Кислые вулканические воды. Что и зачем о них нужно знать?

 

Лауреаты премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России

Одна из задач вулканологии – предсказать извержение вулкана. Решить её иногда помогает мониторинг химического состава подземных вод.

Елена Геннадьевна КАЛАЧЁВА и Юрий Александрович ТАРАН

Доктор геолого-минералогических наук Юрий Александрович Таран и кандидат геолого-минералогических наук Елена Геннадьевна Калачёва из Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН стали лауреатами премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России в 2024 году. Им присуждена премия ДВО РАН имени профессора С.И. Набоко за серию работ «Ультракислые сульфатно-хлоридные воды и их роль в транспорте магматических и породообразующих компонентов».

Кратко об авторах

Юрий Александрович Таран окончил химический факультет Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, защитил диссертацию, став кандидатом химических наук. Через десять лет работы в МГУ перевёлся в Институт вулканологии ДВО РАН (г. Петропавловск-Камчатский), где написал монографию «Геохимия геотермальных газов» и защитил докторскую диссертацию. Работал на вулканах Латинской Америки по приглашению Государственного университета Мексики. В настоящее время – главный научный сотрудник ИВиС ДВО РАН. Автор более 150 статей. С 2003 по 2011 годы возглавлял международную Комиссию по химии вулканических газов (CCVG IAVCEI).

Юрий Александрович ТАРАН

Елена Геннадьевна Калачёва окончила Читинский политехнический институт, кафедру «Гидрогеология и инженерная геология», получив специальность «горный инженер – гидрогеолог». С 1994 года работает в Институте вулканологии, с 2004 года – ИВиС ДВО РАН. Кандидат геолого-минералогических наук. В институте прошла путь от инженера до заместителя директора по научной работе. Автор более 70 научных работ.

Елена Геннадьевна КАЛАЧЁВА

Юрий Александрович и Елена Геннадьевна получили премию имени Софьи Ивановны Набоко. Софья Ивановна проработала на Камчатке всю свою жизнь, с 30-х по 90-е годы прошлого века, изучала последствия извержений вулканов методами минералогии и геохимии. Руководила лабораторией постмагматических процессов. Сейчас этой лабораторией руководит Е.Г. Калачёва.

Чем интересен транспорт магматических и породообразующих компонентов

Известно, что вулканы иногда извергаются, но обычно находятся в покое. «Спят», говорят вулканологи. Многие спящие вулканы дегазируют. То есть выделяют в атмосферу растворённые в магме газы в виде так называемых фумарол – парогазовых выходов. Из окон ИВиС ДВО РАН в хорошую погоду виден Авачинский вулкан с фумаролами на кромке кратера.

Иногда вулканические газы не доходят до поверхности, а перехватываются подземными водами. Поскольку основные компоненты газов – водяной пар, углекислота, сернистый газ и хлористый водород, то в результате получаются смеси серной и соляной кислот, называемые ультракислыми сульфатно-хлоридными водами. Водородный показатель (pH) этих вод иногда < 1, что свидетельствует об их высокой кислотности, поэтому они активно взаимодействуют с породой, в которой циркулируют. Смешиваясь с осадками, проникающими в вулканическую постройку в виде дождей и снега, они находят выход у подножья вулкана, образуя источники с очень кислой и, как правило, горячей водой. Источники несут воды в океан, таким образом, магматические хлор и сера уносятся в гидросферу Земли. Попутно эти воды переносят продукты взаимодействия с породой в виде набора растворённых солей.

 В маршруте на острове Кетой

Летучие и растворённые вещества

В геохимии, науке о химическом составе Земли, есть целый раздел, связанный с вулканологией, изучающий баланс-дисбаланс земного вещества. Во время полевых работ Юрий Александрович и Елена Геннадьевна определяют составы и количества веществ, выносимых из вулканов, находящихся в спокойном состоянии. Они отбирают пробы воды из источников на склонах вулканов, измеряют расходы источников и ручьёв их дренирующих, учитывают составы и потоки газов, отбирая образцы в кратерах вулканов. И, конечно, исследуют сопутствующие минералы и породы. А в лабораториях анализируют пробы, изучают их химические и изотопные составы, минералогию осадков и пород.

Е. КАЛАЧЁВА (впереди) и Т. КОТЕНКО в маршруте в ущелье ручья Горчичного на острове Кетой

Для чего нужен мониторинг химического состава источников

Ультракислые источники вулканических построек имеют непостоянный состав, зависящий от состояния вулкана-хозяина. Одна из задач вулканологии – предсказание извержения вулкана – решается с помощью сейсмологии, геодезии, путём измерения потока вулканических газов. Но её можно решать и с помощью мониторинга химического состава таких источников. Юрий Александрович и Елена Геннадьевна показали это на примере вулкана Эбеко на острове Парамушир.

Выходящие на поверхность вулканические воды образуют источники, выносят растворённое вещество в океаны, рассеивая его на больших пространствах. Но, если выхода на поверхность у этих вод нет, они, оставаясь под землёй, контактируя со всё большим и большим количеством породы, нейтрализуются и осаждают минералы. При определённых условиях, на так называемых геохимических барьерах, локально осаждаются минералы, обогащённые теми или иными металлами, формируются эпитермальные рудные месторождения.

Ультракислые воды создают также геоэкологические проблемы. Кроме загрязнения воды соединениями хлора, серы, фтора, мышьяка, бора и других элементов, они ещё разрушают вулканические постройки, причём гораздо быстрее, чем обычные пресные ручьи и реки. Сели, обвалы, лавины в долинах кислых рек происходят гораздо чаще, чем в нормальных ландшафтах. Для точного описания происходящих процессов нужны количественные данные. Например, интенсивность эрозии в тоннах в год на квадратный километр. Получение этих данных – одна из задач Юрия Александровича и Елены Геннадьевны.

– Вот такими процессами мы занимаемся в последнее десятилетие, – продолжают Ю.А. Таран и Е.Г. Калачёва. – В основном работали на Курильских островах, где много и дымящихся вулканов, и ультракислых источников, где нужные нам образцы можно отобрать, а параметры – измерить. Но поскольку на средние Курилы попасть очень трудно, требовалось всё тщательно продумать и организовать. Например, нужны деньги на аренду судна с опытной командой, поскольку приходится работать в сложных для высадки местах. Но благодаря двум трёхгодичным проектам, поддержанным РНФ, удалось преодолеть многие трудности.

Работа на ручье Кратерный на острове Шиашкотан. Измерение расхода ручья – сколько воды несёт ручей в единицу времени (литров или кубометров воды в секунду)

О планах

Выше говорилось о том, что подземная вода в постройках вулканов растворяет магматические хлор и серу. Углекислый газ (СО₂) находит выход на поверхность вулканических построек и кальдер, просачиваясь через верхний слой коры и почву, выделяясь в атмосферу в виде так называемого диффузионного потока. Измерение этого потока – тоже важное направление вулканологии и геотермии. Участки с высокими потоками перспективны для бурения скважин на минеральную и/или горячую воду. Изменение потока во времени может много сказать о состоянии вулкана.

– Мы начали и продолжаем работы по измерению диффузионного потока СО₂ на действующих вулканах Камчатки, – делятся своими планами лауреаты премии ДВО РАН. – Нами в прошлом году впервые измерен фантастически высокий поток СО₂ с поверхности знаменитой на Камчатке Долины смерти, расположенной на склоне вулкана Кихпиныч недалеко от Долины гейзеров. Соответствующая статья опубликована в этом году.

Изучаем влияние вулканической и гидротермальной деятельности на пресноводные ресурсы Камчатки. Уже второй год подряд Елена Геннадьевна с командой проводит работы на самой главной водной артерии полуострова – реке Камчатка и её основных притоках. Эти работы по геоэкологии будут продолжены в будущем.

Фото из личных архивов Юрия ТАРАНА и Елены КАЛАЧЁВОЙ

Авторы фото: Татьяна КОТЕНКО, Дмитрий МЕЛЬНИКОВ, Юрий ТАРАН

Механика гидротермальных и вулканических систем

 

Лауреат премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России

Вулканологи в режиме реального времени отслеживают по сейсмическим данным внедрения магмы под активными вулканами

Алексей Владимирович КИРЮХИН. До вершины Авачинского вулкана осталось 10 шагов. Здесь можно немного отдохнуть, поесть и подышать сернистым газом, прежде чем одеть противогаз и отправиться к Западной фумароле. Июль 2023 года

   Алексей Владимирович Кирюхин, доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН родился 22 ноября 1956 года в г. Ленинграде. Окончил Ленинградский горный институт, геологоразведочный факультет по специальности «гидрогеология» в 1979 году, Ленинградский государственный университет, математико-механический факультет по специальности «математика» в 1981-м. С 1979 года работает в Институте вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, с 1996–2004 годы – заместитель директора по науке и заведующий отделом геотермии и геохимии, с 2005 года – в должности главного научного сотрудника. В 1993 году организовал в Институте вулканологии лабораторию тепломассопреноса, руководителем которой работает по настоящее время. В 1984 году защитил диссертацию на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук по специальности «гидрогеология» в Ленинградском горном институте, в 1993 году защитил диссертацию на соискание учёной степени доктора геолого-минералогических наук по специальности «гидрогеология» в Институте земной коры СО РАН, г. Иркутск, в 2001 году присвоено учёное звание профессор.

Алексей Владимирович КИРЮХИН

А.В. Кирюхин – лауреат премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России. В 2010 году ему была присуждена премия имени члена-корреспондента Б.И. Пийпа за серию работ в области вулканологии и сейсмологии «Моделирование и экспериментальные исследования тепломассопереноса в областях современного вулканизма».

В 2024 году А.В. Кирюхину присуждена премия ДВО РАН имени академика Ю.А. Косыгина в области геологии за серию работ «Геотермофлюидомеханика магматических систем вулканов».

Алексей Владимирович КИРЮХИН. В 2020 году вышла «Геотермофлюидомеханика…» и специальный выпуск журнала Geosciences, в котором теория магматического фракинга получила впервые международное признание.

Мы обратились к Алексею Владимировичу с просьбой рассказать немного о цикле работ, ответив на вопросы: какими конкретно задачами геотермофлюидомеханики магматических систем вулканов вы занимаетесь? Как геотермофлюидомеханика может быть использована для описания природных и геотехнологических процессов? В чём преимущества вашего подхода перед другими?

– Геотермофлюидомеханика – это теория транспорта и аккумуляции геофлюидных фаз (вода, газ, магма, нефть) в земной коре. При транспорте геофлюидов происходят землетрясения, извержения вулканов и гейзеров, при аккумуляции – формирование геотермальных и рудных месторождений, залежей нефти и газа. В 2020 году при поддержке РФФИ я опубликовал книгу «Геотермофлюидомеханика гидротермальных, вулканических и углеводородных систем» для её популярного объяснения в режиме образовательной деятельности (СПбГУ (нефтегазовое дело), МГУ (гидрогеология), КамГУ (вулканология и сейсмология), КГТУ (прикладная информатика, природопользование).

– Какой период времени охватывают ваши работы, отмеченные премией? Как в этот период изменялись, формировались цели и задачи цикла работ?

– Формально премией отмечены четыре работы за период 2020-2024 годов:

Кирюхин А.В. Геотермофлюидомеханика гидротермальных, вулканических и углеводородных систем // Санкт-Петербург: Эко-Вектор Ай-Пи, 2020. – 431 c.: ил.

Kiryukhin A.V., Polyakov A.Y., Voronin P.O., Zhuravlev N.B., Usacheva O.O., Solomatin A.V., Kiryukhin P.A. Magma Fracking and Production Reservoirs Beneath and Adjacent to Mutnovsky Volcano Based on Seismic Data and Hydrothermal Activity // Geothermics 105 (2022) 102474.

Kiryukhin A.V., Bergal-Kuvikas O.V., Lemzikov M.V. Magmatic activity of Klyuchevskoy volcano triggering eruptions of Bezymianny volcano based on seismological and petrological data // Journal of Volcanology and Geothermal Research. – 2023. – Vol. 442. – P. 107892.

Кирюхин А.В., Бергаль-Кувикас О.В., Лемзиков М.В., Журавлёв Н.Б. Магматическая система Ключевского вулкана по сейсмическим данным и их геомеханической интерпретации // Записки Горного института. 2023. – Т. 263 – С. 698-714.

Поэтому, пользуясь случаем, хочу выразить признательность соавторам упомянутым выше статей, а также сотрудникам лаборатории тепломассопереноса и ИВиС ДВО РАН, зарубежным коллегам из США и Японии, совместные работы с которыми вошли в «Геотермофлюидомеханику…».

Но по существу эта работа началась в 1979 году, когда я поступил в Институт вулканологии ДВНЦ РАН как молодой специалист-гидрогеолог из Ленинградского горного института. Академик С.А. Федотов писал в то время статью о зависимости расхода магмы от времени при извержении вулкана с известным объёмом магматического очага. У него были трудности с математическим описанием сжимаемости очага, и он попросил меня, как гидрогеолога уточнить эту часть задачи. Это было сделано успешно, статья вышла, и в конце публикации мне была выражена благодарность за содействие.

– Насколько точные прогнозы вулканической деятельности позволяет получать используемый вами подход?

– Для прогноза магматической деятельности под активными вулканами применяется Frac-Digger метод, позволяющий в режиме реального времени отслеживать внедрения магмы под активными вулканами по сейсмическим данным Камчатского филиала Федерального исследовательского центра Единая геофизическая служба РАН. Приведём пример на эту тему из статьи в журнале Geothermics (вошедшую в номинацию на премию академика Ю.А. Косыгина). В 2021 году магматическая активность Мутновского вулкана усилилась, в период с 7 мая по 24 августа 2021 года по сейсмическим данным нами были зафиксированы инжекции магмы на небольшой глубине под кратером Мутновского вулкана, с возможным продолжением в виде гидротермальных взрывов и обвалов на поверхности. 7 июля 2021 года было дано сообщение об этом в общий Совет ИВиС ДВО РАН по прогнозу землетрясений и извержений. Обвал северного борта кратера вулкана Мутновский-3 (около 1 млн м³) произошёл 18.08.2021 в 07:32 по местному времени (по сейсмическим записям КФ ФИЦ ЕГС РАН) и наблюдался через два часа многочисленными группами туристов в виде глыб обломочных пород, заблокировавших вход в Мутновский кратер.

Эта лава вытекла в Исландии во время извержения вулкана Фаградальсфьдль в 2021 году. Все исландцы – вулканологи, вместо погоды смотрят каталоги землетрясений на сайте Метеорологического Оффиса, чтобы узнать, куда движется магма. Октябрь 2021 года

– Алексей Владимирович, вы родились в Ленинграде, отдали Камчатке 45 лет. Какое место в вашем сердце занимает Камчатка?

– Камчатка – это базовый лагерь для изучения вулканических и гидротермальных систем мира и сильнейших землетрясений, трансфера полученных знаний в другие области геологии.

А.В. Кирюхин на пути к вершине Авачинского вулкана (2750 м – на заднем плане), а под ногами лавовая пробка, закупорившая кратер вулкана в 1990 году. В недалёком будущем давление вулканических газов прочистит жерло вулкана вновь. В хорошую погоду можно поразмышлять о том, когда это случится. Август 2016 года

Фото предоставлены Алексеем КИРЮХИНЫМ