Влияние сольфатарно-гидротермальной деятельности вулканов на компоненты ландшафтов (влк. Менделеева, о-в Кунашир, Курильские острова)

Вестник ДВО РАН. 2008. № 1

Р.В.ЖАРКОВ, Т.М.ПОБЕРЕЖНАЯ

Влияние сольфатарно-гидротермальной деятельности вулканов на компоненты ландшафтов

На примере влк. Менделеева предложена типизация ландшафтов в зависимости от состава термальных источников. Показаны характер и степень их влияния на различные компоненты ландшафтов.

Effect of solphataric hydrothermal activity of volcanoes on landscapes (taking Mendeleev volcano, Kunashir Island, Kuril Islands as an example). R.V.ZHARKOV, T.M.POBEREZHNAYA (Institute of Marine Geology and Geophisics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

Landscape typification depending on composition of thermal springs is suggested taking Mendeleev Volcano as an example. Nature and degree of their influence on different landscape components are shown.

Влк. Менделеева расположен в центральной части о-ва Кунашир (Курильские острова) (рис. 1). Этот стратовулкан прошел длительную и очень сложную историю развития, о чем свидетельствуют три последовательно сформировавшихся вулканических конуса, впоследствии разрушенных в результате эксплозивных извержений с образованием

Рис. 1. Схема сольфатарных полей и термопроявлений влк. Менделеева

ЖАРКОВ Рафаэль Владимирович, ПОБЕРЕЖНАЯ Татьяна Михайловна - кандидат геолого-минералогических наук (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск).

кальдерно-кратерных депрессий диаметром 6-9, 3-3,5 и 1 км. Примерно 2,5 тыс. л.н. в последней кальдерно-кратерной депрессии начался рост андезидацитового экструзивного купола. Следующим этапом в развитии вулкана стало образование воронок взрыва по кольцевым разломам на периферии экструзивного купола, представляющих в настоящее время потухшие и действующие сольфатарные поля [1]. Сольфатарные поля - это участки склонов вулканов с выходами нагретых парогазовых струй, состоящих преимущественно из углекислого и серосодержащих газов.

На Курильских островах влк. Менделеева наиболее изучен и служит классическим примером зональности гидрохимических типов термальных вод. Все выявленные на вулкане закономерности по геохимии гидротерм и их влиянию на ландшафты применимы для других вулканов Курил. Значительный вклад в изучение сольфатарно-гидротермаль-ной активности вулкана внесли С.С.Сидоров, В.М.Дуничев, Е.К.Мархинин. ДССтратула, А.В.Рыбин, О.В.Чудаев, В.А.Чудаева, ГА.Челноков [1, 2, 8, 10-12, 14, 15] и многие другие. Однако большей частью изучалось влияние деятельности вулкана на растительность в райнах сольфатарных полей и термальных источников [7].

Авторы изучают гидротермальные и сольфатарные выходы влк. Менделеева с 2002 г. [1, 4, 6, 16]. С 2006 г. на вулкане проводятся ландшафтно-геохимические исследования, которые позволяют выявлять особенности распределения химических элементов в ландшафтах с различными гидрохимическими типами термальных вод [5, 9].

Выходы сольфатарных газов и термальных вод сосредоточены в настоящее время на четырех сольфатарных полях вулкана: Юго-Восточном (ЮВСП), Восточном (ВСП), СевероВосточном (СВСП), Северо-Западном (СЗСП). В долинах ручьев и на побережье расположены группы термальных источников различного химического состава. В целом по составу термальных источников на влк. Менделеева можно выделить четыре типа ландшафтов: соль-фатарных полей и верховьев ручьев, долин средних течений ручьев, долин нижних течений ручьев, побережья.

Ландшафты сольфатарных полей и верховьев ручьев, образованные на месте воронок взрывов, возраст заложения которых оценивается в 1,5—2,1 тыс. лет, являются наиболее молодыми на влк. Менделеева [1]. Здесь выходят нагретые до 100°С сольфатарные газы и кислые, сульфатные натриево-кальциево-магниевые гидротермы с повышенным содержанием А13+, Бе2+, Н+ и минерализацией до 1 г/л.

Сольфатарные газы и кислые термальные воды оказывают значительное влияние на формирование и изменение всех компонентов ландшафта: рельеф, подземные воды, ко -ренные породы, поверхностные водотоки, почвы, растительность. Сольфатарные поля образовались в результате гидротермально-фреатических взрывов, на месте которых остались воронки, впоследствии эродированные поверхностными водотоками. Современный микрорельеф сольфатарных полей постоянно меняется, так как гидротермально измененные породы подвержены сильной денудации: образуются или разрушаются постройки сольфатар, термальные источники и грязевые котлы.

Высокотемпературные сольфатарные газы, проходя через горизонт грунтовых вод, влияют на их гидрохимический облик, воды становятся нагретыми, кислыми, преимущественно сульфатного состава. Сольфатарные газы и кислые термальные воды, взаимодействуют с вмещающими вулканогенными породами, образуя опаловые, алунитовые, кварци-то-алунитовые породы. В свою очередь при взаимодействии с вмещающими породами кислые термальные воды извлекают из пород многие элементы, среди макрокомпонентов стоит отметить алюминий и железо, содержание которых в термальных водах источников достигает 47 и 77 мг/л соответственно. При выходе кислых сульфатных термальных вод на поверхность и смешивании их с пресными холодными водами ручьев происходит резкое изменение рН речной воды до 2,5-3 в районе выходов терм. Кислые сульфатные термы выносят значительное количество металлов (А1, Бе, Са, 2п, РЬ, Мп и др.), исчисляемое,

Рис. 2. Восточное сольфатарное поле. 2001 г. Фото А.В.Рыбина.

вероятно, десятками тонн за год [12], которые отлагаются в русле ручьев на совмещенном кислородно-сорбционном геохимическом барьере.

Из-за повышенной кислотности и мутности воды характерные для региона речные гидробионты не обитают в кислых ручьях, берущих начало с сольфатарных полей. В них можно встретить только микроорганизмы: тионовые бактерии, среди которых нередко развиваются диатомовые водоросли, зеленые бактерии рода Chlorobium, окисляющие сероводород до молекулярной серы [8].

Выходы газов и кислых термальных вод также влияют на геохимические особенности почв и растительности окружающих ландшафтов, рассмотренные нами на примере ВСП (рис. 2). Восходящие парогидротермы формируют окислительно-восстановительную зональность в приповерхностных горизонтах ландшафта, что можно визуально наблюдать по окрашиванию генетических горизонтов разреза гидроксидами железа. Глубоко измененные до пластичного состояния породы имеют характерный для восстановительной среды серый цвет. Это указывает на бескислородную обстановку в поступающих к поверхности термальных водах, способствующую выносу подвижного железа в двухвалентной форме и осветлению породы. Горизонты, залегающие на осветленной породе, интенсивно окрашены гидроксидами железа в охристый цвет. Господствующая в них окислительная обстановка создает условия для формирования кислородного геохимического барьера в приповерхностных горизонтах и приводит к осаждению гидроксидов железа. Вместе с железом на этом барьере относительно гидротермально измененной породы происходит накопление таких химических элементов, как медь, марганец, цинк, ванадий, олово, молибден (рис. 3). Измененная порода по сравнению с коренной значительно обеднена многими микроэлементами: кобальтом, молибденом, марганцем, цинком, свинцом, что говорит об их выщелачивании из пород в процессе метасоматоза.

В специфических ландшафтно-геохимических условиях сольфатарных полей на горячем субстрате повсеместно произрастает злак Miscanthus sinensis Anderss. По нашим данным, он аккумулирует в больших количествах As, Sr, P, La. Очевидно, этими элемен-

тами обогащены парогидротермы, подступающие к корневой системе растения. Кроме них в золе злака относительно подстилающего субстрата накапливаются Ag, 8п, В, Со, в меньшей степени - Мп, 2п, Си. Стоит отметить, что, в отличие от М15сапШиБ, древесные растения сольфатарных полей заметно угнетены, имеют некрозы на листьях и стеблях, а также некоторые анатомические отличия от аналогичных растений фоновых участков [3].

Таким образом, сольфатарные газы и кислые термы оказывают значительное влияние на все компоненты ландшафта сольфатар-ных полей и верховьев ручьев.

В пределах ландшафтов долин средних течений ручьев выходят кислые гидротермы хлоридно-сульфатного натриевого состава с минерализацией 2-4 г/л и температурой 55-92°С (нижняя группа источников руч. Кислый, источники руч. Докторский). Термы разгружаются в долинах ручьев, в узкой пойменной части или на первой речной террасе.

Термальные воды, попадая в пресные холодные воды ручьев, несколько изменяют их химический состав и увеличивают температуру на 20-30°С. Ультракислые термы источников приводят к уменьшению значений рН, что делает ручьи непригодными для жизни большинства гидробионтов. Из живых организмов в термальных источниках развиваются термофильные водоросли изумрудно-зеленого цвета [8].

В местах выходов гидротерм обнажаются обеленные или превращенные в ярко-красные глины породы, что также отражает существование окислительно-восстановительной зональности в ландшафтах этого типа. Из термальной воды на путях стока сульфат железа накапливается в виде плитчатого или натечного ярозита [8]. Как и в ручьях сольфатарных полей, здесь происходит отложение на совмещенном кислородно-сорбционном геохимическом барьере железа и других элементов, отчего русловые отложения имеют охристый цвет.

Под воздействием гидротермальных вод на этих участках формируются «карстовые» формы микрорельефа, которые проявляются в виде провальных воронок, как «Воронка Мефистофеля» Верхнедокторских источников. Продолжительная гидротермальная деятельность в долинах средних течений ручьев привела также к образованию небольших озерных котловин и котлов термальных источников.

По нашим данным, в целом кислые термы долин ручьев оказывают меньшее влияние на почву, микроклимат участков термопроявлений, растительность и животный мир, чем гидротермы сольфатарных полей.

В долинах нижних течений ручьев расположены выходы субнейтральных источников хлоридного и хлоридно-сульфатного натриевого состава с минерализацией до 2,9 г/л и температурой 30-70°С. К таким источникам относятся приустьевая группа источников руч. Кислый, источники ручьев Змеиный и Валентины. Малодебитные слабоминерализованные субнейтральные термальные выходы не оказывают существенного влияния на

Рис. 3. Распределение микроэлементов в некоторых компонентах ландшафта Восточного сольфатарного поля. ККм - кларк концентрации местный (отношение содержания МЭ в объекте к его содержанию в материнской горной породе); КРм - кларк рассеяния местный (отношение содержания МЭ в материнской горной породе к его содержанию в объекте); н.о. - не обнаружено

химический состав рек и ручьев, в руслах термальных источников наблюдаются нитевидные включения серы и отлагается кремнезем мощностью до нескольких сантиметров. В термальных водах ручейков развиваются термофильные водоросли от зеленого до буро-красного цвета. Термы источников мало влияют на видовой состав гидробионтов поверхностных водотоков. Химический состав и субнейтральная реакция термальных вод не становятся преградой для развития в ручьях фауны. Мы не раз наблюдали, как по впадающим в руч. Змеиный термальным водам Столбовских источников идет на нерест лосось, здесь также обнаружен полосатый дальневосточный бычок [13], приспособившийся к жизни в воде с температурой 20-24°С и устойчивый к кратковременному пребыванию в воде с температурой до 40°С. Выходы низкотемпературного пара на участке источников создают локальное потепление и увлажнение воздуха, что благоприятно для теплолюбивых растений. Нередко растения вплотную подходят к источникам, что приводит к повреждению листьев и молодых стеблей в виде температурных ожогов [3].

Ландшафтно-геохимические исследования на участке Столбовских термальных источников в долине Змеиного ручья показали, что здесь также наблюдается окислительно-восстановительная зональность и проявление кислородного геохимического барьера в приповерхностных горизонтах. В отличие от Восточного сольфатарного поля, на этом барьере происходит интенсивное отложение гидроксидов марганца. Содержание Мп достигает 10%. Вместе с марганцем на геохимическом барьере концентрируются серебро, мышьяк, барий, цинк, олово, медь. Одним из основных источников элементов в данном типе ландшафтов являются термальные воды, более обогащенные микроэлементами, чем кислые термы сольфатарных полей.

В ландшафтах побережий, в приливно-отливной зоне у м. Горячий, выходят субней-тральные, хлоридные натриевые термы с минерализацией до 15 г/л и температурой 50-80°С, являющиеся дериватами глубинных парогидротерм, используемых на Менделеевской ГеоТЭС. Эти термальные воды не оказывают значительного влияния на ландшафты скалистого бенча. Химический состав источников близок к составу морских вод, их минерализация значительно меньше и дебит незначительный, поэтому они не могут существенно влиять на окружающие ландшафты даже в местах выхода. При смешивании с большими объемами морской воды ни химический состав, ни температура этих термальных вод не оказывают влияния на морских гидробионтов.

Данные о гидрохимическом разнообразии термальных источников и первые результаты геохимических исследований специфических ландшафтов влк. Менделеева, формирующихся в местах выхода на поверхность термальных вод, позволяют сделать следующие выводы.

При анализе данных по термальным источникам влк. Менделеева выявляется определенная закономерность изменения химического состава термальных источников с удалением от экструзивного купола к подножию вулкана. На сольфатарных полях и в верховьях ручьев встречаются кислые, сульфатные натриево-кальциево-магниевые гидротермы. Ниже, в долинах ручьев, выходят кислые гидротермы хлоридно-сульфатного натриевого состава. У подножия вулкана расположены выходы субнейтральных, хлоридно-сульфатных и хло-ридных натриевых гидротерм.

Влк. Менделеева с его разнообразными гидрохимическими типами термальных вод, разгружающимися в пределах ландшафтов сольфатарных полей, долин ручьев, в прибрежной части, можно считать классическим примером для выявления общих закономерностей формирования и распространения термальных вод областей активного вулканизма и их влияния на окружающую среду.

Различные типы термальных вод по-разному оказывают влияние на ландшафты. По характеру и степени влияния термы условно можно разделить на три группы. Кислые сульфатные термы и сольфатары оказывают значительное влияние на все без исключения компоненты ландшафтов. Субнейтральные хлоридно-сульфатные натриевые термы

периферии вулкана в основном влияют на состав и свойства почв и в меньшей степени - на другие компоненты ландшафта, а в прибрежной зоне их влияние нивелируется при смешивании с близкой по составу морской водой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абдурахманов А. И., Разжигаева Н.Г., Рыбин А.В., Гурьянов В.Б., Жарков Р.В. Вулкан Менделеева - история и современное состояние (о. Кунашир, Курильские острова) // Взаимосвязь между тектоникой, сейсмичностью, магмообразованием и извержениями вулканов в вулканических дугах: материалы IV Междунар. совещ. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2004. С. 45-47.

2. Дуничев В.М. Вопросы генезиса гидротерм вулкана Менделеева на о. Кунашир (Курильские острова) // Гидротермальные минералообразующие растворы областей активного вулканизма. Новосибирск: Наука, 1974. С. 19-25.

3. Еремин В.М., Копанина А.В. Особенности анатомической структуры стебля Hydrangea paniculata в условиях гидротерм и сольфатар вулкана Менделеева (о-в Кунашир) // Проблемы и достижения в геологических и геофизических исследованиях в зоне Курильских островов и Хоккайдо: сильные землетрясения, цунами и извержения вулканов: тез. докл. Междунар. науч. симпоз. Южно-Курильск: ИМГиГ ДВО РАН, 2007. С. 46-49.

4. Жарков РВ. Геохимия термальных вод вулканов Менделеева и Руруй // Проблемы геологии и освоения недр: тр. VIII Междунар. симпоз. студентов и молодых ученых им. акад. М.А.Усова. Томск: ТПУ, 2004. С. 232-234.

5. Жарков РВ., Побережная Т.М. Ландшафтно-геохимические особенности термопроявлений вулкана Менделеева (о. Кунашир, Курильские о-ва) // Тез. докл. XIII научн. совещ. географов Сибири и Дальнего Востока. Иркутск: ИГ СО РАН, 2007. Т. 1. С. 137-139.

6. Жарков Р.В. Условия формирования термальных вод вулкана Менделеева (о. Кунашир, Курильские острова) // Изучение природных катастроф на Сахалине и Курильских островах: сб. материалов I (XIX) Междунар. конф. молодых ученых. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2007. С. 143-150.

7. Манько Ю.И., Сидельников А.Н. Влияние вулканизма на растительность. Владивосток: ДВО АН СССР, 1989. С. 83-107.

8. Мархинин Е.К., Стратула Д.С. Гидротермы Курильских островов. М.: Наука, 1977. 212 с.

9. Побережная Т.М. Влияние гидротермально-сольфатарной деятельности на геохимию элементов в зоне гипергенеза // Проблемы и достижения в геологических и геофизических исследованиях в зоне Курильских островов и Хоккайдо: сильные землетрясения, цунами и извержения вулканов: тез. докл. Междунар. науч. симпоз. Южно-Курильск: ИМГиГ ДВО РАН, 2007. С. 39-41.

10. Сидоров С.С. Месторождение термальной воды и пара Горячий Пляж (о. Кунашир) // Тр. СахКНИИ. 1962. Вып. 12. С. 166-175.

11. Чудаев О.В., Чудаева В.А. Основные черты геохимии термальных вод Курильских островов // Тр. Междунар. конф. «Фундаментальные проблемы современной гидрогеохимии». Томск, 2004. С. 194-198.

12. Чудаев О. В. Состав и условия образования современных гидротермальных систем Дальнего Востока России. Владивосток: Дальнаука, 2003. 203 с.

13. Шедько С.В. Пресноводные рыбы // Экспедиция на НИС «Академик Опарин», рейс № 23. Владивосток: Дальнаука, 1999. С. 13-16.

14. Chelnokov G.A. Interpretation of geothermal fluid compositions from Mendeleev volcano, Kunashir, Russia // Report of the United Nations University GTP Reykjavik, 2004. P. 57-82.

15. Chudaev O.V., Chudaeva V.A., Sugimory K., Matsuo M. Geochemistry of recent hydrothermal systems of Mendeleev volcano (Kuril Islands, Russia) // Geochemical Exploration Journal. 2006. Vol. 88, N 1-3. P 95-100.

16. Zharkov R.V. Hydrothermal stage of activity of Mendeleev volcano (Kunashir Isl., the Kuril Islands) // Proceedings of 5th Biennial Workshop on Subduction Processes emphasizing the Japan-Kuril-Kamchatka-Aleutian Arcs. Hokkaido University, 2006. P. 71-74.