В кальдере вулкана

При разработке месторождений полезных ископаемых было подмечено, что скопления рудных минералов чаще всего приурочены к жилам. Они имеют самую различную толщину — от миллиметров до десятков сантиметров и выполнены обычно нерудными минералами: кварцем и кальцитом. Рудные же минералы, например сульфиды свинца, цинка, меди, железа с разной степенью концентрации, как бы обогащают эти образования. Характерно, что в большинстве случаев отложение рудного и нерудного вещества происходило одновременно, т. е. из одного родоначального раствора. Жилы могут иметь самую разнообразную конфигурацию. Встречаются почти горизонтальные пластообразные жилы и протяженные, будто вытянутые по линейке. Однако преобладает разветвленная форма. Нередко можно выделить главную, более мощную жилу (ствол) и оперяющую систему тонких прожилок.

Геологи пришли к выводу, что жильная форма в большинстве случаев обусловлена тектонической трещиноватостью горных пород. Именно по трещинам двигались рудоносные растворы, и по мере снижения температуры и изменения каких-то других параметров в определенной последовательности происходило выпадение из растворов тех или иных минералов. Какой химический состав и концентрацию имеют рудообразующие растворы? На какой глубине они зарождаются? В какой форме, т. е. в соединении с какими химическими элементами, переносятся рудные компоненты? Через какие стадии вообще проходит процесс формирования рудного месторождения? Ответы на эти вопросы очень важны для геологов.

Современные гидротермальные системы, такие, в частности, как Узонская, где в настоящее время на поверхность изливаются растворы, несущие рудные компоненты, а в разрезе обнаружены горизонты и прожилки рудных минералов, отложившихся из этих растворов, представляют громадный научный интерес.

Но рассмотрим все по порядку.

МОГУТ ЛИ РАСТИ КАМНИ

Естествознание делит мир на живую и неживую природу, исходя из того, что составные части и вещественная основа «живой» природы — это высокомолекулярные органические вещества белки, которые находятся в центре обмена веществ живого организма и являются предметом изучения науки биологии, а неживая природа состоит из атомов и менее сложных молекул, объединенных разнообразными физическими и химическими связями в агрегаты неорганических соединений (газообразных, жидких, твердых). Они слагают различные сферы нашей планеты и изучаются геологией, метеорологией, гидрологией, минералогией, кристаллографией, петрографией.

С другой стороны, в природе через посредство, например, растений происходит постоянная громадная работа по синтезу тех ясе белков из неорганических соединений за счет минеральных солей и воды из почвы, а углекислоты из воздуха.

Таким образом, связь живой и неживой природы очень тесная. К тому же диалектический метод познания мира указывает: «Все течет, все изменяется». Следовательно, неживая природа, подобно живой, претерпевает определенные изменения во времени. Что это за изменения?

Человек с глубокой древности имел дело с камнями. Тысячелетняя практика и житейская необходимость в определении их свойств привели к накоплению значительных знаний о природных камнях. Как в живой природе основным звеном в структуре организма является клетка, так и в камне стержнем структуры выступает кристалл. Правда, есть породы, представляющие собой вулканическое стекло: обсидианы, перлиты, пемзы. Но это особый класс пород, которые образовались при вулканических извержениях, когда произошло резкое вспенивание и быстрое застывание приповерхностной толщи мгновенно вскрытой высоконагретой магмы. К тому же благодаря рентгеновской технике установлено, что и эти породы несут следы раскристаллизованности.

Итак, кристаллы являются кирпичиками, из которых сложены горные породы и руды. Но как из одинаковых кирпичей можно построить разные по архитектуре дома, так и из одинаковых кристаллических структур, состоящих в то же время из разных химических элементов, строится огромное многообразие природных минералов.

Известно свыше полутора тысяч природных минералов. Разнообразно их происхождение. В одних случаях возникают скопления минералов одного вида, в других — поли-ми пера л ьпые агрегаты. Как же они образуются и растут?

Древние философы посвящали этим вопросам целые научные трактаты. Так, глубокие наблюдения позволили выдающемуся ученому Авиценне еще в XI в. составить классификацию минеральных тел, которой пользовались до середины XVIII в. Он подразделил природные образования на четыре группы: 1) камни, 2) плавкие тела (металлы), 3) серные (горючие) вещества и 4) соли. Знаменитый Бируни на основе находок жидких включений в кристаллах кварца сделал вывод о том, что минералы формируются из жидких растворов. Наблюдения на вулканах привели к пониманию образования огромных масс пород при извержении потоков лавы. Но в лавах кристаллы, как правило, мелкие, так как кристаллизация вещества происходит при быстром спаде температуры и давления. Лава становится вязкой, и рост кристаллов затрудняется. Если же расплав долгое время находится под землей, то в этих случаях оп может существовать в горячем состоянии многие тысячелетия, кристаллизация по мере охлаждения вещества будет идти медленно, и кристаллы вырастают до значительных размеров. Таковы кристаллы в гранитах. Однако самые крупные, даже гигантские кристаллы вырастают все же из жидких растворов. Таковы кристаллы горного хрусталя (около 1 т, иногда до 40 т). С ними могут соперничать только кристаллы полевых шпатов и слюды из пегматитов — кристаллически зернистых пород, образовавшихся в результате сложных процессов застывания на глубине насыщенного газами гранитного расплава-раствора.

Согласно современным представлениям, многие руды возникли из горячих водных растворов, поступающих из глубины Земли. Но до настоящего времени нет полного единства в ответе на вопрос: откуда в растворах берутся металлы? Переносятся ли они с больших глубин, из мантии, или заимствуются горячими водами при их движении к поверхности из боковых пород? Кроме того, важно решить, в какой форме переносятся рудные компоненты: медь, свинец, цинк, олово, мышьяк, сурьма и др.? При каких условиях они отлагаются и образуют месторождения? Ответы на эти вопросы смогли бы значительно облегчить поисковые и разведочные работы геологов.

Природной лабораторией синтеза минералов и является Узонское термальное поле — модель минерало- и рудообразующей системы в тесной связи с вулканизмом.

ПЕРЕРОЖДЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

На Узонском термальном поле имеются фактически все типы гидротермально-измененных пород, характерные для низко- и среднетемпературных гидротермальных систем мира. Это еще раз подчеркивает широкий диапазон физико-химических сред Узона, в функциональной зависимости от которых находится характер гидротермального изменения пород.

Работами С. Ф. Главатских, С. И. Набоко здесь установлены следующие фации измененных пород: опалитовая, гидротермальных глин; аргиллитовая и цеолитовая; кварц-адуляровых метасоматитов и пропилитизированных пород.

В пространственном распределении этих фаций обнаруживается четкая вертикальная зональность. Опалиты развиты на возвышенных участках, выше зеркала грунтовых вод. С уровня грунтовых вод на пропаренных участках развиваются гидротермальные глины, в вертикальном профиле которых выделяются следующие зоны: опалово-алунитовая (с серой или без нее), опалово-каолинитовая (с окислами железа или без них), опалово-каолинитовая с пиритом, опалово-алунито-каолинитовая, опалово-моптмориллонитовая с пиритом (или без него). Лргиллизации подверглись пеплово-пемзовые туфы и гравелиты. Показательно, что аргиллизированные породы обнаруживаются в местах выходов газопаровых струй и термальных источников, содержащих заметные количества сероводорода. Фация аргиллизировапных пород с цеолитами располагается ниже гидротермальных глин с пиритом, с глубины порядка 3 м. Характерными минералами этой фации являются монтмориллонит, кальцит, опал, барит, реже гипс, алунит, сера. Цеолиты представлены мелкотаблитчатыми кристалликами десмина и натролита. В этой зоне встречаются рассеянные включения реальгара, халькозина, пирита.

Кварц-адуляровые метасоматиты развиты на южном берегу Центрального озера. Это слабопористые породы белого цвета. Исходными для них были пеплово-пемзовые туфы озерного бассейна. В сахаровидных пористых метасоматитах, не содержащих реликтов исходных пород, до 85 % кремнезема. Однако адуляра больше (до 10 % К₂О) в породах, сохранивших реликтовую тонкослоистую структуру пепловых туфов.

Пропилитизированные породы встречены в развалах базальтов, в 200 м восточнее Западного термального поля. По пористым базальтам здесь широко развиты адуляр, гидрохлорит, кальцит, актинолит, пирит. По периферии и по трещинам адуляр замещает вкрапленники плагиоклазов; актинолит в виде игольчатых кристаллов — зерна пироксенов, нередко заполняющие пустоты и поры.

Для представления о характере вертикального профиля гидротермально-измененных пород на самом активном Центральном участке Восточного термального поля рассмотрим разрез по ручной скважине К–4, пройденной до глубины 17 м. Скважина прошла толщу рыхлых гравелитов и на 16,7 м вошла в пачку алевропелитовых туфов (рис. 4). В приповерхностной части разреза, до глубины не более 30 см, развивается каолинит-галлуазитовая ассоциация глинистых минералов. Ниже каолинит исчезает, и до 1,5 м прослеживается галлуазит-монтмориллонитовая ассоциация. Глубже и до забоя простирается монотонная толща гравелитов, по которым развит пластичный глинистый минерал монтмориллонитового ряда. В низах разреза, с глубины 8,5 м, вместе с монтмориллонитом встречаются мелкие иголочки цеолита (птилолита). На разной глубине, в зависимости от обогащенности сульфидами железа, цвет монтмориллонита меняется — от светлого до темно-серого и черного.

В разрезе рудные минералы имеют следующее распределение. В интервале 0–5 см — интенсивное обогащение тонкозернистыми землистыми образованиями аурипигмента со скородитом. Фактически в этом интервале формируется пласт мышьяковых руд. Ниже, до 1,5 м, следует зона с чередующимися тонкими, не более 1 см, слоями, насыщенными тем же землистым аурипигментом и мелкокристаллическим реальгаром. В интервале 30–50 см находится зона с тонкоигольчатым антимонитом. Глубже 1,5 м (до 4,5 м) наблюдается рассеянная вкрапленность реальгара. Аурипигмента уже почти нет. Глубже 5 м сульфидов мышьяка нет; по всему разрезу интенсивно развиваются тонкодисперсные и мелкокристаллические образования пирита. С 6 м преобладающей разновидностью становятся хорошо сформировавшиеся кристаллы пирита размером более 1 мм.

Скважина вскрыла зону относительно высоких температур. В процессе бурения удалось промерить температуру лишь до глубины 2 м, здесь опа составила 97 °C. На глубине 2,5 м произошло вскипание воды и пароводяной выброс. Дальнейшее бурение велось с закачкой в ствол холодной воды. После окончания бурения скважина имела режим самоизлива с избыточным давлением 0,3 атм. На глубине 16,5 м была зафиксирована температура 116 °C.

ВОДА В ПОРАХ ГОРНЫХ ПОРОД

Любая горная порода включает некоторое количество воды. Даже в свежеизлившейся магматической породе — лаве содержится до 0,5 % (иногда больше) воды. Она находится в межзерновых пространствах, в тонких трещинах, полостях и порах породы. Будучи универсальным растворителем, вода всегда интенсивно взаимодействует с вмещающими ее породами и фактически является раствором, содержащим самые разнообразные соли. Со временем между горной породой и заключенной в пей водой устанавливается динамическое равновесие, когда без изменения каких-либо условий не происходит существенного изменения ни солевого состава раствора, ни количественного и качественного состава вмещающих пород. Обычно в этом случае в породе завершается процесс формирования вторичных гидротермальных минералов, таких, как кальцит, гипс, опал, кварц, глинистые минералы, цеолиты и др.

Если же между породой и раствором, ее пропитывающим, еще не установилось равновесие, то возможны два случая взаимодействия — либо в воду будут интенсивно переходить минеральные компоненты породы, либо, наоборот, за счет солей раствора будет происходить кристаллизация новых минералов. Большую роль в этих процессах играют кислотность-щелочность растворов и так называемый окислительно-восстановительный потенциал вод и пород.

Изучая отжатые из горных пород растворы (например, из керна буровых скважин), можно получить представление о характере процессов, происходящих в породе на разной глубине. Для поровых растворов, находящихся в породах на глубинах, превышающих уровень циркуляции грунтовых вод, характерны слабощелочная реакция и восстановительная среда. В таких породах всегда будут находиться кристаллики пирита и, возможно, самородной меди без признаков растворения и окисления, а поровые растворы — без ионов железа и меди. В близповерхностных условиях, в зоне активного воздействия кислорода воздуха и грунтовых вод, проникающих на глубину по тончайшим трещинкам в породах, поровые воды, как правило, несут следы окислительных процессов. В зависимости от стадии окисления в них обнаруживается как закисное, так и окисное железо, ионы сульфата, а сами растворы приобретают слабокислую реакцию (pH снижается до 5–4,0). В окисленных породах отсутствует неизмененный пирит и самородная медь. Им на смену приходят окислы железа и меди, сульфаты: лимонит, алунит, ярозит, гипс, ковеллин, борнит и др. Надо отметить, что особенно интенсивно окисление происходит в поверхностной зоне породы, где возможен постоянный и быстрый приток кислорода. С глубиной концентрация окисляющего компонента (кислорода) в воде, проникающей в поры, очень мала, поэтому процессы окисления затухают. Кроме того, с глубиной увеличивается температура и затрудняются условия биохимических реакций, играющих, как показали исследования последних лет, большую роль в процессах окисления.

На Узоне, в области термального поля, в результате химических реакций раствор — порода при повышенной температуре, за время существования гидротермальной системы сформировалось сложное метасоматическое тело. Бурение показало, что оно состоит из зон гидротермально-измененных пород с новообразованными минеральными ассоциациями. На глубине вскрываются пропилитизированные породы с характерным для них набором минералов (адуляр, альбит, хлорит, кальцит, пирит). В приповерхностной зоне наблюдается развитие фаций кислотного выщелачивания. В интервале глубин 3,0–17 м (предельная глубина скважин) по озерно-кальдерным образованиям, представленным переслаивающимися гравелитами, псаммитовыми и алевропелитовыми пеплово-пемзовыми туфами с обломками лав андезита, базальта и дацита, развивается комплекс глинистых минералов монтмориллонитового ряда с цеолитами. Здесь же много прекрасно ограненных кубических мелких кристалликов пирита. Вверх по разрезу на смену монтмориллониту приходят галлуазит, каолинит и опал. Пирит в этом интервале уже тонкодисперсный. Самый верхний горизонт обогащен сульфидами мышьяка (аурипигмент, реальгар) и сурьмы (антимонит).

Интересно проследить изменение поровых растворов в вертикальном профиле описанного выше метасоматического тела. При бурении скважин поровые растворы были получены непосредственно из горячих образцов путем отжима малогабаритным прессом при давлении 100 кг/см’. Они отжимались в изолированный от воздуха сосуд из фторопласта, в который были вмонтированы электроды для измерения pH и Eh (окислительно-восстановительный (потенциал). Как правило, поровые растворы более минерализованные, сульфатные, с преобладанием кальция и натрия (в сравнении с магнием и калием). Они же имеют Колее высокую концентрацию водородных ионов (pH 6,3 против 7,2–7,6) и более высокий окислительно-восстановительный потенциал (Eh +215–275 мв против –50–65 мв в свободных растворах). По поровым растворам наблюдается вертикальная гидрохимическая зональность, которая находится в соответствии с вертикальной минералогической зональностью.

До глубины 0,2 м поровые растворы характеризуются ж низкой общей минерализацией и концентрацией основных (ионов: Na и Сl. Отношение натрия к калию самое низкое для изученного разреза. В растворах отмечается самая высокая концентрация магния; гидротермальная глина в этой зоне не содержит магния (каолинит + галлуавит). Из сульфидов развиты аурипигмент и пирит.

На глубине 0,5 м pH порового раствора уже равен 6,63; Eh +215 мв. Вместо аурипигмента здесь образуется реальгар и антимонит. Концентрация магния в растворе остается еще значительной, однако отношение кальция к магнию повышается. Это зона перехода каолинит-галлуантовой ассоциации к монтмориллонитовой. Глубже по всему разрезу возрастает минерализация поровых растворов, отмечается преобладание натрия над калием и кальция — над магнием. Уменьшение в поровом растворе концентрации магния соответствует увеличению с глубиной новообразованного магнезиального монтмориллонита.

Уже на глубине 1,25 м, где монтмориллонит становится ведущим гидротермальным минералом, концентрация магния в поровом растворе резко снижается. На глубине,2 м поровый раствор имеет повышенную концентрацию сульфат-иона и высокую общую минерализацию. Отношения натрия к калию и кальция к магнию высокие. Раствор имеет реакцию, близкую к нейтральной (pH 6,4) и (Eh +170 мв). В этой обстановке наряду с монтмориллонитом образуется и цеолит (клиноптилолит).

Высокое содержание сульфат-иона в поровых растворах с глубины 0,5–4,2 м свидетельствует, по-видимому, об уровне проникновения зоны аэрации и об интенсивно идущих здесь процессах окисления сульфидов железа. Во сяком случае, именно на этом интервале в керне скважин отмечено две генерации пирита: мелкозернистый латунно желтый и тонкодисперсный черного цвета.

Концентрация мышьяка и сурьмы в поровом растворе рудной залежи и по всему изученному разрезу более низкая (соответственно 0,1–1,0 и 0,008 мг/л), чем в свободных перегретых хлоридно-натриевых водах (соответственно 5–7 мг/л и 0,024 мг/л). Понижение в поровых растворах концентрации мышьяка, сурьмы, а также магния свидетельствует, по-видимому, об установившемся равновесии поровый раствор — глинистые минералы — сульфиды мышьяка и сурьмы, а также о существенном различии в физико-химической обстановке в зоне передвижения и отложения минеральных компонентов.

РУДА, ОБРАЗУЮЩАЯСЯ НА ГЛАЗАХ

В 1968 г. сотрудниками Института вулканологии ДВНЦ ЛИ СССР на У зоне была открыта рудная залежь сложного мышьяково-сурьмяно-ртутного состава. Близкие к этому типу оруденения месторождения имеются у нас на Кавказе, в Средней Азии, на северо-востоке Сибири. Но то древние месторождения, возраст которых обычно превышает миллион лет. А на Узоне рудная залежь находится в стадии формирования. Более того, рудные минералы образуются, можно сказать, на глазах исследователя.

Как уже говорилось выше, для растворов, поступающих на поверхность в кальдере Узона, весьма характерна довольно высокая концентрация мышьяка, сурьмы, ртути, серы. На глубине в щелочных растворах и при высокой температуре они находятся в растворенном состоянии. Но поднимаясь к поверхности, глубинные растворы встречают на своем пути грунтовые воды. Происходит довольно резкое изменение многих параметров растворов: температуры, давления, кислотности-щелочности и т. д. Все это приводит к нарушению химического равновесия элементов в растворе — начинается распад одних соединений и образование других, более устойчивых. Этими соединениями являются на Узоне сульфиды мышьяка — золотисто-желтый аурипигмент и оранжево-красный реальгар, сульфид сурьмы — антимонит, сульфиды ртути — красная киноварь и темный метациннабарит, сульфиды железа — латунно-желтый пирит и почковидный черный марказит и др. Эти минералы были обнаружены непосредственно на стенках грифонов и источников, выходящих на Центральном участке. Интересно, что и раньше исследователи Узона видели желтый осадок в некоторых грифонах с горячей водой. Но, зная, что в таких условиях на всех других термальных полях отлагается самородная сера, они и этот осадок квалифицировали как серу. Понадобились большая внимательность и минералогическая сметливость, чтобы не пройти мимо уникальных отложений аурипигмента.

Обычно после сильного дождя, когда термальное поле мокрое, во многих грифонах прозрачная чистая горячая вода становится мутной. В пей плавают тончайшие зерна самородной серы. Осаждение серы происходит в результате окисления сероводора, поступающего из глубины, кислородом, насыщающим дождевые я талые воды. Само поле приобретает в это время серый цвет. Однако достаточно одного-двух дней солнечной погоды, и поверхностные воды скатываются, поле подсыхает и меняет свой облик. Сначала в некоторых, особенно в небольших, бессточных котлах в воде с температурой 15–40 °C возникает масса мельчайших зерен зеленого цвета. Вода как бы цветет. Постепенно взвесь оседает на дно, в котле формируется осадок — окисел мышьяка и железа — скородит. Затем, по мере повышения температуры и подсыхания термального поля, вода в котлах начинает приобретать желтоватый оттенок, а вокруг многочисленных проколов с выходом газирующих горячих растворов, до этого залитых поверхностными водами, отлагается корочка аурипигмента (фото 20, 21). В некоторых грифонах с Прозрачной водой и температурой выше 70 °C удается наблюдать, как на дне, вокруг отверстий с выходом сероводорода, отлагается сульфид мышьяка красного цвета — реальгар. Там, где на поверхность под избыточным давлением удалось вырваться почти стоградусным растворам, Под небольшой покрышкой глинистых и кремнистых осадков были обнаружены киноварь, метациннабарит, а затем В самородная ртуть. Скорость образования минеральных осадков так велика, что, например, на стеклянных подложках, поставленных в источнике, уже за сутки нараcтал слой сульфида мышьяка толщиной около 0,1 мм. К настоящему времени на Узоне обнаружены, помимо перечисленных минералов, скородит; сульфиды меди — борнит, халькозин; сульфид железа и мышьяка — арсенонинит: сульфид железа — пирротин; сульфид свинца — галенит; сульфид цинка — сфалерит. В единичных зернах найдены самородное золото, серебро, медь. Рудные минералы обычно наблюдаются в ассоциации с нерудными: кварцем, опалом, каолинитом, монтмориллонитом, баритом, адуляром, кальцитом, цеолитами. В разрезе термального поля наблюдается закономерная картина: сверху вниз залегают слои скородита, аурипигмента, реальгара, и на глубине около метра отлагаются игольчатые кристаллы свинцово-черного цвета — антимонита.

ЗОЛОТИСТЫЕ КАМЕШКИ

Такие камешки может увидеть только очень внимательный человек, хотя их и немало на Узоне. Они здесь встречаются лишь в блюдцеобразиых выходах термальной воды. Воды в них так мало, что даже мелкие обломки пород (базальтов, пемзы, туфов) не покрываются полностью. Однако температура близка к точке кипения. Вода интенсивно бурлит, поскольку пузырьки газа непрерывно прорываются к поверхности. Газ, состоящий в основном из смеси углекислого газа, водорода, азота и сероводорода, с характерным булькающим звуком, нередко подбрасывает капли воды на высоту до 5 см. На дне такой «сковородки» мелкие камешки находятся в непрерывном движении и становятся окатанными. Вынув камешек из воды, видишь, что он, как глазурью, покрыт тонкой пленочкой золотистого, вернее, латунно-желтого цвета. Это дисульфид железа — пирит. Пока камень мокрый, он блестит и напоминает золотой самородок. Но, высыхая, быстро тускнеет. Как же образуется пленка пирита? В воде таких грифонов (они всегда бессточные) растворено порядка 10–15 мг/л сероводорода, реакция близнейтральная (pH = 6,4–6,6). Очень небольшого количества железа, которое находится в воде, достаточно для реакции

2H₂S + Fe (ОН)₂ = FeS₂ + 2Н₂О + Н² ↑.

Необходимо отметить, что образование пирита идет но непрерывно, иначе на камешках наслоились бы толстые корочки золотистого минерала. Дело в том, что на термальных полях изменяются по определенным закономерности температура растворов, их концентрация, содержаний' растворенных газов и т. д. Следовательно, изменяются типы химических реакций в растворе. Поэтому в период дождей или активного таяния снега, когда термальное ноле заливается водой, в грифончиках падает температура, раствор становится кислее. Вследствие высокого содержания растворенного кислорода в поверхностных водах в смешанных таким образом термальных растворах повышается окислительно-восстановительный потенциал (Eh) и вместо пирита по реакции

2H₂S + О₂ = 2S⁶ + 2Н₂О

происходит образование элементарной серы. Вода становится мутной, с обильной взвесью белесых частичек коллоидной серы. Соответственно, отложившийся ранее пирит подвергается растворению.

МНОГО ЛИ РУДЫ НА УЗОНЕ

Несмотря на то что в некоторых местах содержание рудных компонентов достигает очень большой величины, например в гравелитах иногда отмечается до 40 % мышьяка, объем рудной залежи невелик.

Благодаря ручному бурению до глубины 17 м, характер литологического строения и минералогия Узонского термального поля довольно хорошо изучены. Обнаружено, что максимальные проявления оруденения приурочены главным образом к Восточному термальному полю.

Наиболее выдержанное строение зоны оруденения наблюдается на Центральном участке. Именно здесь на поверхность выходят кипящие высокоминерализованные хлоридно-натриевые растворы с мышьяком, сурьмой, ртутью, а в приповерхностной зоне формируется рудопроявление мышьяково-сурьмяно-ртутного состава.

По текстурным особенностям рудного вещества зона оруденения в вертикальном профиле подразделяется на три горизонта: в интервале 0–25 м наблюдается развитие массивных землистых образований сульфидов мышьяка — реальгара и преимущественно аурипигмента (с подчиненным количеством скородита); с 0,25 до 0,6 м прослеживается горизонт тонкочередующихся прослоев реальгара, аурипигмента, с гнездами тонкоигольчатого антимовита (с размером кристаллов до 2 мм); далее, до 5 м, в разрезе встречаются лишь рассеянные мелкокристаллические вкрапления реальгара. По всему профилю в измененных до глин породах наблюдается обильная вкрапленность пирита. Причем в приповерхностной зоне развит пирит тонкодисперсный, черного цвета, а на глубине 1,5 м и в интервале 14–16,5 м отложился пирит латунно-желтого цвета кубического габитуса, с размером кристаллов 1,5–2,0 мм. На дне Хлоридного озера также обнаружено отложение аурипигмента. Наибольшая его концентрация наблюдается в слое донного ила мощностью 0,25 м.

Расчеты показывают, что на Узоне оптимальные условия для накопления имеются в основном для мышьяка. Аурипигмент и реальгар наблюдаются преимущественно в рудном горизонте. При сохранении современного режима поступления и состава термальных вод можно предполагать, что через несколько десятков тысяч лет (в геологическом масштабе времени величина незначительная) на Узоне сформируется достаточно мощное месторождение мышьяка.

Геологи, занимающиеся изучением рудных месторождений, по крупицам кропотливо собирают сведения об условиях образования тех или иных минералов и их ассоциаций. С целью воссоздания состава, температуры и давления растворов, из которых кристаллизовались минералы, ученые исследуют микроскопические газожидкие включения в кристаллах. Проводят сложнейшие эксперименты по растворимости минералов в различных средах и условиях. Все это необходимо, чтобы более определенно, по вслепую, направлять поиски полезных ископаемых, ибо знание того, как образуются минералы, дает отпет и на вопрос, где они могут залегать. Поэтому термальное поле Узона представляет собой уникальную природную лабораторию. Термальные поля, близкие к Узонскому по характеру осадков, по уступающие ему по масштабам и интенсивности рудообразования, имеются лишь в Новой Зеландии и Калифорнии.

САМАЯ МОЛОДАЯ НЕФТЬ ЗЕМЛИ

В 1969 г. при обследовании Центрального участка термального поля во всех закопушках (выемка грунта на глубину штыковой лопаты), сделанных вблизи грязевых котлов (фото 22), С. И. Набоко и С. Ф. Главатских вместе со специалистом-нефтяником, кандидатом геолого-минералогических наук Н. С. Бескровным, обнаружили проявления нефти. На поверхность горячей воды, заполнявшей закопушку, тотчас же после выемки грунта всплывали маслянистые зеленые, без запаха, а в некоторых случаях, наоборот, бесцветные, с сильным керосиновым запахом нефтяные пятна. Дальнейшие исследования показали, что проявления нефти обнаруживаются почти повсеместно. Так, при рыхлении осадка вблизи высокотемпературных грифонов нефтяные пятна всплывали даже со дна Хлоридного озера. При этом наблюдалась одна закономерность. Нефть с большей вероятностью встречалась там, где обнаруживались осадки аурипигмента и реальгара. Причем бесцветная нефть обычно концентрируется в области изотерм 40–60 °C, а зеленая 60–80 °C. В удалении от грязевых котлов, там, где температура растворов меньше 40 °C, нефти не обнаружено. Лабораторные исследования показали, что узонская нефть относится к метаново-нефтено-ароматическому типу. Она оказалась тяжелой (удельный вес 0,9148 г/см’), смолистой (9,3 % смол), сернистой (до 2 % серы), малопарафинистой (2,1 %). Узонская нефть обнаружила уникально высокую оптическую активность (αD = 24,2 %), доселе не известную ни для одного нефтяного месторождения.

До сих пор считается, что высокая оптическая активность свидетельствует о биогенной природе нефти. В то же время наряду с уникально высокой оптической активностью узонская нефть, по данным Н. С. Бескровного, не содержит изотопа ¹⁴С, свойственного органическим К производным. Изучая свойства нефтей разного возраста, Ж исследователи обратили внимание на тенденцию увеличения оптической активности нефтей в более молодых по возрасту отложениях. Исходя из физико-химических свойств узонской нефти и принимая во внимание геологическую позицию района, есть основания считать описываемое нефтепроявление самым молодым в миро. Надо отметить, что уже описаны многочисленные случаи обнаружения нефти в ассоциации с рудными минералами. Например, американский геолог Д. Э. Уайт обнаружил совместное нахождение нефти и киновари на ртутном месторождении Аббот в Калифорнии. Нефть здесь выполняет полости в сферических зернах опала. В этих же зернах опала в отдельных случаях обнаруживаются кристаллы киновари. Следы нефти отмечены также и на соседнем ртутном месторождении Уайд-Эвейк. На ртутных рудниках, расположенных в районе термального ручья Салфер (в одной миле от рудника Аббот), где и в настоящее время происходит кристаллизация киновари, кристаллы последней тесно ассоциируют с самородной серой и битуминозным веществом.

Так же как и на Узоне, нефть с рудника Аббот не содержит порфиринов, характеризуется высокой концентрацией углеводородов с карбонильной группой (С=О) и высокомолекулярных соединений; по химическому составу принадлежит к ароматическому типу. По данным изотопных анализов эта нефть имеет сходство с нефтью, обнаруженной в породах мелового возраста в долине реки Сакраменто, в нескольких милях к востоку от рудника Аббот.

Ассоциация нефти и рудных минералов, в составе которых такие компоненты, как мышьяк и ртуть, имеют явно глубинное происхождение, наводит на мысль о возможности глубинного абиогенного происхождения нефти за счет синтеза углеводородов. Кроме того, не исключено, что нефть участвует в транспортировке металлов в виде металлоорганических соединений от области зарождения до зоны разгрузки гидротермальных растворов. Ученые убеждены, что дальнейшие исследования в этом направлении дадут много цепного материала для решения теоретических вопросов происхождения нефти и условий миграции и концентрации рудного вещества. Природа очень искусно прячет свои тайны. Но иногда щедро оставляет на поверхности ключи к их разгадке, как бы приглашая людей попробовать свои силы. Такими ключами и являются для геологов Узонские горячие источники.

ГОРЯЧАЯ ВОДА — ИНТЕРЕСНЫЙ РАССКАЗЧИК

Как опытному следователю бывает достаточно находки мельчайших деталей, чтобы восстановить картину интересующих его событий, так и специалисту-гидрогеологу малейшие изменения в химическом составе воды могу сказать очень многое. Изучая выходы природных вод гидрогеолог выступает в роли своеобразного следователя, а обычная вода может превратиться в интереснейшего рассказчика. Химические анализы показали, что на сравнительно небольшой площади Узонского термального поля наблюдаются широкие вариации химического состава вод. Здесь встречаются практически все типы вод, характерные для зон разгрузки современных гидротермальных систем. Причем, как в идеализированной схеме, на Узоне выходы разных типов термальных вод подчиняются четкой горизонтальной зональности. Наиболее высокотемпературные, кипящие, воды имеют существенно хлоридно-натриевый состав и выходят в осевой зоне термоаномалии. Здесь же по геологическим данным фиксируется зона молодых разрывных тектонических нарушений.

Хлоридно-натриевые воды имеют максимально высокую для Узонской системы общую минерализацию и наибольшую концентрацию таких компонентов, как хлор, бор, мышьяк, сурьма, ртуть, кремнезем (источник Центральный). По море удаления от осевой зоны разгрузки к периферии наблюдается снижение температуры термальных вод и понижение в них концентрации перечисленных выше компонентов. Так, термальная вода озера Банного относится уже к сульфатному типу. В ней отмечается совершенно иной набор компонентов. Крайний член химической дифференциации термальных вод — сульфатно-гидрокарбонатный тип растворов, примером которого является узонский нарзан. Зональное распределение химических компонентов в узонских растворах указывает, вероятно, на генетическую общность последних. А чем объясняется такая четко выраженная концентрическая ж зональность гидрохимических типов термальных вод?

Геофизические и геологические данные свидетельствуют о том, что зона тектонических нарушений имеет здесь крутое падение, и движение гидротерм к поверхности осуществляется по вертикальным или близким к ним каналам (рис. 5). По-видимому, Узон является примером пространственного совмещения в плане очага генерации (зарождения) и зоны разгрузки парогидротерм.

Рис. 5. Схематический гидрогеологический профиль Узокской гидротермальной системы

1 — щелочно-сульфидные, хлоридно-натриевые кипящие растворы с мышьяково-сурьмяно-ртутной специализацией; 2 — хлоридно-сульфатно-натриевые растворы; 3 — сульфатно-хлоридно-бикарбонатно-натриевые растворы; 4 — пресные инфильтрационные холодные воды; 5 — изотермы; 6 —разломы, 7 — пути миграции холодных вод; 8 — пути миграции глубинных гидротерм. I–IV — зоны гидрохимических типов термальных вод

Но какие же причины привели к возникновению разных типов вод на столь ограниченном пространстве? По мнению гидрогеолога Г. Ф. Пилипенко, детально изучавшей гидрохимию Узонских терм, ими являются следующие:

1) подземное вскипание глубинных гидротерм в зоне очага разгрузки, сопровождающееся их дегазацией;

2) разбавление глубинных гидротерм инфильтрационными поверхностными и конденсатными водами, что сказывается в закономерном убывании общей минерализации, температуры и концентрации характерных компонентов от центра очага разгрузки к его периферии;

3) накопление естественных конденсатов парогазовых струй в бессточных водоемах, вследствие чего образуются типичные кислые сульфатные воды.

Увеличение содержания сульфат-иона в термальных водах сульфатного типа по сравнению с хлоридно-натриевым связано с процессом окисления сероводорода и самородной серы, отлагающейся вокруг парогазовых выходов (фото 23). Здесь возникает еще один вопрос. Чем объясняется кислая реакция некоторых термальных озер, например Фумарольного (pH 2–3) и многих средне- и низкотемпературных бессточных грифонов, если по основным компонентам они не отличаются от близнейтральных хлоридно-натриевых вод?

Здесь можно представить ситуацию следующим образом. Как видно из таблиц химического состава термальных вод (и газов), для всех типов терм характерна обогащенность аммонием, бором, сероводородом, метаном, мышьяком, углекислотой. Именно наличие в растворах аммиака, сероводорода и метана служит указанием на высокую восстановительность среды. При фильтрации растворов к поверхности в результате их взаимодействия с вмещающими породами и смешения с поверхностными водами, обогащенными кислородом, происходит самопроизвольный рост Eh. Подобный рост окислительно-восстановительного потенциала играет большую роль в инверсии щелочно-кислотных свойств гидротермальной системы, ибо окисление таких восстановителей исходных растворов, как сульфидная сера, метан, аммиак, способствует появлению ангидридов сильных кислот, которые на общем фоне снижения температуры приводят к заметному раскислению растворов.

Замечено, что пробы воды, отобранные из одних и тех же источников в разное время, различаются по содержанию отдельных компонентов. Чем это вызвано? Вопрос трудный. Наиболее естественно предположить, что гидротермальный процесс является динамичным, меняющимся во времени и в пространстве. Следовательно, как на глубине, в зоне зарождения растворов, так и в приповерхностных горизонтах с течением времени и под воздействием различных причин (тектонических подвижек, отложения минеральных солей, изменения глубины парообразования окислительно-восстановительной обстановки и т. д.) происходит нарушение фазовых равновесий и изменение режима температуры и химического состава растворов. Правильно разобраться во всем этом помогут круглогодичные режимные наблюдения на термальных долях.

МЕТАЛЛЫ В ГОРЯЧИХ ВОДАХ

Термальные растворы Узона выносят на поверхность от 0,5 до 4,5. г/л солей. Среди них имеются и рудные компоненты.

Чтобы установить происхождение рудных компонентов в термальных водах, важно проследить вариации содержания специфических элементов-индикаторов в вертикальном профиле гидротермальной системы. Мы сделали это для мышьяка, сурьмы, меди, цинка и стронция. Было проанализировано 54 выхода термальных вод, в том числе девять скважин глубиной от 2 до 17 м, термальные озера глубиной от первых метров до нескольких десятков метров и разноглубинные проточные и бессточные термальные источники.

Мышьяк. Наличие мышьяка в анализированных источниках варьирует от 0,1 до 8 мг/л. Основная масса мелких термальных источников содержит мышьяк в пределах 0,2–1,7 мг/л. Небольшое количество мышьяка отмечено и в мелких термальных озерах. В то же время в интервале глубин выхода термальных вод от 0,5 до 17 м и глубже все воды с максимально высоким содержанием мышьяка оказались хлоридно-натриевого состава. Однако в мелких источниках с сульфатным составом растворов также встречаются повышенные содержания мышьяка Характерно, что именно к интервалу 0–0,5 м приурочена рудная зона с наиболее высоким содержанием сульфидов мышьяка (см. рис. 4). По-видимому, мелкие источники с сульфатным составом растворов обогащаются мышьяком за счет растворения ранее образованных минеральных осадков. В пользу этого предположения говорят и факты падения содержания мышьяка в источниках, где в силу каких-то причин изменились температура, pH и Eh растворов. В этих случаях растворение минерального осадка сменяется кристаллизацией сульфидов.

Вариации содержания мышьяка в одних и тех же источниках во времени хорошо прослеживаются согласно данным режимных наблюдений на экспериментальной площадке Центрального участка Восточного термального поля. Здесь были установлены дренажные трубки из нержавеющей стали на глубины развития аурипигмента (0,3 м), реальгара (0,8 м) и в подстилающие слои (1,5 м и 2 м). С 1976 г. из этих горизонтов были отобраны растворы через проточную автоклавную систему с параллельным замером t, pH, Eh и концентрации сероводорода. Согласно наблюдениям, как общесолевой состав так и остальные параметры растворов на одних и тех же уровнях отбора проб испытывают вполне закономерные вариации, что отражается и на содержании в ни рудных компонентов. Несмотря на имеющиеся флуктуации содержания мышьяка в пределах одной зоны и разные периоды наблюдений, для каждого периода отмечается заметное увеличение его с глубиной. Особенно хорошо это прослежено в июне 1978 г. Возможно, высокие содержания мышьяка в верхнем, аурипигментном горизонте в мае 1976 г. объясняются разложением сульфидов мышьяка. Визуально это подмечено в июне 1978 г в бессточном источнике, где ранее отлагался желтки аурипигмент. В период отбора пробы минеральный осадок имел уже зеленый цвет (скородит) и содержание мышьяка в растворе достигло 15 мг/л.

Сурьма. Для сурьмы наблюдается несколько иная картина. Ее содержание практически во всех типах растворов (за исключением углекислых) находится в пределах 0,005– 0,01 мг/л. Не обнаружено и определенной зависимости содержания сурьмы ни от t, pH, Eh растворов, ни от глубины источников. Тем не менее в ряде крупных источников глубиной от 0,4 до 1,25 м с преимущественно хлоридно-натриевым составом растворов отмечены аномально-высокие содержания сурьмы, достигающие 0,07– 0,09 мг/л. Практически к этому же интервалу глубины (0,6–0,8 м) приурочен и горизонт с тонкоигольчатым антимонитом в порах гравелитов. Довольно высокие содержания сурьмы обнаружились и во всех пробах растворов из рудных горизонтов.

Медь. Содержания меди в термальных источниках Угона очень невелики и варьируют главным образом в пределах 0,008–0,01 мг/л. В единичных источниках, имеющих, как правило, глубокий уровень вскрытия, наблюдаются несколько более высокие содержания, достигающие 0,04–0,05 мг/л.

В пробах растворов, отобранных через дренажные трубки из рудных и подрудных горизонтов, содержания меди также варьируют. Причем нет какой-либо четкой зависимости ни от глубины водоносного горизонта, ни от температуры, ни от содержания хлора в растворе. Такая закономерность наблюдается и по всем термальным источникам. Тем не менее в разрезе термального поля, в интервалах 0,1–0,8 м и 3–4,5 м (скв. К–4, Р–2) встречены зоны, сравнительно обогащенные медью (0,012–0,025 вес.%). Отмечено обогащение медью новообразованного пирита (0,004 вес. %) и самородной горошковой серы (0,0015 вес.%). В рудных горизонтах, а также в осадках на дно Фумарольного озера встречены медные минералы: борнит и ковеллин.

Цинк. Для термальных источников Узона характерны довольно высокие содержания цинка (от 0,03 до 0,45 мг/л), оптимальные лежат в пределах 0,05– 0,10 мг/л. Так же как и для меди, для цинка не обнаружено четких корреляций с содержанием хлора в воде. В разрезе термального поля, в аргиллизированных породах и рудных горизонтах, содержания цинка варьируют от 0 до 0,015 вес.%, причем наблюдаются интервалы обогащения на глубинах 0,1–3,5 м; 5,5–7,5 м и 9–16 м.

Стронций. Этот элемент является обычным для всех термальных источников Камчатки. В гидротермах Узона он содержится повсеместно на уровне от 0,02 до 0,45 мг/л. Для стронция отмечается довольно четкая корреляция с хлором. Максимальные содержания стронция зафиксированы в высокотемпературных хлоридно-натриевых термах. В аргиллизированных породах и в рудных горизонтах по всему разрезу термального поля наблюдаются содержания стронция от 0,01 до 0,06 вес. %. В пробе раствора, отобранной из шурфа скважины Р–2 17 мая 1975 г. (t=80,5 °C, рН=6,75; Eh-40 mb; Cl — 1710 мг/л, общая минерализация — 3,0 г/л), атомно-абсорбционным методом определено 0,32 мг/л стронция. По данным определения изотопов стронция в этой пробе отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0,7046. По заключению Е. В. Пипнекера, очень низкое содержание ⁸⁷Sr указывает достаточно однозначно на мантийное происхождение стронция в термальных водах Узона.

ГАЗОВОЕ ДЫХАНИЕ НЕДР УЗОНА

По расчетам И. Г. Бескровного, изучавшего газы Узона в связи с проблемой нефтеобразования, за год с термальных участков выделяется порядка 10 млн. т парогазовой смеси. В составе спонтанных газов преобладает углекислый газ. Кроме него, в значительных количествах выносятся сероводород, метан, водород, азот и др. В высокотемпературных источниках обнаружено спонтанное выделение тяжелых углеводородов (табл. 1). Согласно многочисленным анализам, за год только метана выносится на поверхность около 600 тыс. м³. За время существования гидротермальной системы, которое оценивается в 10 тыс. лет, в атмосферу улетучилось 6 млрд, м³ горючего газа. Это сопоставимо с запасами среднего месторождения газа.

Каков источник газов Узонского термального поля? Частично ответить на этот вопрос может изотопный анализ элементов. Так, углерод в составе углекислого газа, отобранного с источника «Центральный», обогащен изотопом ¹³С (δ¹³С — 0,3‰), что характерно для глубинных поступлений (в алмазе δ¹³С — 0,65‰). Но вызывает сомнения и глубинное происхождение водорода в спонтанных газах. Об этом говорят и данные по пониженному (в сравнении с поверхностными водами) содержанию дейтерия в конденсатных водах слабоминерализованпых источников. Полное отсутствие в узонской нефти изотопа ¹⁴С, характерного для нефти биогенного происхождения, также свидетельствует, скорее всего, о глубинном притоке углеводородов. Интересные данные получены по содержанию в термальных водах радона. Оказалось, что изолинии высоких концентраций радона хорошо соответствуют высоким изотермам. Кроме того, они оконтуривают участки пересечения основного субширотного разлома с трещинной зоной северо-восточного простирания. Повышенные концентрации радона (от 1,5×10^-7 Ки/л) отмечаются в зоне разгрузки высокотемпературных хлоридно-натриевых вод. По мере удаления от центра очага разгрузки к его периферии наблюдается понижение содержания радона в спонтанных газах источников, т. е. опять-таки намечаются каналы, по которым осуществляется перенос с глубины и растворов, и газов. Как указывает Л. М. Чирков, проводивший на Узоне радоновую съемку, радон в силу своей химической инертности и неспособности накапливаться в водах бессточных грифонов (период его полураспада равен 3,825 дня) является самым объективным показателем наличия в местах его скоплений термовыводящих каналов. Здесь уместен вопрос о глубине и источнике поступления радона. Он непосредственно связан и с происхождением самих термальных вод, и их солевого состава. Большинство исследователей связывают формирование гидротермальных систем с активным поступлением мантийного, т. е. эндогенного, флюида в верхние зоны земной коры. С этим флюидом, вероятно, привносятся уран и радий, которые на каком-то уровне глубинности выпадают из дальнейшей транспортировки и накапливаются в недрах гидротермальной системы. До самой поверхности эти элементы практически не доходят (в воде источников Центрального и Бурлящего определено лишь 10^-12 г/л радия). По мнению А. М. Чиркова, интенсивная миграция радона (как продукта альфа-распада радия) к поверхности Земли связана с передвижением вторичного пара, возникающего при вскипании на глубине высокотермальных вод. Скорость движения парогазовой смеси к поверхности превосходит скорость движения растворов. Это позволяет при относительно короткой жизни радона установить истинное его содержание в поверхностных высокотемпературных растворах. Не исключено, что чисто газовые эманации пронизывают гидротермальную систему, поднимаясь с большой скоростью непосредственно с подкоровых глубин.

КОГДА ПОЯВИЛИСЬ ГОРЯЧИЕ ИСТОЧНИКИ УЗОНА?

Этот вопрос интересует многих исследователей. О возрасте геологических объектов обычно судят или по датированной окаменелой фауне и флоре, содержащихся породах (палеонтологический и флористический методы), или по аналогии с толщами определенных слоев, имеющих характерный комплекс признаков, возраст которых установлен косвенными методами сопоставления, или, наконец, по продуктам распада радиоактивных компонентов (изотопный анализ) в породах. Для каждого из этих методов имеется свой порядок точности. Так, например, изотопный анализ дает наиболее надежные данные о возрасте древних пород. Палеонтологический и флористический методы анализа точны, по требуют хорошей сохранности ископаемых видов. К тому же ископаемая флора и фауна обычно приурочена к осадочным породам, накопление которых происходило в водных или наземных условиях при низких температурах и давлении. Изверженные породы, прошедшие огненное горнило, в большинстве случаев стерильно чисты (в них нет остатков живых организмов). Про такие толщи пород геологи обычно говорят, что они «немые». Они-то и преобладают в Узон-Гейзерной структуре; правда, в геологическом разрезе имеются и осадочные породы — озерные отложения пеплово-пемзовых туфов. Конечно, здесь нет характерной для бывших морских бассейнов окаменелой фауны, но все же озерные отложения формировались в водной среде при нормальных температуре и давлении. В данных условиях существовали какие-то формы растительности, отражающие специфические климатические черты своего времени. А это уже может быть достаточно надежным ключом к расшифровке возраста толщи. И такие «свидетели» геологических событий нашлись в озерных пеплово-пемзовых туфах Узона. Специалистами были обнаружены споры и пыльца, анализ которых показал, что в период осадконакопления в этом районе произрастали открытые тундровые, болотные и луговые травянисто-кустарниковые ассоциации с отдельными участками кустарников. Лесные ассоциации фактически не обнаружены, что позволило предположить существование в то время холодных климатических условий, характерных для предледниковых эпох.

Близкие значения дает и анализ пресноводных форм ископаемых водорослей. Так, было установлено, что формирование пеплово-пемзовых туфов третьего Узонского озера происходило в эпоху похолодания конца межледниковья — начала верхнеплейстоценового оледенения (Q₃^2–3), т. е. 38–70 тыс. лет назад. Следовательно, в это время кальдера уже существовала, однако термальных источников, по-видимому, еще не было, так как в противном случае какие-то формы термофильных водорослей наверняка захоронились бы в озерной толще.

Когда же появились горячие источники и какие события способствовали этому?

В первой главе мы уже показали, что в конце верхнего плейстоцена и вплоть до голоцена (10 тыс. лет назад) в районе Узон-Гейзерной депрессии происходили интенсивные внедрения экструзий кислого состава. В кальдере Узон в это время сформировалась экструзия горы Белой. Весь район испытал колоссальные тектонические движения. Возникли новые тектонические разломы. По одному из них заложилось русло реки Шумной, спустившей Узонское озеро. Вот с этим-то этапом проявления кислого вулканизма и тектонических движений геологи и связывают возникновение гидротермальной деятельности в описываемом районе.

Таким образом, несмотря на то что как геологическая структура кальдера Узон возникла порядка 100 тыс. лет назад, началом проявления гидротермальной системы в ней следует считать лишь период завершения кислого вулканизма, т. е. возраст горячих источников и гейзеров может быть не более 10–30 тыс. лет. Об их «молодости» говорят также следующие факты. Вышеупомянутые кислые экструзии, слагающие сопку Озерную, гору Белую и др., имеют как бы сглаженные склоны, уплощенные вершины — рельеф, характерный для ледниковых образований. Есть представление, что эти экструзии прорвались в конце верхнеплейстоценового оледенения, возможно даже имели место подледные излияния. На бортах Узонской кальдеры также хорошо заметны типичные ледниковые кары — углубления в виде ниш, прорезанные в склоне горы ледником. В низине, на север и запад от озера Центрального, отчетливо видны однообразно ориентированные гряды низких холмов с пологой северной и крутой южной сторонами. Это также обработанные ледником останцы более плотных агломератовых туфов, отложившихся в озерном бассейне. Более рыхлые озерные отложения были выпаханы льдом. Их многочисленные валуны сейчас встречаются на юго-западном берегу озера Центрального. Но эти обломки не имеют следов воздействия горячих растворов. Также не обнаружено и характерных следов гидротермальной проработки в отложениях пеплово-пемзовых туфов, прорванных кислой экструзией горы Белой. Только в обнажениях по первому левому притоку реки Шумной встречаются маломощные зоны плотных окварцованных среднезернистых туфов, окварцевание которых связывается с кратковременным воздействием на породы растворов с высоким содержанием кремнезема. Предполагается, что внедрение экструзии Белой могло происходить непосредственно в озерный бассейн. Породы экструзии Белой интенсивно изменены в процессе газо-гидротермального воздействия на них высокотемпературных фумарол.

Эти факты позволяют говорить о том, что собственно гидротермальная система, аналогичная современной, с современным составом термальных вод, проявилась в кальдере Узон по ранее конца ледникового периода, т. е. 10–30 тыс. лет назад.

МНОГО ЛИ ТЕПЛА В КАЛЬДЕРЕ

На закате или рано утром, когда воздух еще не прогрет, Узонское термальное поле представляет собой особенно красочное зрелище: от крупных грифонов высоко вздымаются плотные столбы пара, а вблизи поверхности, как подлесок, тянутся кверху тысячи мелких струек (фото 24). Парит и вся термальная площадка на протяжении до 1,5 км. Сколько тепла уходит в воздух! По расчетам ученых, основанных на реальных замерах теплоотдачи с различных поверхностей источников и грунта, суммарный вынос тепла Узонской тепловой системой составляет порядка 70 тыс. ккал/с.

Как видно из табл. 2, основная часть тепла (более 80 %) на Узоне выносится через поверхность крупных и мелких термальных водоемов. Вынос тепла термальными ручьями составляет всего порядка 10 %. Суммарный расход воды с термальных полей, включающий сток и испарение, — 170 кг/с. Здесь не мог быть учтен вынос тепла К скрытым, подземным стоком. В то ясе время в трещиноватых породах по величине он может быть равен поверхностному стоку. Поэтому приводимую в таблице величину суммарного выноса тепла (64 тыс. ккал/с), по-видимому, нужно считать нижним пределом тепловой мощности.

По представлениям гидрогеолога В. В. Аверьева и теплофизика Г. Н. Ковалева Узон является одной из крупнейших гидротермальных систем на Камчатке, а вместе о расположенной рядом Долиной Гейзеров — самой крупной на Камчатке и одной из самых мощных в мире. Для сравнения можно привести Паужетскую гидротермальную систему на юго-западе Камчатки, где при выносе тепла в два раза меньшем, чем на Узоне, перегретого пара хватает для работы электростанции мощностью 10 тыс. квт. В перспективе — строительство станции на 25 тыс. квт. Такие гидротермальные системы, как Узонская и Паужетская, давно уже используются. На подаем ном тепле сейчас работают несколько десятков геотермальных электростанций, вырабатывающих более 6 млрд. квт/ч электроэнергии в год. Причем электроэнергия, вырабатываемая за счет подземного тепла. Земли, является самой дешевой из существующих энергоисточников. Интересно отметить, что запасы вод в гидротермальных системах практически неисчерпаемы. Возраст таких систем, как правило, не менее 10 тыс. лет, а есть Системы, действующие миллионы лет, и все это время на поверхность изливались горячие воды, выбрасывалась в воздух колоссальная энергия.

МОДЕЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ РУДЫ

Материалы, полученные при изучении переноса рудных компонентов, особенностей разгрузки минеральных источников и характера отложения сульфидов мышьяка и сурьмы на Узонском термальном поле, позволяют построить пока еще приближенную модель сульфидной рудообразующей системы. Прежде всего мы принимаем два положения, необходимые для наших построений: 1) гидротермальпые растворы на глубине, в зоне транспортировки рудного вещества, имеют щелочную реакцию;

2) сероводород и продукты его диссоциации имеют глубинное происхождение и переносятся по общим с гидротермами путям фильтрации. Оба положения находят на Узоне подтверждение. Первое — реальными замерами pH в зонах выхода наиболее высокотемпературных хлоридио-натриевых растворов с высоким содержанием мышьяка и сурьмы; второе — наблюдениями за спецификой отложения сульфидов железа, меди и мышьяка в разрезе термального поля. Так, по ручным скважинам отмечается сквозное развитие пирита от поверхности до глубины 17 м (максимальная глубина скважины). Но в то же время глубже 2,5 м встречается ассоциация пирита с пирротином, с отчетливыми следами замещения последнего пиритом. Повсеместно с уменьшением глубины наблюдается смена реальгара аурипигментом. А в глубоких горизонтах разреза Фумарольного озера обнаружен парагенезис высокосернистого сульфида — ковеллина с пиритом. Таким образом, сульфиды развиты в профиле минералообразования сверху донизу, но с падением температуры преобладают более высокосернистые соединения, что свидетельствует о контроле сульфидообразования растворимостью и степенью диссоциации сероводорода, поступающего совместно с растворами из глубины. Несомненно глубинное происхождение сероводорода, занимающего до 5,5 объемн. % в газовых струях источников, где он находится с углекислым газом. И. А. Меняйлов отмечает обогащение СО₂ изотопом ¹³С, что свидетельствует об эндогенном происхождении газа. Наличие самородной серы практически во всех минерализованных зонах указывает на то, что окисление глубинных щелочных сульфидсодержащих гидротерм в зоне смешения с поверхностными водами является основным процессом, приводящим к инверсии ряда термодинамических параметров рудообразующей системы. Железо для кристаллизации пирита не привносится раствором, а заимствуется из боковых пород. Об этом говорят как ничтожно малые содержания железа в растворах, широко наблюдаемые псевдоморфозы пирита по магнетиту и титаномагнетиту, так и почти полное отсутствие сульфидов железа в разрезе маложелезистых алевропелитовых и пеплово-пемзовых туфов на Фумарольном озере. Здесь по трещинкам в туфах обильно отлагаются агрегатные образования аурипигмента, реальгара, ковеллина, борнита, изредка встречаются гнезда тонкоигольчатого антимонита, по чрезвычайно редко — мелкие кристаллики иприта. Снижение активности комплексов и выпадение сульфидов металлов обусловлено несколькими причинами. Общим фактором, приводящим к нарушению равновесия, является снижение щелочности и повышение окислительно-восстановительного потенциала системы. Эти процессы могут происходить:

вследствие окисления сульфидной серы в сульфатную при возрастании парциального давления кислорода (и под действием тионовых бактерий);

в результате встречи и обменных реакций с поровыми сульфатными растворами;

при смешении с поверхностными метеорными водами, имеющими, в связи с высокой насыщенностью атомарным кислородом, высокий окислительно-восстановительный потенциал.

В общем случае, чем выше контрастность (по pH и Eh) рудоносных растворов и среды в зоне осадкообразования, тем интенсивнее идет процесс образования сульфидов. На Узоне такая обстановка существует у зеркала грунтовых вод и непосредственно на поверхности термального поля, т. е. фактически вся зона аэрации и самая верхняя часть горизонта грунтовых вод представляет собой своеобразный гидрогеохимический барьер для глубинных рудообразующих растворов. Именно к этой зоне мощностью не более 0,6 м приурочено массивное реальгар-аурипигментное оруденение с антимонитом. Характерно, что в глубоких термальных источниках, выходящих в пониженных участках термального поля, как и в термальных озерах хлоридно-натриевого состава, сульфиды мышьяка выстилают стенки грифонов и осаждаются на дне. В то же время щелочные источники, изолированные от грунтовых вод каналами (например, окремнелые стволы гейзеров и пульсирующих источников), всегда чистые и свободны от сульфидов мышьяка. И лишь в зоне растока раствора, т. е. при смешении глубинных и поверхностных, окисленных, вод наблюдается образование аурипигмента или скородита.

Следует заметить, что осадок сульфидов остается на место образования лишь в том случае, если смешение произошло в спокойной обстановке, скажем, на илистом дне озера, грифона или в самом приповерхностном горизонте. При встрече же с крупным водотоком, как и на поверхности, подверженной смыву, минеральные осадки по накапливаются, а уносятся водными потоками. Происходит рассеивание рудного вещества. В связи с этим для накопления рудного вещества, по нашему мнению, наиболее благоприятны зоны сравнительно рыхлых или обильно трещиноватых пород, находящихся на уровне грунтовых вод; крупные плоскодонные впадины с многочисленными выходами термальных растворов и водами поверхностного формирования. Необходимым условием накопления мощного рудоносного горизонта с ясно выраженной горизонтальной слоистостью является параллельное с образованием осадков захоронение рудного вещества мелкообломочным терригенным материалом.

УЗОН — ПОЛИГОН ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ АЭРОСЪЕМКИ

Когда специалисты-геотермики пришли к выводу, что горячие воды являются своеобразным полезным ископаемым, к тому же представляющим интерес с энергетических позиций, встал вопрос о разработке быстрого и эффективного метода поисков перспективных геотермальных площадей.

Выявление мощных подземных ресурсов горячих вод традиционными наземными методами геологических поисков — чрезвычайно трудоемкий и длительный процесс. Представьте себе, сколько километров должны исходить геологи, чтобы обнаружить иногда неприметные, прячущиеся в зарослях трав или в болотах, горячие источники. Нередко выходы горячих вод приурочены к речным долинам, а иногда и вообще скрыты в руслах рек и ручьев. Нужно постоянно измерять температуру встречающихся водотоков, чтобы отыскать тепловую аномалию. Однако источники горячих вод не всегда указывают на месторождение кипятка. Чтобы выявить истинную ценность и запасы этого полезного ископаемого, нужны кропотливые гидрохимические и геотермические исследования. Как правило, эти работы начинаются составлением на базе геодезической съемки детальной термометрической карты. Это очень тяжелый труд — ведь в зависимости от поставленных задач необходимо сначала пробить или пробурить в земле по определенной сетке сотни шпуров глубиной до 1 м и в каждом измерить температуру. На выявленных таким способом перспективных участках затем бурятся глубокие скважины. Но успеха во всех случаях гарантировать нельзя — вода, в особенности горячая, очень подвижна и может далеко мигрировать от места своей концентрации. Нужны большие объемы разведочных работ, чтобы разобраться в геологической ситуации и оконтурить действительно перспективные участки. На все это уходит очень много времени. Например, первый этап разведки уже известного ученым Паужетского месторождения гидротерм для строительства геотермальной электростанции занял 8 лет. Попеки и разведка перспективных участков в Паужетском районе фактически продолжаются уже более 20 лет. На Узоне только для картирования выходов термальных объектов и составления термометрической карты традиционным методом наземной съемки понадобилось два года.

Конечно, такая скорость получения необходимой информации уже не удовлетворяет специалистов. И ученые нашли более эффективный способ картирования термальных районов. Им оказалась инфракрасная, или тепловая, аэросъемка. Действительно, ведь основным признаком геотермальных площадей является более высекая, чем в нормальных условиях, температура аномальных объектов.

Современная отечественная летная аппаратура в состоянии регистрировать тепловое излучение ландшафта в спектральных интервалах 1,8–5,3 и 7,5–14 мкм с высоты до нескольких километров. Таким образом, скорость обследования геотермальных площадей возрастает во много раз. Аппаратура для инфракрасной съемки может фиксировать температурные контрасты земной поверхности с точностью до десятых долей градуса. Причем наблюдается возможность хорошего сопоставления инфракрасной и аэрофотосъемок близкого масштаба.

В Советском Союзе первые испытательные работы с ПК-аппаратурой на термальных объектах были проведены в 1967 г. И первым опытным полигоном гидротермальной системы стала кальдера Узон. Она оказалась наиболее удобным объектом как в силу уникально концентрированного выхода термальных вод, так и в связи с большим разнообразием типов термопроявлений, идентифицировать которые предполагалось с помощью нового метода. Инфракрасная аэросъемка на Узоне проводилась в сентябре с высоты 600–800 м. Были получены ИК-изображения ландшафта местности в масштабе 1:18 000. Одновременно выполнялась стандартная аэрофотосъемка того же масштаба для совместного дешифрирования. Ужо первые результаты оказались поразительными. Обнаружилось большое контурное сходство обоих полученных планов. В то же время на инфракрасном плане отчетливо выделились группы изображений изо-метричной и неправильной формы, отличающиеся степенью яркости. Детальное дешифрирование позволило руководителю работ Н. А. Гусеву и его сотрудникам уверенно выделить по степени яркости изображения и его конфигурации шесть типов термопроявлений: 1) гейзеры и фумаролы, 2) горячие и теплые источники, 3) теплые речки, 4) глиняные вулканчики и грязевые котлы, 5) тепловые озера. 6) термальные площадки, не имеющие видимых выходов горячих или теплых вод.

Первый тип имеет самую высокую яркостную характеристику, отражающую высокую температуру (около 100 °C и выше) на выходе гейзеров и газопаровых струй. В зависимости от температуры горячие и теплые источники имеют широкий спектр яркости, но дешифрирование их облегчается специфической конфигурацией таких объектов. Они всегда имеют удлиненную форму, хорошо повторяющую русло потока. Обычно значительную протяженность и ширину аномалий имеют и теплые речки. Заметим, что на аэрофотоснимках теплые речки не отличаются от холодных. Поэтому при поисках термальных площадей ИК-съемка становится единственным методом, позволяющим определить аномальные по температуре водотоки, даже если их температура отличается от фоновой всего на первые градусы.

В виде отдельных точек или группы их высокой яркости дешифрируются глиняные вулканчики и грязевые котлы, имеющие сравнительно небольшие размеры, но высокую температуру. Наиболее просто дешифрируемыми объектами оказались теплые озера. Благодаря своим значительным размерам и объему теплой воды на инфракрасных снимках они выделяются площадными аномалиями яркости. Кстати, благодаря инфракрасной съемке в термальных озерах удалось выявить зоны притоков высокотемпературных терм, находящихся под водой. В этих случаях на более или менее однородном по яркости фоне выходы термальных вод из-за повышенной температуры фиксируются четкими, более яркими точками. По серии точечных выходов, расположенных на одной линии, появилась возможность выявлять зоны мелких тектонических нарушений. Общая ориентировка выходов термальных объектов позволяет судить о более крупных структурно-тектонических элементах геотермальных месторождений.

Несколько хуже дешифрируются термальные площадки, не имеющие открытых выходов термальных источников. Тем не менее по ряду косвенных признаков (обильное развитие растительности на более теплых почвах, более резкий контраст яркости с фоном на дневных и ночных снимках) и эти объекты поддаются дешифрированию. Главным положительным качеством инфракрасной съемки является возможность практически мгновенно получить тепловую карту поверхности и исключительно быстро добыть важную информацию о выборе оптимальных объектов для постановки более детальных исследований.

Как видим, Узонский полигон оправдал прогнозы последователей, и методические разработки, проведенные на его термальных объектах, будут широко использоваться в геологоразведочных работах.