Введение к работе
Актуальность исследований.
Исследования высокотемпературных вулканических газов выделяемых при дегазации магматического расплава в приповерхностных условиях несут важную информацию о составе, количестве и происхождении летучих в магме. Вулканические газы могут играть значительную роль в процессах транспорта рудного вещества и образования пневматолитовых рудных месторождений. Эти данные позволяют также понять процессы дегазации и количественно оценить вклад вулканических эмоиаций в природные и антропогенные процессы.
В последнее время накопилось достаточно данных, позволяющих охарактеризовать химический состав вулканических газов большинства вулкано-тектоннческих структур на различных этапах вулканизма. Однако, эти данные в основном получены в период извержений или в период повышенной магматической активности, связанной с внедрением новых порций магмы в приповерхностный магматический очаг. Систематические наблюдения показывают, что температуры после извержения достаточно быстро уменьшаются (Gerlach, Casaderall. 1986, Mizutani. Sigura. 1V82). Очевидно, что состав газа будет меняться во времени и отражать степень дегазации магматического расплава, поэтому практически невозможно сопоставление данных, полученных на таких объектах в различные периоды.
Стационарные высокотемпературные газовые струи, несвязанные с заметным повышением магматической активности в нашем веке, известны лишь на двух объектах мира; вулкане Сатсума Иводзима, Япония (Hedenqnist et ai. 1995) и вулкане Кудрявый, Курильские острова. Последний характеризуется наивысшими из измеренных температур (940С) фумарольных газов, выделяемых в стационарном режиме. Поэтому, получение данных о составе магматических газов, процессах переноса и отложения рудного вещества, механизме дегазации, поддерживающем стационарный газовый режим, является актуальной задачей.
Из анализа фазовых равновесий в модельных флюидных системах следует, что при кристаллизации гранитоидных интрузий на глубине 3 км и менее на определенной стадии может происходить гетерогенизация флюидной фазы {Рябчиков, 1975). Расчеты фазовых равновесий (Pitzer, Pabalan, 1986) для системы NaCl-rhO показывают, что гетерогенизация флюида при кристаллизации
кислых расплавов наблюдается даже в гораздо более широком интервале параметров, чем полагали ранее на основе экспериментальных данных (Sourirajan, Kennedy, 1962). Поэтому можно предположить, что процессы гетерогенизации могут сопровождать магматическую дисциляцию в вулканических аппаратах. Отсутствие экспериментальных данных по равновесиям жидкость-пар при высоких температурах и давлениях в других геологически важных системах (КС1-ШО, СаСЗі-ШО, MgC22-H?0) и невозможность их теоретического предсказания на данный момент не позволяют судить о границах несмесимости в этих системах и путях эволюции флюидной фазы.
Цель исследований.
Разработать методы для представительного пробоотбора и анализа высокотемпературных вулканических газов, конденсатов и сублиматов, и определить их состав. Выяснить процессы, происходящие в вулканических каналах, установить основные формы и условия осаждения рудных элементов. Определить положение границ гетерофазности в системах КС1-НЮ, СаСЬ-НгО, MgCh-НгО при температурах 400-700С и давлении до 1,5 кбар для анализа температурной и барической зависимости поведения фазовых границ, и оценки возможной роли несмесимости в вулканических процессах.
Научная новизна.
-
Впервые исследован уникальный природный объект -стационарные магматические газовые струи вулкана Кудрявый. Определены составы газов, конденсатов, изотопные соотношения, редокс-условия, температурные зональности осаждения минералов.
-
Установлен стационарный характер газовыделения на в.Кудрявый, показано, что высокотемпературный магматический газ является средой современного рудообразовання.
3. Впервые определено положение фазовых границ
несмесимости для систем NaCl-ШО, К.С1-ШО, СаСЬ-ШО и MgCh-
НЮ в широкой области составов при 400-700С и давлении до 1,5
кбар.
4. На основании собственных и литературных данных
показано, что равновесие жидкость-пар реализуется при дегазации
магматических расплавов в вулканических аппаратах, а также в
вулканических каналах при образовании хлоридных расплавов с
низкой температурой эвтектики.
Основные защищаемые положения.
1. Данные полевых наблюдений и отсутствие связи с заметной магматической активностью в нашем веке позволяют утверждать
стационарный характер газовыделения на вулкане Кудрявый.
-
Температурная последовательность осаждения рудных элементов в сублиматах соответствует обобщенному ряду Зональносте гидротермального оруденения. Осаждение рудных минералов в вулканических каналах происходит в результате понижения их растворимости при снижении температуры за счет разбавления магматического газа метеорной водой.
-
Неравновесный процесс образования и сохранения самородных А1, Si и Ті нз нормальной гидротермальной среды реализуется в процессе кристаллизации хлоридаого расплава сложного состава и реакций диспропорцнонироваяия соединений шгзкой валентности, если солевой расплав или другие минералы прекращают доступ окисленного флюида к поверхности растущей фазы.
4. На вулкане Кудрявый на этапе кристаллизации расплава или
охлаждения флюида происходит гетерогенизация флюидной фазы. В
вулканических каналах при образовашш солевых расплавов с низкой
температурой эвтектики стабильно равновесие пар-солевой расплав.
Повышение давления приводит к увеличению содержания воды в
расплаве и переходу расплава в обычную водно-солевую фазу.
Практическая ценность работы заключается в разработке аппаратуры, теоретических основ и их экспериментального обоснования для изучения процессов магматической дегазации и шшералообразования, происходящих з вулканических аппаратах. Данные могут быть использоватш в технологических процессах очистки газов, выбрасываемых в атмосферу промышленными предприятиями. Технологическое значение может иметь процесс образования металлических А1 и Si из водяного пара при высоком редокс-потенциале. Разработка технологии использования вулканических газов в качестве потенциального рудного сырья на Re, Pd, Ag и другеє благородные и редкие элементы была поддержана грантом Министерства науки и технической политики РФ. Разработанные фазовые диаграммы могут быть рекомендованы термобарогеохимическіш центрам для шггерпретации природных наблюдений.
Фактическая ocnosa и методы ксследовапии.
Работа основана на результатах пятилетних полевых и экспериментальных исследований, выполненных автором в 1988-1994 гг. в лаборатории термодинамики гидротермальных систем ИЭМ РАН. Анализы газовых проб выполнены в ИВГ и Г ДВО РАН Д.Г-М.Н Ю.А.Тараном, анализы конденсатов -в ИПТМ РАН (аналитики Н.И.Чаплыгина и А.Е.Лежнев), изотопные анализы проведены в ГИН Б.Г.Покровским. Анализы сублиматов были
выполнены автором в университете г.Утрехта (Нидерланды). Экспериментальные данные по фазовым равновесиям получены на УВД с пробоотбором конструкции автора. Всего проведено около 80 опытов и выполнено около 150 определений составов (часть анализов выполнена в лаборатории физико-химических методов анализа ИЭМ РАН, Л.Постновой и Н.Костиной).
Апробация работы
Результаты исследований докладывались на XII Всесоюзном совещании по экспериментальной минералогии (Миасс, 1991), IV Международном симпозиуме по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Франция, 1992), II Международном симпозиуме по термодинамике природных процессов (Новосибирск, 1992), V Международном симпозиуме по растворимости (Москва, 1992), VII симпозиуме по взаимодействию вода-порода (Нанси, 1993), V и VI рабочих семинарах по вулканическим газам (Гваделупа, 1993; Индонезия, 1994), ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, пегрологии и геохимии (Москва, 1994), VII Международном симпозиуме по платине (Москва, 1994), Всесоюзном совещании "Вулкан Кудрявый и проблемы современного рудообразования" (Черноголовка, 1994), VIII симпозиуме Европейского Геологического Союза (Страсбург, 1995). По результатам исследований опубликованно 8 статей, 15 тезисов, 3 статьи сданы в печать.
Диссертационная работа общим объемом 204 страницы состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы (199 наименований), содержит 16 таблиц и 51 рисунок.
Автор горячо признателен научному руководителю К.И.Шмуловичу, чьи идеи реализованы в данной работе, за помощь в овладении экспериментальными методами, теоретическим аппаратом и всестороннюю поддержку; М.А.Коржинскому, Ю.А.Тарану, Г.С.Штейнбергу и Е.Г.Осадчему, за неоценимую помощь в проведении полевых, лабораторных и аналитических исследований, полезные советы и обсуждения; А.К.Зарубину, за помощь в создании экспериментальной аппаратуры и практические советы; Л.Постновой, Н.Костиной, И.Чаплыгиной, АЛежневу и Б.Покровскому, за выполнение большей части аналитических работ. Автор благодарит Российский фонд фундаментальных исследований, международный научный фонд Ж.Сореса, Министерство науки и технической политики РФ за финансовую поддержку проведения данных исследований.