В. М. Округин, Н. А. Малик, Е. Ю. Плутахина

Экспериментальное изучение распределения химических элементов на авачинском вулкане (2013–2014 гг.)

Авачинский вулкан – вулкан типа Сомма-Везувий, высотой 2 751 м (3). Его современный облик определяется двумя структурными элементами. Один из них – Сомма или ПраАвача – вулкан, возраст которого оценивается величиной порядка 30 000 лет (4, 8). Когда-то на месте современной Авачи располагалось огромное сложное вулканическое сооружение, высотой до 3 000 м. При ката- строфическом эксплозивном извержении в результате взрыва значительная часть вулкана (Сомма) была уничтожена. От нее остался своеобразный воротник с Жандармами (острые скалы, напоми- нающие спинные плавники гигантского земноводного, – реликты даек или все то, что осталось от питающих систем – магматических каналов ПраАвачи), в центре которого молодой активный ко- нус (Везувий). Он начал «расти» примерно 3 800 лет тому назад (9–11). Это второй структурный элемент или, собственно, действующий вулкан, называемый Авачинским. Он – наш «домашний» вулкан – один из самых активных, самых популярных туристических объектов, самых опасных для жизни, здоровья населения и экономики Петропавловск-Елизовской агломерации (12). В то же вре- мя Авачинский вулкан – один из наиболее благоприятных объектов для всесторонних комплексных геолого-геофизических и минералого-геохимических исследований. Он приурочен к зоне крупного разлома – своеобразного магмовода, вдоль которого располагаются вулканы Козельский, Корякский, Ааг и Арик. Магматические расплавы, которые достигали дневной поверхности, становясь разно- образными твердыми и газообразными продуктами извержений, несли с собой ксенолиты пород, характерных для нижней коры – верхней мантии. Иначе говоря, могли иметь глубинную природу. Вулкан, по сравнению с другими, отличается высокой степенью геолого-геофизической изученно- сти. За исторический период (1741–2015 гг.) извергался не менее четырнадцати раз (4, 20). Перио- дичность извержений составляет 7–48 лет, средняя – 10–17 лет. Последнее эксплозивное (выбросы бомб, излияние лав) началось в январе 1991 г. (4). Вулкан располагается в непосредственной близо- сти от краевого центра (до города около 21 км, а до океана или Авачинской бухты не более 23 км), что позволяет вести визуальный контроль за его состоянием в любое время года и суток (при на- личии видимости). Вулкан доступен для проведения различных видов вулканологических исследо- ваний, включая минералого-геохимический мониторинг фумарольной деятельности весной, летом и осенью. Программа такого мониторинга позволяет осуществлять прямые натурные наблюдения за физическим состоянием привершинной части, определение температур, состава фумарольных газов, их конденсатов, продуктов реакций этих газов с породами, слагающими вулканическую по- стройку. Особое место принадлежит экспериментальным исследованиям, цель которых получить информацию: о химических элементах, транспортируемых фумарольными газами; степени «нагру- женности» этих газов; транспортных реакциях; роли газовой фазы в переносе металлов и токсичных соединений (5, 7, 16). Один из таких экспериментальных приемов основан на применении пустоте- лых тонкостенных кварцевых трубок в качестве своеобразных хроматографических колонок. Трубка из кварцевого стекла длиной 0,9–1,5 м вводится в отверстие, из которого выделяются фумарольные газы. Газ, по мере продвижения по трубке к выходу, начинает охлаждаться. Температура становится главенствующим фактором в распределении минеральных фаз и химических соединений, отлагаю- щихся при конденсации на внутренних стенках трубок. Продолжительность таких экспериментов – от нескольких недель до нескольких месяцев. Они были начаты в 80-х гг. ХХ в. и получили широкое распространение (18, 19). На Камчатке первые эксперименты были проведены на влк. Ключевском при отборе проб фумарольных газов (14). Наиболее результативными оказались эксперименты, по- ставленные в 1998–2003 гг. в Активной воронке Мутновского вулкана (21). Впервые удалось полу- чить принципиально новую информацию о составе фумарольных газов, их конденсатов, продуктов химических реакций в системе газ-порода (так называемых возгонах) и сублиматах (отложениях на стенках кварцевых трубок, опущенных в устьевые части фумарол). Подобный мониторинг имеет исключительно важное значение для решения не только фундаментальных научных проблем взаимосвязи вулканизма и рудообразования, вулканогенного рудообразования в зоне перехода континент-океан (в частности изучения форм нахождения рудо- образующих элементов на различных стадиях проявления магматических процессов, условий их аномального концентрирования с последующим образованием месторождений полезных ископае- мых), но и практических, позволяющих минимизировать влияние вулканической деятельности на окружающую среду и качество жизни людей. Например – использовать результаты мониторинга в качестве минералого-геохимического индикатора состояния вулкана и предвестника его возмож- ной активизации. Исследования, проводимые на Авачинском вулкане в 2013–2014 гг., – продолжение начатых раннее на Мутновском вулкане. Они подразделяются на два вида: полевые и камеральные. Полевые исследования Выполнялись на привершинной части вулкана (кратер и его обрамление ). Последнее отно- сительно крупное эффузивно-эксплозивное извержение произошло в январе 1991 г. (4, 12). Кратер вулкана глубиной до 200 м заполнила лава, частично излившись на юго-восточный склон Молодого конуса. Через 10 лет, в октябре 2001 г., в результате активизации в привершинной части образова- лась трещина – ров северо-западного простирания глубиной до 10–20 м., шириной 2–5 м и протя- женностью более 1 300 м. Вдоль этой трещины расположилась серия фумарол. Наиболее крупные из них получили названия Восточное фумарольное поле и Западная фумарола. При этом сохранилось существовавшее до извержений 1991–2001 гг. фумарольное поле – Серный Гребень (4, 12). Они и стали объектами полевого минералого-геохимического мониторинга. Восточное фумарольное поле отличается наибольшей интенсивностью проявления фума- рольной активности и максимальной температурой газов (6). Вулканические газы, поднимаясь к поверхности, разбавляются за счет смешения: с мете- орными водами; продуктами реакций газ-порода; взаимодействия с атмосферой. Чтобы уменьшить влияние этих компонентов окружающей среды на химический состав фумарольных эманаций, французские вулканологи Ф. Ле Герн и А. Бернард в 1982 г. установили на влк. Мерапи (Индонезия) кварцевые трубки в устья фумарол. Эксперименты длились от нескольких дней до месяцев (19, 20). Кварцевое стекло характеризуется высокой химической инертностью, и стенки трубок пра- ктически не растворяются при протекании фумарольных газов. Оно выдерживает высокие темпера- туры – сублимация на стенках трубки происходит в интервале температур от 900–600 °С (входные t°) до 300–100 °С (на выходе). Впоследствии такие эксперименты были проведены на влк. Момотомбо (Никарагуа), Питон де ля Фунез (Франция, Маскаренские острова), Сент-Хеленс (США, штат Ва- шингтон), Ключевской и Мутновский (Камчатка). В 2013–2014 гг. лабораториями вулканогенного рудообразования и активного вулканизма ИВиС ДВО РАН проводился комплексный минералого-геохимический мониторинг, включавший: отбор проб фумарольных газов и их конденсатов; продуктов реакций этих газов с горными порода- ми, слагающими вершину вулкана (фумарольных корок и инкрустаций); эксперименты с установкой кварцевых трубок для газовой сублимации; замеры температур (6). Для отбора проб газов и конденсатов в устье фумаролы помещали кварцевую трубку диа- метром до 20 мм, в неё – другую, меньшего диаметра, и соединяли с вакуумированными ампулами Гиггенбаха или с барбатерами. Продукты реакций газ-порода (фумарольные корки, инкрустации) отбирались, в первую очередь, в местах установки кварцевых трубок, в пластиковые контейнеры, герметизировались с по- мощью пищевой пленки. Кварцевые трубки после окончания экспериментов герметизировались с помощью пищевой пленки в пластиковые тубусы, чтобы избежать разрушения при транспортировке с вершины вулкана в лаборатории института. Лабораторные исследования Пробы вулканических газов и их конденсатов анализировали методами классической мо- крой химии, газовой хроматографии по специальным методикам, разработанным в ИВиС ДВО РАН. Микрокомпонентный состав определялся методами ICP в аналитическом центре РАН (г. Черного- ловка). Продукты реакций газ-порода и сублиматы, образовавшиеся на внутренних стенках экспе- риментальных кварцевых трубок, изучались по особой комплексной методике, созданной в лабо- ратории вулканогенного рудообразования ИВиС ДВО РАН. Она объединяет методы классической минералогии и минераграфии (современные прецизионные микроскопы, произведенные в Герма- нии и Японии), рентгенофазовый и рентгенофлуоресцентный, масс-спектрометрию с индукционно связанной плазмой, электронно-зондовые (рентгеноспектральный микроанализ и аналитическая сканирующая электронная микроскопия). В течение двух лет на Восточном фумарольном поле были проведены эксперименты с по- следовательной установкой пяти кварцевых трубок на 6–9 месяцев. Одновременно с установкой и снятием трубок отбирались образцы фумарольных новообразований. Результаты исследований В течение последних пяти лет началось увеличение температур фумарольных газов, достиг- шее в 2012–2013 гг. 620–660 °С (вместо 350–400 °С). Иначе говоря, наблюдается разогрев верхних частей питающих систем вулкана (6). Результаты изучения состава конденсатов фумарольных (разбавленных магматических) га- зов, продуктов реакций газ-порода и сублиматов поражают разнообразием (широким спектром) хи- мических элементов при аномально высоких концентрациях некоторых из них. Так, впервые для Авачинского вулкана обнаружен рений. Для активных камчатских вулка- нов это третья находка. Рений был встречен в талой воде (2013 г.) с лавовых потоков и конденсатах высокотемпературных вулканических газов (2014 г.) ТТИ им. 50-летия ИВиС (7, 13, 22). До этого рений был установлен только в фумаролах влк. Кудрявый (Итуруп, Курилы) (5, 17). Таблица 1. Химический состав возгонов, сублиматов и конденсатов по данным ICP Также впервые для Авачинского вулкана обнаружены индий, кадмий, талий, теллур, селен, висмут и олово. Необычайно высоких концентраций достигают мышьяк, бор и цветные металлы – свинец, медь и цинк. Удалось с помощью новейших методов физико-химического анализа опреде- лить, в виде каких минералов и соединений присутствуют названные выше химические соединения. Так, самородная сера возгонов отличается широкими вариациями концентраций, мышьяка, селена и теллура. А среди сублиматов кварцевых трубок пользуются широким распространением рентгено- аморфные соединения (своеобразные стекла) S-As. Одной из минеральных форм нахождения рения может быть фаза типа KReO4 (17). Большую роль среди минералов возгонов и сублиматов играют соединения йода с таллием и винцом. Кадмий образует собственную минеральную форму – грино- кит (сульфид кадмия). Кроме того, сфалерит – сульфид цинка, оказалось, отличается аномальными вариациями кадмия. Никогда еще на Авачинском вулкане не находили минералов олова, вольфрама, сульфидов свинца и висмута (1, 15). Выявлена определенная зональность в отложении минералов и соединений из фумарольных газов в экспериментальных трубках. В наиболее высокотемпературной зоне накапливается самое большое количество простых хлоридов натрия и калия (поваренная соль – галит NaCl и сильвин – KCl). В средней части трубок наиболее распространены сульфаты натрия и калия – тенардит и ар- канит – (K,Na)2SO4. В низкотемпературной зоне образуются аморфные мышьяковистые стекла. Ге- матит – оксид железа распространён, практически, по всей длине трубки. Касситерит – оксид олова отлагается при ~400–450 °С, а ферберит – оксида вольфрама и железа – в интервале ~450–500 °С. Таблица 2. Минеральный состав возгонов и сублиматов Авачинского вулкана Выводы: Впервые установлено более 15 новых, раннее неизвестных для Авачинского вулкана, ми- неральных фаз. Среди них: сульфиды с переменным составом индия, кадмия и цинка; галогениды, включая новый минерал – йодид таллия. Еще четыре фазы требуют дальнейших прецизионных ис- следований. Первая находка рения (до 8 255,50 мкг/г) в составе сублиматов, конденсатов и возгонов и третья для активных вулканов Камчатки. Показано что, конденсаты фумарольных газов, возгоны и сублиматы содержат широкий спектр тяжелых металлов при аномально высоких концентрациях ряда химических элементов – от меди, цинка, свинца, индия, сурьмы и олова до селена и теллура. Среди них – таллий, мышьяк, кадмий и свинец, входящие в «черный список» (представляют особую опасность для окружающей среды и жизни человека). В течение практически одного года (18.08.2013–20.10.2014) отобрано и проанализировано десять проб вулканических газов, в которых наблюдаются широкие вариации такого важного геохи- мического параметра как S\Cl (от 39,3–13,8–11,1–до 3,0). В пробе, отобранной накануне фреатиче- ского извержения 2001 г. (03.10.2001), величина S\Cl составляла 11,5. Результаты минералого-геохимического мониторинга позволяют высказать предположение о возможной активизации Авачинского вулкана в 2015–2020 гг. 1. Вергасова Л. П., Надежная Т. Б. Новые минералы, открытые на вулканах Камчатки (обзор) // Пост- эруптивное минералообразование на активных вулканах Камчатки. Ч. 2. Владивосток : Изд-во ДВО АН СССР, 1992. С. 3–21. 2. Вергасова Л. П., Филатов С. К. Новые минералы в продуктах фумарольной деятельности Большого Трещинного Толбачинского извержения // Вулканология и сейсмология. 2012. № 5. С. 3–12. 3. Заварицкий А. Н. Вулкан Авача на Камчатке. М. : Наука, 1977. 308 с. 4. Иванов Б. В., Флеров Г. Б., Масуренков Ю. П., Кирьянов В. Ю., Мелекесцев И. В., Таран Ю. А., Овсянников А. А. Динамика и состав продуктов извержения Авачинского вулкана в 1991 г. // Вулканология и сейсмология. 1995. № 4–5. С. 5–27. 5. Коржинский М. А., Ткаченко С. И., Булгаков Р. Ф., Шмулович К. И. Составы конденсатов и самород- ные металлы в сублиматах высокотемпературных газовых струй вулкана Кудрявый (остров Итуруп, Куриль- ские острова) // Геохимия. 1996. № 12. С. 1175–1182. 6. Малик Н. А., Зеленский М. Е. О температуре и составе газа фумарол вулкана Авачинский в 2012– 2013 г. // Мат. ежегодной конф., посвящ. Дню вулканолога «Вулканизм и связанные с ним процессы», 2014. С. 94–97. 7. Малик Н. А., Зеленский М. Е., Округин В. М., Чубаров В. М., Гембицкая И. М. Эмиссия элементов эруптивными газами Тти им. 50-ИВиС ДВО РАН // Там же. 2015. С. 1–14. 8. Макдоналд Г. Вулканы. М. : Мир, 1975. 432 с. 9. Мелекесцев И. В., Литасова С. Н., Сулержицкий Л. Д. О масштабе и возрасте катастрофических из- вержений типа Направленного взрыва вулкана Авачинский (Камчатка) в позднем плейстоцене // Вулканология и сейсмология. 1991. № 2. С. 311. 10. Мелекесцев И. В., Брайцева О. А., Двигало В. Н., Базанова Л. И. Исторические извержения Авачин- ского вулкана на Камчатке (попытка современной интерпретации и классификации для долгосрочного прогноза типа и параметров будущих извержений). Часть I (1737–1909 гг.) // Вулканология и сейсмология. 1993. № 6. С. 13–27. 11. Мелекесцев И. В., Брайцева О. А., Двигало В. Н., Базанова Л. И. Исторические извержения Авачин- ского вулкана на Камчатке (попытка современной интерпретации и классификации для долгосрочного прогноза типа и параметров будущих извержений). Часть II (1926–1991 гг.) // Вулканология и сейсмология. 1994. № 2. С. 3–23. 12. Мелекесцев И. В., Селиверстов Н. И., Сенюков С. Н. Информационное сообщение об активизации в октябре 2001 г. вулкана Авачинский на Камчатке и проведенных исследованиях // Вулканология и сейсмоло- гия, 2002. № 2. С. 79–80. 13. Округин В. М. Вулканическая фантазия – месяц третий // Горный вестник Камчатки. 2013. № 1 (23). С. 79–92. 14. Рожков А. М., Серафимова Е. К., Кутыева Г. В., Таран Ю. А. Сублиматы магматических газов по- бочного прорыва Ключевского вулкана в 1988г. // Постэруптивное минералообразование на активных вулканах Камчатки. Часть 1. Владивосток : Изд-во ДВО АН СССР, 1992. С. 92–93. 15. Серафимова Е. К. Минералогия возгонов вулканов Камчатки. М. : Наука, 1979. 167 с. 16. Филатов С. К., РазуменкоМ. В., Вараксина Т. В., Вергасова Л. П. Грунин В. С. Моделирование процесса образования минералов из вулканических газов методами химических транспортных реакций // Пост- эруптивное минералообразование... Ч. 2. С. 62–67. 17. Чаплыгин И. В. Рудная минерализация высокотемпературных фумарол вулкана Кудрявый (о. Иту- руп, Курильские о-ва). Дис. … канд. г.-м. н. М., 2009, 186 с. 18. Garavelli A., Laviano R., Vurro F. Sublimate deposition from hydrothermal fluids at the Fossa crater – Vulcano, Italy // Eur. J. Mineral. 1997. V. 9. P. 423–432. 19. Le Guern F., Bernard A. A new method for sampling and analyzing volcanic sublimates. Application to Merapi volcano, Java // J. Volcanol. Geotherm. Res., 1982. V. 12. P. 133–146. 20. Okrugin М., Zelenskii M., Maiynova V., Okrugina A., Senyukov S., Sergeeva S. Last news about volcanic activity in Kamchatka peninsula: Mutnovsky and Gorely volcanoes especially // Proceedings of the Second International Workshop on Global Change: Connection to the Arctic, 2001. HokkaidoUniversity, 2001. P. 146–163. 21. Zelenski M., Bortnikova S. Sublimate speciation at Mutnovsky volcano // Eur. J. Mineral., 2005. V. 17. P. 107–118. 22. Zelenski M., Malik N., Taran Yu. Emissions of trace elements during the 2012–2013 effusive eruption of Tolbachik volcano, Kamchatka: enrichment factors, partition coefficients and aerosol contribution // Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2014. V. 285. P. 136–149.

Округин В. М. Экспериментальное изучение распределения химических элементов на авачинском вулкане (2013–2014 гг.) / В. М. Округин, Н. А. Малик, Е. Ю. Плутахина // «Отчизны верные сыны» : материалы XXXII Крашенник. чтений / М-во культуры Камч. края, Камч. краевая науч. б-ка им. С. П. Крашенинникова. - Петропавловск-Камчатский, 2015. - С. 261-266.