Катастрофическая деформация и последующая эволюция высокотемпературной геотермальной системы (стр. 4 из 8)

Синхронные извержения предварялись и сопровождались целой серией землетрясений: 31.12.1999 г. с магнитудой 5,8 в Кроноцком заливе, 1.01.2000 г. (М 6,9) вблизи кальдеры Академии Наук, и в течение месяца, мощным роем более слабых землетрясений [ 25 ]. Сила землетрясения 1 января в кальдерах Академии Наук и Карымская была >9 баллов. Произошла тектоническая активизация меридиональной разломной зоны. В верховьях р. Карымская на протяжении 2,5 - 3 км заложились новые трещины с раскрытием на поверхности до 2,5 м и амплитудой вертикального смещения 0,5 - 1,5 м [12]. На полуострове Новогоднемий на новых трещинах расположились воронки малых фреатических взрывов и выходы высокотемпературных гидротерм. В Термальной котловине вдоль новых трещин появились мощные газирующие источники и протяжеенные линейные выходы термоминеральных вод (см. рис. 1). Главные удары стихии в январе 1996 г. приняло на себя озеро Карымское.

Карымское озеро после извержения.

Извержение и инициированные им экзогенные процессы привели к катастрофическим изменениям гидрологического, гидрохимического и температурного режима озера. Чистейший абсолютно пресный водоеем диаметром 3,5 км и глубиной до 70 м в считанные часы превратился в резервуар кислой (рН<3,2) минерализованной воды - гигантский природный химический реактор объеемом ~0.,5 км³, в котором началась переработка растворившихся летучих и измельченных твеердых (включая пеплы вулкана Карымскогоий) продуктов извержения, озеерных илов, материала смытого с берегов. На берегах озера активизировались существовавшие ранее термальные источники и появились новые мощные выходы горячих вод в истоках р. Крымская, на кромке взрывной воронки (кратер Токарева) и у северного берега [4 ].

Гидрологические, тепловые и гидрохимические параметры озера после извержения изучались группой исследователей под руководством С.М. Фазлуллина. По их данным озеро в нормальном состоянии имеет следующие основные характеристики: площадь водной поверхности - 9,8 км²; максимальная глубина - 61 м; объем воды в озере - 460,6 млн. м³. Была сделана оценка тепловой энергии, аккумулированной озером во время извержения 1996 г. Учитывалось тепло, затраченное на плавление льда, нагрев воды и тепловая энергия взрывов. Полученную величину - 10¹⁶ Дж - сами авторы считают заниженной, поскольку не удалось определить теплоотдачу с поверхности озера [23, 24].

Преобразованная в результате извержения вода озера принципиально отличается от вод всех термальных источников, - и существовавших здесь ранее, и появившихся вновь. По гидрохимическим характеристикам она относится к "фумарольным термам поверхностного формирования" [11]. Гидротермы этого типа формируются при прямом контакте вулканических газов с поверхностными водами. Озеро дренируется единственным водотоком - рекой Карымская. Состав воды озера приведен в таблице 1 (NN 1-7). Это кислая минерализованная хлоридно-сульфатная, магний-натрий-кальциевая вода. В ходе извержения вода в озере перемешена и еее состав в первом приближении можно считать однородным повсей глубине [24 ].

Рис. 2

Зримым, поддающимся измерениям результатом этих процессов, выходом из "геохимического черного ящика", является состав воды в реке, вытекающей из озера. Попытаемся проследить динамику изменения статических запасов основных компонентов минерализации воды озера и величину их выноса рекой (динамических запасов). В качестве компонентов-индикаторов используем вещества, определяющие гидрохимический тип воды (Cl^-, SO₄^2-,Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺). Для удобства дальнейших построений пересчитаем SO₄^2- в S⁰. Результаты расчеета элементов гидрохимического баланса озера за 1996 - 2000 гг.о да приводиятся в таблице 2. .

За усредненную концентрацию компонентов в озере принято их содержание на истоке реки (см. табл. 1, верхний створ). Поскольку регулярные режимные наблюдения не проводились, динамические запасы (годовой сток) рассчитаны по замерам меженного расхода в июле -- августе. В годовом стоке за 1996 г. учтены катастрофические паводки в январе и мае (46 млн. м³) [14, 24]. Приводимые цифры имеют оценочный характер, поэтому округлены до тысяч тонн. На диаграмме (рис. 2) показаны масштабы и тенденции изменения статических запасов в озере и выноса раствореенных веществ.

Наиболее заметным геохимическим последствием извержения был массированный выброс серы в гидрохимическую систему озера. Статические запасы серы в озере мгновенно возросли в ~60 раз. Учитывая величину выноса рекой (динамические запасы) в 1996 г в озеро поступило 69,7 тыс. тонн серы (скорее всего, в виде SO₂). В это же время, запасы Cl возросли в ~4, а Na в ~6 раз. Их вынос из озера увеличился соответственно в ~10 и 14 раз (6,8 и 10,9 тысяч тонн/год), а поступление в 1996 г. составило 20,4 и 32,0 тыс. тонн. В нормальном режиме до извержения привнос Cl составлял 700 и Na 800 тонн в год. В 1997 г., после резкого снижения запасов и выноса раствореенных компонентов, гидрохимическая обстановка в озере временно стабилизировалась, при этом сохранялся положительный баланс привноса-выноса вещества в гидрохимическую систему озера. Статические и динамические запасы по всем основным компонентам изменяются в узких пределах. Идеет постоянное, относительно равномерное поступление и вынос S, Cl, Na, Ca, и лишь в 2000 г. намечается новая тенденция снижения запасов и увеличения выноса (см. рис. 2). Увеличение транзита этих веществ через озеро объясняется значительным повышением дебита термоминеральных источников на его берегах.

Источники Академии Наук.

Сейсмические и вулканические события 1996 г.ода изменили условия разгрузки гидротерм. В результате резких колебаний уровня озера и приливных волн по всему южному берегу на высоту более 5 м смыт чехол покровных отложений и выработан новый абразионный уступ. Из-за неравномерных тектонических подвижек южный берег озера был приподнят, и на поверхности оказались подводные термальные источники. Термальная активность на берегу резко возросла: выходы источников с температурой кипения прослеживаются с перерывами на протяжении 1500 м, а с температурой выше 40^o - на 2100 м. В амфитеатре вулкана Академии Наук обособились четыре группы термопроявлений (см. рис. 1) [4 ].

Группа I, собственно источники Академии Наук, претерпела очень заметные изменения. Обе нижние ванны каскада были срезаны новым абразионным уступом. В уступе обнажился уникальный четыреехметровый разрез гейзеритового купола с гейзерными камерами и каналами. Одна из больших верхних ванн (юго-восточная) была заполнена вулканическим пеплом, смытым со склонов при таянии снега. Маленький гейзер "Сердитый" на еее берегу превратился в постоянный кипящий источник. Северо-западная ванна, горячий бассейн размером 20 х 15 метров с мощным пульсирующим грифоном на дне, сохранилась в почти прежнем виде, но заметно увеличила активность. Гейзер "Карлик" принял вид пульсирующего сильно кипящего пароводяного котла. Большой грифон в ванне в двухтысячном году начал работать в ярко выраженном гейзерном режиме (фонтанирование - 1 мин. 110 с; пауза - 50 с) с выбросом воды на высоту до 3 м. На склоне выше ванны появилось множество новых мелких кипящих конденсатных котелков и струек пара. Увеличилась площадь и усилился общий прогрев термального поля. На склоне на 80 м нак северо-западу от ванн погибли заросли ольхового стланика и, частично, травяная растительность. Прогрев грунта во многих местах превысил 50^o на глубине 20 см.

В 180 м северо-западнее старых ванн в 1996 г.оду возник новый мощный очаг разгрузки парогидротерм, почти удвоивший общую тепловую мощность источников. Раньше берег здесь был задернован и наблюдались только признаки скрытой гидротермальной активности: полынья во льду вдоль берега, теплые ручейки. Приливные волны смыли покровные отложения и, после падения уровня озера, в обнажившемся береговом обрыве появились источники с температурой 72-96^o , выходящие из открытых трещин в туфобрекчиях.

Самым эффектным термопроявлением нового участка стал гейзер "Академический". Этот мощный источник с типичным гейзерным режимом появился в 30 м от озера, сразу над береговым уступом на высоте 6 м над водой. Жерло гейзера находится в яме глубиной 1,5 м с разновысокими стенками, выработанной в гидрохимических брекчиях. Устье гейзерного канала - воронка, заваленная крупными скальными обломками. Во время извержения вода заполняет яму, с сильным шумом кипит, выбрасывая фонтан и переливается в озеро обильным ручьеем с максимальным дебитом ~20 л/с.., Ззатем, оставшаяся в воронке вода быстро поглощается и начинается период накопления. В глубине воронки слышно кипение, нарастает интенсивность парения и следует новый цикл. В 1996 г. гейзер выбрасывал мутную желтоватую воду, затем система каналов промылась. Полный гейзерный цикл в июле 1996 г. длился 9 -14 минут, а фонтанирование на высоту 1,7 м - 6^m 40^c - 6^m 50^c. В 2000 г. полный цикл остался ~10 минут, а характер извержения усложнился: фонтанирование + излив - 4', накопление - 4', малое фонтанирование - 30'', накопление - 1-2''. Высота фонтанирования возросла до 4 м. Вода гейзера по составу одинакова с остальными источниками Академии Наук. Наблюдается постепенный рост минерализации за счеет кремнекислоты и ионов Cl и Na (табл. 3).

Все остальные термопроявления этого участка, располагающиеся выше гейзера, являются выходами пара. Это кипящие конденсатные котлы, некоторые - мощные, интенсивно бурлящие, диаметром до 1 м, другие - едва заметные парящие проколы. Там, где кипящие конденсаты успели переработать рыхлую породу, водные котлы превращаются в грязевые. Разнообразных котлов на участке более трехтрех десятков, и все они почти бессточные. Кипящие котлы группируются в небольших плоских котловинах и воронках. Здесь работает обычный для таких условий природный сепаратор: на высоких отметках разгружаетсяразгружаются пар и газ - продукты подземного вскипания гидротерм, а отсепарированная вода сливается внизу.