Геология
УНИКАЛЬНЫЙ ВУЛКАН НА КУРИЛАХ
На северной оконечности острова Итуруп Большой Курильской гряды в Тихом океане, внутри обширной кальдеры - живописной и суровой котловины вулканического происхождения -расположился ряд сравнительно мелких куполовидных и конусовидных вулканов более 1 км высотой. Среди них мощными, горячими парогазовыми струями, выходящими из трещин и мелких жерл (фумарол), выделяется Кудрявый. Специалистов он привлекает разнообразием продуктов извержений, в том числе скоплением минерала рения -самого редкого на Земле стабильного элемента периодической системы Менделеева.
ЗАНЕСЕН В КНИГУ РЕКОРДОВ ГИННЕССА
Итуруп, в отличие от расположенного южнее Кунашира, - суровый и недоступный остров. Местами здесь за час удается преодолеть не более 100 м, продираясь сквозь заросли курильского бамбука, кедрового, ольхового и березового стланика. А зачастую необходимы и альпинистские навыки: его берега чуть ли не наполовину - обрывы и уступы в десятки и сотни метров, вертикально уходящие в море и потому совершенно непроходимые. Особенно устрашающие они на мысах, где огромные морские волны разбиваются о скалы. Впечатляют даже названия мысов - Бешеный, Неукротимый, Несчастья, Непройдешь, Горюшко и пр. Тем не менее геологи и топографы прошли все эти места, да еще с тяжелейшими рюкзаками за спиной, и создали соответствующие карты. Преодолевают этот путь и вулканологи.
Но какое же огромное облегчение и эстетическое наслаждение получаешь, поднявшись на вершину вулкана, когда трудный подъем уже позади и перед тобой открывается панорама острова. Впрочем, расслабляться нельзя: опасность подстерегает на каждом шагу, причем это не столько извержения (они довольно редки), сколько риск провалиться в кипящую грязь или расплавленную серу, а то и попасть в повернутую на тебя ветром струю ядовитого газа. Если вершина вулкана окутана туманом и видимость резко ухудшилась, здесь легко заблудиться или свалиться с крутой стенки кратера на десятки метров вниз, а если во время тайфуна промокли одежда и спальный мешок, нетрудно погибнуть от переохлаждения. Сотрудников моего отряда поразило, что дождь на вершине Кудрявого может идти непрерывно несколько дней, причем он как бы горизонтальный - из-за сильного ветра. Туман, взаимодействуя с вулканическими газами, образует кислоту, за несколько дней превращающую вашу одежду в бурые лохмотья; она способна растворять и крепчайшие горные породы. При работе на фумарольных полях почва под ногами настолько раскалена, что на вас может загореться даже специальный противопожарный костюм - такой случай был со мной однажды...
Саму кальдеру, в которой находится Кудрявый, геологи назвали Медвежьей - тут часто встречают этих животных. По полукольцевому гребню она имеет в некоторых местах диаметр более 12 км; со стороны пролива Фриза кальдера разрушена.
Уже 40 лет я занимаюсь разносторонними исследованиями вулканов, продуктов их извержений и последующей деятельности. Но сегодня Кудрявый мне кажется наиболее интересным. Во-первых, на нем впервые в мире в существенных скоплениях обнаружен минерал рения в форме его дисульфида (ReS 2 ), названный нами рениитом. Во-вторых, группа специалистов нашего института, в которой я работаю, в корках фумарольных полей Кудрявого обнаружила и с разной степенью детальности изучила еще более 70 минералов, в том числе редких металлов - индия, кадмия, висмута. Наконец, тут измерены самые высокие из известных в мире температур постоянно действующих фумарольных парогазовых струй - до 920 С, в связи с чем вулкан Кудрявый попал в книгу рекордов Гиннесса.
"БИОГРАФИЯ" КАЛЬДЕРЫ МЕДВЕЖЬЕЙ
Около 1 млн. лет назад на месте сегодняшнего полуострова Медвежий на Итурупе, где и расположена кальдера, было довольно высокое и обширное вулканическое нагорье с мощностью базальтовых толщ свыше 500 м. Здесь в земных недрах, в так называемых магматических очагах, или камерах, на глубине 10-20 км происходила дифференциация вещества магмы на фракции; более легкая и газонасыщенная формировалась в верхних частях.
Когда давление в магматической камере из-за высокой температуры и скопления газов, а возможно, и превращения воды в пар превысило давление вышележащих пород, произошел обычный в таких случаях взрыв (или несколько взрывов) с выбросом колоссальной массы вспученной кислой лавы (известной всем пемзы). Позднее освободившееся в недрах пространство заполнили просевшие блоки верхних частей земной коры, "сцементированные" остатками дегазированного расплава. По содержанию окиси кремния (SiO 2 ) последний называют кислым, в отличие, например, от базальтов и их расплавов -основных. Кислый расплав был частично выдавлен на поверхность в виде куполов и других причудливой формы вулканических тел, ныне во множестве встречающихся в кальдере Медвежья. Со временем их значительно разрушила эрозия, довольно сильная в этих местах из-за интенсивных атмосферных осадков. Реконструированный объем кислых куполов достигает 5 км 3 .
В дальнейшем вулканизм развивался иначе. Внутри кальдеры образовался ныне существующий почти плоский, как лепешка, массив кислых пород объемом более 1 км 3 , названный из-за его формы "Амебой". А затем с востока на запад вдоль линии, связанной с глубинным разломом, последовательно возникли несколько вулканических конусов высотой около 1 км, отличавшихся друг от друга составом лав, -Медвежий, Средний, Кудрявый и Меньшой Брат.
Сравнительно недавние, уже исторические извержения произошли на полуострове Медвежий в 1879 и 1883 гг., а последнее - в октябре 1999 г. После них образовались базальтовые шлаковые конусы и лавовые потоки Кудрявого и Меньшого Брата. Эти породы характеризуются повышенным содержанием магния и иными химическими параметрами, отличающими их от обычных базальтов вулканических островных дуг - Курило-Камчатской, Алеутской, Японской и многих других, маркирующих пограничные области между океаном и континентом. Возможно, именно резкая смена состава продуктов извержения в историческое время каким-то образом обусловила своеобразную металлоносность газовых струй и фумарольной минерализации вулкана Кудрявый.
Глубинное строение кальдеры Медвежьей довольно плохо изучено. Тем не менее геофизики показали: под ней мощность земной коры увеличена до 40 км, а ее нижний "базальтовый слой" аномально раздут - до 25 км. Обнаружены также большие смещения толщ горных пород по крутопадающим плоскостям разломов - сбросы. Предполагают, что здесь в недрах существует несколько магматических очагов разной глубины, а также небольшой, почти у поверхности (0,5-1 км) прямо под вулканом Кудрявый.
"АДСКИЕ" ПЕЙЗАЖИ
На вытянутой с востока на запад вершине Кудрявого отмечено несколько разновозрастных кратеров - воронок взрывов диаметром в сотни метров, к которым приурочены парогазовые струи. В одном из них после извержения лавы и вулканических бомб из недр был выдавлен магматический купол. Тут и расположены фумаролы с наиболее высокой температурой, варьирующей от 250 до 920 С. Впрочем, на западе вершины она даже ниже 200 С. Здесь в результате реакции поднимающегося из недр сероводорода с кислородом воздуха образуется красивая и разнообразная по виду ярко-желтая сера: количество ее на вулкане геологи оценивают почти в 10 тыс. т. Повсеместно в центре газовых выходов самородная сера плавится, а из ее паров кристаллизуются ярко-желтые корки, щетки и жилы. Во многих местах, особенно неподалеку от высокотемпературных фумарол, сера загорается, плавится и стекает вниз по склонам, образуя многочисленные потоки. Из них затем формируются жилы и корки. Цвет пламени горящей серы - синеватый, и редкими ясными ночами эти яркие сполохи особенно хорошо видны, они обрамляют красные и оранжево-красные раскаленные фумарольные поля, создавая неповторимые "адские" пейзажи.
По составу главных компонентов вулканические газы Кудрявого довольно обычны. Преобладает в них водяной пар, второе место принадлежит углекислому, третье сернистому газу и сероводороду. По измерениям доктора химических наук Ю. А. Тарана из Института вулканологии РАН (Петропавловск-Камчатский), в сухом фумарольном газе с температурой 770 0 С содержится 63,8% CO 2 , 13,4 - SO 2 , 9,0 - Н 2 , 6,7 -H 2 S, 6,5 - HCl,0,4 - HF и 0,2% СО.
Микрокомпонентный состав фумарольных паров и газов этого вулкана, искусственно конденсированных в специальных холодильниках, довольно примечателен. В его конденсатах отмечены повышенные концентрации калия, иода, титана, кадмия, свинца, олова (кстати, этим они отличаются от конденсатов многих других вулканов). Так, по данным кандидата геолого-минералогических наук С. И. Ткаченко, сотрудника Института экспериментальной минералогии (ИЭМ) РАН, в тонне конденсата Кудрявого иногда содержится до 120 кг тяжелых металлов, среди которых обычно преобладает свинец.
Парогазовая эмиссия вулкана - около 19 млн. т в год. Для сравнения: масса флюида, выброшенного во время катастрофического извержения Большого Толбачинского в 1975-76 гг. на Камчатке, составила 190 млн. т за 1,5 года. Выходит, в Кудрявом в фумарольной стадии деятельности выделяемый флюид (если рассчитывать на длительный период) по массе может существенно превышать обычно выбрасываемый в эруптивной (взрывной) фазе. Ведь извержения некоторых вулканов происходят, как правило, через десятки и даже сотни лет (Толбачик - 1941 и 1975 гг.), а парогазовая эмиссия Кудрявого - непрерывно.
Важно отметить, что значительное количество вулканических газов в недрах аккумулируется в подземных и поверхностных водах. К подножиям Кудрявого и Меньшого Брата минерализованной воды поступает около 150 л/с.
И хотя минерализация ее невелика (порядка 0,5 г/л), за длительное время выносится огромная масса растворенных солей - больше 6 т/сут. И постепенно на выходе главного водно-минерального источника образовалось теплое озеро с температурой около 36С, в котором сформировалась оригинальная микрофауна, и вертикальными плетями растут термофильные водоросли высотой иногда более 1 м.
МИНЕРАЛЫ ФУМАРОЛЬНЫХ КОР
Высокотемпературные, часто раскаленные докрасна руды в тех или иных участках фумарольных полей несколько варьируют по составу. Они образуют коры обычно серой окраски толщиной в несколько десятков сантиметров. В них с разной степенью надежности определено более 70 минералов (цифра не окончательная). Учитывая широко развитое явление изоморфизма - замещения отдельных атомов в минералах атомами других химических элементов при сохранении формы (морфологии) кристаллов, а также неполноту необходимых исследований, число минеральных фаз можно было бы значительно увеличить. В корах фумарольных полей представлено несколько минеральных групп: самородные элементы (сера, кремний-титановые минералы, графит), сульфиды свинца, висмута, молибдена, цинка, кадмия, меди, индия, рения, мышьяка и т.д.; селениды, хлориды, сульфаты, молибдаты, вольфраматы, окислы уже названных и других металлов, а также силикаты и алюмосиликаты кальция, калия, натрия, реже - магния. Подчеркну: чистый дисульфид рения найден и изучен впервые. Наиболее распространены среди сульфидов так называемые свинцово-висмутовые сульфосоли варьирующего состава.
В корах фумарольных полей, через которые непрерывно фильтруется вулканический газ, по вертикали условно выделяются три зоны: нижняя сульфидная, промежуточная - смешанная и верхняя - оксидно-сульфатная, часто с хлоридами натрия и калия. Впрочем, наблюдаются многократные пересечения и повторения зон, проникновение прожилков минералов из одной в другую. Наиболее детально изучена зональность молибденовых минералов, которую можно в общем свести к их смене снизу вверх в такой последовательности: повеллит (Са [МоСO 4 ]) - молибденит (MoS 2 ) - тугариновит (МоО 2 ) - молибдит (МоО 3 ) - ильземаннит (Мо 3 O 8 х nH 2 O) + растворимая Мо- фаза). Данное распределение показывает: первоисточник всего - молибденовый ангидрид, появление сероводорода отмечено ближе к поверхности (за счет гидролиза SO 2 ), выше отмечается окисление серы и в связи с ростом потенциала кислорода увеличение валентности молибдена, что сопровождается переходом этого металла в самой поверхностной зоне в растворенное состояние.
Многие минералы образуют причудливые картины: инкрустации и "пленки" на стенах газовых каналов и полостей. При этом часто наблюдаются тончайшие извилистые ленты дисульфида рения. Встречаются полые кристаллы сульфидов, иногда заполненные еще более тонкими агрегатами кристаллы кадмиевого вюртцита (ZnCd)S, а также упомянутого тугариновита и др. Видны округлые формы кристаллов и агрегатов, их извилистые ребра и грани, на которых отсутствуют или становятся искаженными обычные скульптурные рисунки. Наконец, наблюдается многообразие морфологии при одном и том же составе и т.д. Все это свидетельствует о динамичной среде роста и растворения кристаллов, обусловленной, в частности, и быстрой фильтрацией первоначального флюида, и столь же быстрым изменением среды кристаллизации под воздействием атмосферных осадков.
КТО ОТКРЫЛ НА ВУЛКАНЕ РЕНИИТ?
Рениевые сульфиды в образцах, которые я отобрал из фумарольных кор Кудрявого, впервые с помощью микрозонда обнаружила в 1991 г. сотрудница нашего института И. П. Лапутина. В них оказалось довольно много молибдена, а содержание рения варьировало от 0 до 49%, что позволило поставить вопрос о существовании нового, ранее неизвестного минерала.
Осенью 1992 г. на краю одного из фумарольных полей сотрудники ИЭМ РАН М. А. Коржинский и С. И. Ткаченко, затем А. И. Якушев и я собрали образцы, обсыпанные по стенкам пустот и пор блестящим минералом, похожим на упомянутый молибденит. Позднее выяснилось, что он представляет собой чистый дисульфид рения. Это был настоящий шок: ведь до этого не был известен ни один надежно диагностированный подобный минерал. Под моим руководством были проведены детальные исследования новинки согласно требованиям, предъявляемым к оформлению заявок на открытие новых минералов, составлен "чек-лист". Затем нашу работу апробировали и отрецензировали в Московском филиале Минералогического общества и направили во Всероссийское общество по новым минералам, после чего - в Международную комиссию по новым минералам и названиям минералов (ICNMMN).
В авторский коллектив, помимо уже названных специалистов, были включены сотрудники аналитических лабораторий, а также доктор геолого-минералогических наук - инициатор проведения работ на вулкане Кудрявый К. И. Шмулович (ИЭМ РАН) и руководитель экспедиции Г. С. Штейнберг (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН).
Но получилось так, что образцы с новым минералом оказались за рубежом - у английских исследователей. После первой заявки (1993 г.) через короткое время в Международную комиссию поступила вторая - снова на открытие дисульфида рения с вулкана Кудрявый; ее авторы - М. А. Коржинский, С. И. Ткаченко, К. И. Шмулович и двое английских ученых. В практике Комиссии подобного не случалось, чем, по- видимому, и объясняется задержка с утверждением нового минерала - прошло уже более 6 лет с момента подачи нашей заявки.
НАЧАТЬ ПРОМЫШЛЕННЫЕ РАЗРАБОТКИ ИЛИ ОРГАНИЗОВАТЬ ТУРИЗМ?
Проявление рениевой минерализации на площади менее 100 м 2 при мощности рудной зоны всего лишь 40 см и содержании этого элемента около 0,1% (да и то в самых богатых пробах) никак нельзя назвать месторождением. Особенно если учесть, что технологические испытания рениевой руды очень дороги и могут стоить больше, чем весь содержащийся в ней ценный элемент. Извлечение же его из руды в чистом виде -тоже процесс дорогостоящий.
Что же касается идеи использовать для этого высокотемпературный флюид, то она довольно сомнительна. Как показали первые определения состава конденсатов, сделанных в ИЭМ РАН, содержание в нем рения - порядка 1 ppb (одна миллиардная часть по весу), что, конечно, не представляет практического интереса. Правда, дальнейшие результаты подобных анализов неизвестны. Судя по сообщениям Г. С. Штейнберга, пока нет положительных результатов и в определении форм нахождения и содержания рения в парогазовых струях.
Разработка руды и строительство в связи с ней каких-либо сооружений на фумарольных полях едва ли возможны из-за высоких температур и агрессивности среды - здесь, как уже говорилось, плавится и горит самородная сера, постоянно меняются характер и конфигурация фумарольных полей и т.д. Извлечение рения, даже если оно и станет в принципе технологически возможным, потребует строительства завода. И придется конденсировать парогазовые струи или фильтровать их через активно осаждающие рений фильтры, затем извлекать рений, очищать его и т.д. И еще. Установка необходимых опор, пароуловителей и трубопроводов связана с вмешательством в чувствительную к внешним воздействиям природную среду вулкана, и успех в этом эксперименте весьма проблематичен.
Другое препятствие - вулканическая активность. Как показали наши экспедиционные работы осенью 1999 г., извержения в кратерной части Кудрявого вполне возможны, причем фумарольная стадия может резко перейти в эруптивную. 7-10 октября 1999 г. здесь произошли вулканические взрывы с выбросом более 5 тыс. м 3 породы и образованием колодца и воронки достаточно большой глубины. 22 октября после извержения на дне колодца наблюдался магматический расплав в виде озера раскаленной лавы (ночью - оранжево-красного цвета) с турбулентно-подвижной поверхностью, постоянно возмущаемой пузырями и всплесками при выходе газа. В поперечнике озеро составляло 2-3 м, его юго-восточный край был скрыт в глубокой боковой нише на дне колодца под самой высокой вертикальной стенкой. Спустя четыре дня, 26 октября, расплав уже не был виден, остались лишь раскаленная докрасна площадка и ранее существовавшие многочисленные жерла фумарол в стенках колодца, беспорядочно разбросанные вдоль раскаленной вертикальной трещины в стенке бывшего кратера. Так что на вершине вулкана, в пределах развития фумарольных полей, людям находиться небезопасно. Это касается и технических сооружений, которые могут внезапно разрушиться при вулканических взрывах.
Итак, уникальные высокотемпературные руды на вершине Кудрявого, а также парогазовые струи не могут быть объектом промышленной добычи. В то же время они представляют огромный научный интерес, прежде всего для вулканологов, минералогов и геохимиков. Проводящиеся в течение многих лет исследования высокотемпературных новообразований в кратерах вулкана, а также состава и свойств флюидов и их конденсатов позволяют раскрыть особенности рудообразования на границе взаимодействия, образно говоря, плутонических и нептунических сил, т.е. магмы и высокотемпературных газов с атмосферным воздухом и осадками. Главные рудообразующие факторы - высокие градиенты температуры и окислительно- восстановительных условий в пределах постоянно создаваемой и разрушающейся фумарольной корки небольшой толщины (в несколько десятков сантиметров). Первичные минералы, кристаллизовавшиеся ранее из магмы и составляющие вулканические горные породы, на этой границе полностью утрачивают свой первоначальный облик. Они растворяются, и некоторые их компоненты уносятся растворами, другие осаждаются, но уже в форме новых минералов. В свою очередь, поступающие из недр вулканические пары привносят и осаждают на этой границе свои компоненты, прежде всего серу и металлы, часть которых рассеивается в атмосфере.
Вулкан Кудрявый сейчас находится в активном состоянии, его можно назвать лишь временно устойчивым. Однако при характерных для Курильских островов сильных атмосферных осадках и связанном с ними закупоривании фумарольных каналов водой возможны более или менее мощные фреатические или фреатомагматические извержения (вызванные нагреванием воды на глубине, ее перегревом и превращением в пар с последующим высвобождением энергии при извержении). Так, в Японии в октябре 1999 г. произошло катастрофическое извержение вулкана Бандай, где огромная масса воды была нагрета на сравнительно большой глубине, хотя тысячу лет он находился в спокойном состоянии. На Кудрявом же магматический очаг неглубокий и температура уже на поверхности близка к 1000 o С. При столь сильном нагреве некоторые горные породы начинают плавиться, так что извержение его скорее не фреатическое, а фреатомагматическое.
Современные базальты, недавно найденные в нескольких местах кальдеры Медвежьей, свидетельствуют о начале новой стадии деятельности Кудрявого. И в дальнейшем возможны настоящие извержения чисто магматического характера. В этих условиях вмешательство людей в естественные процессы с целью добычи тех или иных полезных элементов представляется нецелесообразным, даже авантюристическим.
Но Кудрявый вполне можно использовать для науки и туризма, ведь он вызывает большой интерес не только в России, но и за рубежом. Нужны только спонсоры и инвесторы.
Кандидат геолого-минералогических наук В.С. Знаменский, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН
Авторские права на статьи принадлежат их авторам