Файл: Борисов, О. Г. Экструзии и связанные с ними газо-гидротермальные процессы.pdf

потоке Катмаи сменилась сернокислотной и углекислой (Alien, Zies, 1923). При извержении вулкана Парикутнн (Мексика, 1940) наблюдались все стадии жизни вулкана. Эксплозия сопровождалась выделением сернистых газов, эффузия после формирования шлако­ вого конуса — выделением галогемокислотны.х газов. Богатые се­ рой газы у жерла вулкана выделялись в том месте, где впервые в жерле вулкана происходило высвобождение энергии давления, в от­ личие от галогенов, которые настолько более растворимы, что дви­ гались вместе с жидкой лавой за пределы прорвавшегося конуса (Краускопф, 1948, цитир. по Т. Lovering, 1961). Непосредственно перед извержением Мауна-Лоа (1939 г.) в соседнем действующем вулкане Сольфер-Бенк появился сероводород. Выделение H2S пре­ кратилось через несколько недель после начала вулканической деятельности Мауна-Лоа (по Т. Ловерингу, 1961). При извержении вулкана Шивелуч (1946) материал агломератового потока был на­ сыщен сернистыми газами; процесс активного формирования экстру­ зивного купола сопровождался преобладающими галогенными га­ зами (Меняйлов, 1955; Набоко, 1959). В пепле эруптивных выбро­ сов и в материале агломератового потока вулкана Безымянного (1955) преобладали сернокислые продукты, а в лаве экструзивного купола—галогенокислотные. По мере спада активности роста купо­ ла в газовой составляющей начинают преобладать сернистые газы, в момент возобновления — снова галогенные. Такая цикличность повторяется вот уже на протяжении 13 лет (Борисов, 1960; Борисов, Никитина, 1962; Меняйлов, Никитина, 1967). При извержении по­ бочных кратеров Ключевского вулкана наблюдалась та же законо­ мерность: фумаролы шлаковых конусов выделяли сернистые газы, лавовых потоков — галогенные. Анализы газов, извлеченных из по­ род при нагревании, подтверждают отмеченную закономерность. Так, если в выделениях газов фумарол среднее содержание галоге­ нов не превышает десятые доли и редко целые проценты от суммы газов, то в газах лав их содержится до 35—60% (Shephard, 1938). Приведенный материал позволяет наметить вполне определенный порядок дифференциации магматических эманаций.

Давление газов в магме обусловливается в основном водяными парами, поэтому их выделение независимо от того, происходит ли оно непрерывно или рывками, вызывает постепенное снижение со­ держания всех летучих компонентов, хотя и в различной степени. Выделение воды на всех стадиях газоотделения из магмы доказы­ вается ее преобладающим содержанием в магматических эманаци­ ях. Вследствие этого вода является основным газом-носителем терм и ее существование (пар, жидкость) определяет во многом растворимость составных частей магматических эманаций на пути следования к земной поверхности.

Немаловажное значение при дифференциации магматических эманаций имеет выборочная адсорбция компонентов газовой смеси. Толща литосферы, по которой газо-гидротермы продвигаются к по­ верхности, представляет собой естественную сорбционную колонку, в которой возможно разделение компонентов подвижной фазы (га­

зы, растворы) при ее движении вдоль другой неподвижной фазы (жидкости или твердого тела). При этом возможны несколько случаев разделения подвижной фазы. Рассмотрим некоторые из них.

Сл у ч а й первый. Газовая смесь поступает из магматиче­ ского резервуара с постоянной концентрацией компонентов. Тогда на выходе первым появится наименее адсорбирующийся или наиме­ нее растворимый компонент, затем смесь этого компонента с лучше адсорбирующимся компонентом, затем смесь этих двух компонентов с еще более адсорбирующимся и т. д. вплоть до появления исход­ ной смеси.

С л у ч а й в т о р о й . Газовая смесь поступает в поток, состоя­ щий из какого-то одного газа с плохой адсорбционной способностью. На выходе происходит цикличное разделение газовой смеси по ад­ сорбционной способности газов. Если же преобладающий газ-но­ ситель очень хорошо адсорбируется, то цикл разделения газовой смеси будет отвечать первому случаю, так как он начнет вытеснять из смеси газы в порядке их адсорбционной способности. Через есте­ ственную сорбционную колонку газ протекает с конечной скоростью, следовательно, в ней не успевает установиться термодинамическое равновесие. В простейшем случае можно допустйть, что на каждом участке колонки успевает установиться равновесие. Скорость пере­ мещения дайной концентрации компонента газовой смеси будет за­ висеть от константы изотермы распределения Генри (Герасимов и др., 1966), т. е. скорость тем больше, чем хуже адсорбируется (или растворяется) данный компонент и наоборот. Однако в большинстве случаев форма изотермы распространения (адсорбция или раство­ рение) отклоняется от закона Генри (особенно для реальных газов) и зависит от концентрации компонента в газовой смеси. Поэтому скорость перемещения данной концентрации вдоль колонки непо­ стоянна. Так например, скорость перемещения малых концентраций будет меньше, чем больших. В случае же сильного взаимодействия адсорбент— адсорбат малые концентрации в газовой фазе будут пе­ ремещаться быстрее больших концентраций. Отсюда можно заклю­ чить, что порядок выделения газовых компонентов будет опреде­ ляться не только их адсорбционными свойствами, но и концентра­ цией в смеси и взаимодействием между собой.

В растворах скорость передвижения катионов зависит от при­ роды анионов и часто отвечает их растворимости. Этот порядок сорбции подтверждается данными по исследованию фумарол с сольфатарных полей, в газовой фазе которых преобладают углекислые газы и в небольшом количестве отмечаются сернокислые, а в соста­ ве конденсата ионы S 0 3, S 0 4 и Cl доминируют над СОз, НС03.

Два пути образования газо-гидротерм

Изменение внешнего (гидростатического) или внутреннего (охлаждение и кристаллизация магмы) давления приводит к рез­ кому обособлению газовой фазы силикатного расплава и концент­ рации ее под кровлей очага. В условиях повышенного давления

146

(особенно в приповерхностной части возможен прорыв кровли и

.образование открытой магматической системы. В этом случае воз­ можны два пути дифференциации газо-гидротерм по мере их дви­ жения к земной поверхности.

В случае приповерхностного расположения очага основная масса легколетучих выделяется при пароксизмальном извержении л кристаллизующаяся магма будет выделять в основном трудно­ летучие и обогащать ими газо-гидротермы (районы распростране­ ния кислого вулканизма, игнимбриты, песчано-пепловые потоки, экструзии вязкой лавы). По мере снижения температуры и давле­ ния увеличивается диссоциация воды, что приводит ее к интен­ сивному обогащению легкорастворимыми газовыми компонентами (НС1, HF); при этом в свободной газовой фазе увеличивается со­ держание легколетучих компонентов (Н2, СО, С 02, H2 S, СН4).

Термальные растворы постепенно станут кислыми. Возрастёт доля

В составе фумарольных выделений будут преобладать галогенные газы.

В дальнейшем дифференциация магматических эманаций пой­ дет по пути уменьшения роли галогенов частично за счет нейтра­ лизации терм вмещающими породами и увеличения выделения легколетучих при кристаллизации более глубоких частей магма­ тического очага, т. е. по пути эволюции, предлагаемого И. Ивасаки (1966) и другими японскими геологами.

При образовании открытой системы (без предшествующего пароксизмального извержения и излияния лавы) в процессе мед­ ленного остывания на глубине очага, магматические эманации бу­ дут обогащаться легколетучими компонентами и, в частности, сое­ динениями серы. В этих условиях галогенные газы или остаются в кристаллизующейся магме, или при уменьшении плотности пара отлагаются на глубине. Второе более вероятно, так как магмати­ ческие эманации вступают в контакт с холодными стенками вме­ щающих пород, что способствует их быстрому охлаждению и кон­ денсации. В конденсате сосредоточиваются в основном трудноле­ тучие, а ''легколетучие образуют паро-газовую фазу малой плот­ ности, насыщенную углекислыми и се|рл10 мислы.ми газами. По мере

приближения к поверхности в зону повышенного парциального давления кислорода нейтральные или слабокислые термы стано­ вятся кислыми за счет окисления сероводорода и появления сво­ бодных кислот. А гидротермы, выходящие на поверхность на уча­ стках с низким окислительным потенциалом, отвечают типичным щелочным хлоридным термам с H2S и С02 в газовой фазе. Не­ смотря на частичную нейтрализацию сернокислых терм, их кис­ лотность постепенно возрастает и достигает максимума в припо­ верхностной обстановке. В составе свободной газовой фазы всегда преобладает С02, а в жидкой фазе — ионы Cl, F, S 0 4.

Приведенные выводы по дифференциации магматических эма­ наций хорошо согласуются с данными по фракционированию ста-

Сильных изотопов серы (Борисов, 1970). Интенсивное фракциони­ находящихся в экструзивной стадии развития, состав газовых эма­ рование и обогащение тяжелым изотопом серы сульфатов возмож­ наций которых меняется от существенно сероводородных до гало­

но только в случае окислительно-восстановительных реакций дис­ генных по мере развития кратерных экструзий. пропорционирования при условии высокого содержания H2S в ис­

ходных газо-гидротермах. В газо-гидротермах с небольшим содер­ жанием H2S, последний почти полностью окисляется и фракциони­ рования не происходит. Так оера алунитов месторождений серных метасоматических руд обогащена тяжелым изотопом до 2—2,5%. Источником гидротерм для них служили глубинные очаги андези­ товой магмы. Сера алунитов, источником термальных растворов для которых были близповерхностные очаги кислой магмы, обога­ щена тяжелым изотопом всего на 0,1—0,5%.

Таким образом, по мере уменьшения в газо-гидротермах доли сероводорода и приближении их к поверхности в область высокого окислительного потенциала увеличивается доля окисленного серо­ водорода п в то же время уменьшается фракционирование изото­ пов серы. Описанный процесс особенно характерен для вулканов,

ГЛАВА 16

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СОВРЕМЕННЫХ ГАЗО-ГИДРОТЕРМ И МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЕ

Химический состав

Химический состав современных вулканических газо-гидротерм и минералов, образовавшихся в результате их воздействия на вме­ щающие породы хорошо изучен (Набоко, 1959; Iwasaki et al., 1966; Сигвалдасон, Уайт, 1965 и др.). Он может служить ключом краешифровке сложных процессов гидротермального воздействия иа по­ роды, приводящих к образованию вулканических метасоматитов ти­ па вторичных кварцитов. Длительность процессов выделения газогидротерм на поверхность, относительная стабильность темпера­ туры предполагают и постоянство их минерального состава, что подтверждается минералогическим составом измененных пород, тесно ассоциирующих с вулканическими термами (монтморилло­ нит, каолинит, гнббсит, алунит, ярозит, самородная сера, пирит и некоторые другие). Химический состав индивидуальных терм отли­ чается друг от друга (особенно минерализация и величина pH). Различные термальные воды разгружаются и при резко меня­ ющихся окислительно-восстановительных условиях, что также отражается на их составе. От приведенных параметров зависит как

.сам процесс воздействия гидротерм на вмещающие породы, так и процесс современного мииералообразования. И в то же время эти частные факторы не должны существенно влиять на химический состав магматических дифференциатов, не подверженных воздей­ ствию в основном поверхностных гипергенных факторов. Для ре­ альной оценки выдвинутого предположениядана вероятностно­ статистическая оценка среднего состава современных газо-гидро­ терм (горячие источники, сульфатарные и фумарольные поля) Камчатки и Курильских островов в сопоставлении с некоторыми другими районами активной вулканической деятельности (табл. 50, 51).

Данные табл. 50 показывают относительное постоянство кон­ центраций основных ионов в широком интервале значений pH,, кроме ультракислых терм. Значительные колебания отмечаются лишь для ионов водорода, но в то же время для них характерны определенные диапазоны изменения концентрации, которые в гру­ бом приближении соответствуют полям (группам) проявления газо-гидротерм различной степени активности (фумарольным,

.сольфатариым, горячих источников). В каждой группе содержание водородных ионов относительно постоянно и мало изменяется во времени.

Как видим, предположение относительно постоянства хими­ ческого состава современных вулканических гидротерм подтверж­ дается. Отсюда, для различных типов гидротерм должна наблю-

150