтовых водах и атмосферных осадках. Изотопный состав кислорода свидетельствует об изотопном равновесии водяного пара с андезитами (b18O = +6,6—+7,0%). Этот факт совместно с высокой температурой фумарол (до 835° С) может свидетельствовать о том, что значительная часть этих газов является «магматогенными». Однако средние значения bD = —25% «магматических вод» значительно выше величин bD, равных —40 - —60%, наблюдаемых в водах вулканических газов о-ва Суртсей (Исландия), в океанических базальтах вблизи Гаванских островов и в гидроксилсодержащих минералах верхнемантийного происхождения и характеризуемых значениями bD, которые присущи «первичным магматическим флюидам» (т. е. ювенильным водам), В то же время, отмечают X. Сакаи и О. Мацубая, конденсаты вулканического пара с о-ва Белый (Новая Зеландия) во время высокой активности очень сходны по ряду параметров с конденсатами изучаемого района. Наблюдаемые значения bD и b18O для новозеландских вулканов варьируют соответственно в пределах от —10 до —20% и от 0 до +4%. В конденсатах этих вулканов, идентичных с японскими фумаролами, содержание хлора достигает 5 г/кг.

Вероятно, высокие значения bD в вулканических эксгаляциях на о-ве Белом связаны не с выходом ювенильных вод, а являются результатом взаимодействия андезитовых магм с морскими водами вблизи поверхности. Это предположение подтверждается данными X. Омото и Р, Рая, изучавшими изотопный состав воды флюидных включений в пирите и халькопирите из некоторых месторождений Куроко в районе Хокуроку (Япония). По изотопным вариациям bD и b18O (от —26 до —18% и от —1,6 до —0,3% соответственно) авторы приходят к выводу, что рудообразующие флюиды Куроко образовались главным образом за счет вод морского происхождения. Примесь магматической или метеорной воды в этих флюидах не превышает 25%.

Результаты исследований стабильных изотопов водорода и кислорода в минералах магматических пород и флюидных включений нашли широкое использование в геологической практике, главным образом в связи с изучением проблемы гидротермального изменения пород и рудообразования. Несомненный научный и практический интерес в этой проблеме представляет изучение генезиса воды рудообразующих флюидов. Как отмечают Д. Уайт и X. Тейлор, наиболее достоверные данные о генезисе флюидов можно получить путем изучения изотопного состава флюидов и ассоциирующих минералов рудной залежи на фоне изучения природных вод и в первую очередь вод гидротермальных систем. Ценную информацию об условиях рудообразования и роли в этом процессе различных по происхождению подземных вод удается получить по данным об изотопном составе воды. Этому вопросу посвящено большое число исследований различных авторов.

Д. Уайт выделяет несколько типов воды, участвующей в гидротермальном рудообразовании. Среди прочих он отводит определенную роль ювенильным водам, выделяющимся в процессе дегазами мантии и ранее не являвшимся частью гидросферы. Еще два десятилетня назад как зарубежные, так и советские геологи относили к типу ювенильных большое число проявлений термальных вод, особенно если эти воды имели специфический химический состав.

Упоминавшиеся ранее работы X. Крейга и др. по изучению изотопного состава подземных вод зон современного вулканизма убедительно показали, что в подземных водах практически всех исследованных к настоящему времени гидротермальных систем гипотетические ювенильные воды отсутствуют. К сожалению, высокоинформативные критерии изотопного состава ювенильных вод к настоящему времени не известны. Большинство исследователей исходит из предпосылки о том, что ювенильные воды практически однородны по изотопному составу и не должны зависеть от географических условий мест их выхода на дневную поверхность.

Учитывая генетическую связь ювенильных вод с глубинными частями Земли, были предприняты попытки оценить их изотопный состав на основании изучения изотопного состава водорода и кислорода вулканических эксгаляций, а также некоторых минералов магматических пород. В последнем случае предполагается, что отделение вод происходит при высоких температурах, когда коэффициенты фракционирования изотопов водорода и кислорода между породой и водой приближаются к единице.

X. Тейлор подходит к проблеме первичной магматической (ювенильной) воды с теоретических позиций. Он отмечает, что магмы существуют в температурном интервале от 700 до 1100° С. При таких температурах изотопный состав отделяющейся от магмы и находящейся с ней в изотопном равновесии воды должен быть по кислороду практически идентичен мантийным минералам, а по водороду — тяжелее на величину, лежащую в пределах от 0 до 20 % (в среднем на 10 %), что соответствует значению A = bDпорода—bDвода при данных температурах для многих гидроксидсодержащих минералов. Как известно, большинство плутонических и вулканических пород имеют значения b18O, изменяющиеся в пределах от +5,5 до +10%, а значения bD в 95% случаев лежат в пределах от —50 до —85%. При таких значениях b18O и bD с учетом фракционирования при t больше 700° С первичная магматическая вода должна иметь значения b18O = +5,5-+10%, a bD = —40-75%. В более ранней работе X. Тейлор и др. для первичной магматической воды принимали значения b18O = +7-9.5%, a bD = -50 - -80%.

Близкие к этим значениям данные по оценке гипотетического изотопного состава первичной магматической (ювенильной) воды приводятся и в работах других исследователей, Д. Уайт отмечает, что значения SD ювенильных вод, генетически связанных с мантией, по всей вероятности, должны быть близкими к —50%. Такому значению bD удовлетворяют, например, воды фумарольных конденсатов вулкана Суртсэй, для которых bD = -53%. Для остеклованной каймы молодых подушечных лав, излившихся при высоких давлениях на дно океана, найдено, что bD = -60%.

Приведенные оценки изотопного состава гипотетической ювенильной воды основаны на целом ряде допущений, которые не исключают и иных трактовок. Например, с позиции теории тектоники плит можно допустить, что в зонах поддвига океанической плиты (зоны океанических желобов) в мантию вовлекаются большие объемы осадочных пород. При дегидратации этих пород и условиях повышенных температур может выделяться вода с изотопным составом водорода в пределах —60—80%. Очевидно, ювенильный облик могут приобрести и метеорные воды в результате изотопного обмена с породами при их метаморфизме. При этом метаморфические воды характеризуются широким диапазоном вариаций b18O = +4—+25 % и значениями bD, попадающими в интервал значений ювенильных вод.

Изучение изотопного состава водорода и кислорода минералов и газово-жидких включений в породах и минералах, полученных из районов большого числа гидротермальных месторождений полезных ископаемых, в настоящее время позволяет сделать вывод о том, что главная роль в преобразовании верхней литосферы принадлежит воде гидросферы. При этом подавляющая часть метаморфических и магматических вод проходит цикл метеорной циркуляции.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: