книги из ГПНТБ / Борисов, О. Г. Экструзии и связанные с ними газо-гидротермальные процессы

Т а б л и ц а 21

Химический состав (об. %) газов лавового озера Килауэа при <=1200° С

и р = 760 мм р/ст. (Shephard, 1938)

Номера образцов, отмеченные звездочкой, использованы для подсчета табл. 47.

происхождением воздуху, попадающему в отбираемые пробы. В про­ бах высокотемпературных фумарол купола Суелич (350—400° С) содержание воды в общей газовой фазе, включая воздух (до 50— 80%), редко превышало 15—30%. Даже газовая фаза вторичных фумарол агломератового потока вулкана Безымянного на высоко­ температурном участке (до 450—500° С) содержит минимум 20,1% воды. Отсюда следует, что цифры по содержанию воды в фумарольных газах (90—99%) весьма завышены. Они отражают не истинную водонасыщенность газовой фазы магмы, а водонасыщенность фумарольных выделений, что далеко не одно и то же.

Ш

П р и м е ч а в и е. Анализы пересчитаны авторами.

Т а б л и ц а 24

Химический состав газов вторичных фумарол агломератового потока вулкана Безымянного (по О. Г. Борисову, 1966)

8 О. Г. Борисов, В. Н. Борисова

Т а б л и ц а 25

Химический состав фумарольиых газов вулкана Иво-Снма (I. Iwasaki at al., 1962)

Д р у г и е газы. Фумаролы андезитовых вулканов содержат в своих выделениях значительно больше сернистых газов, чем галоген­ ных, а дацитовых — наоборот. Например, на вулкане Мутновском среднее содержание галогенных и сернистых газов почти одинаковое (4,32% и 4,28%, соответственно). По-видимому, это связано с, тем, что состав газовой фазы был рассчитан с учетом конденсата, т. е. ионы галогенов и соединений серы в анализах пересчитаны на свободную газовую фазу. В фумаролах Долины Десяти Тысяч Дымов суммарное содержание HF и НС1 от всех газов, включая воду, составляет 0,149%, а всех остальных, даже с кислородом и азотом воздуха, только 0,141%, т. е. более половины от суммы всех газов падает на галогены. На вулкане Усу содержание HF и НС1 — 9,64%, a H2S и S 0 2— всего 2,25%.

114

Т а б л и ц а 2?

Химический состав газов фумарол песчано-пеплового потока

Долины Десяти Тысяч Дымов, район вулкана Катман (Е. Т. Allen, Е. G. Zies, 1923)

П р и м е ч а н и е . Анализы пересчитаны. Исключены Os. N2. I — Долина Десяти Тысяч Дымов; II — Нижняя долина; I I I — Бассейн Новорулты; IV — Верхняя долина; V — Долина Броклен и Найф-Крнк. В первых девяти анализах С02, СО, СН< и И2 не определялись н включены в Н20.

Интересные сравнительные данные получаются, если сопоста­ вить не содержание H2S и SO2 , а их отношения к другому газу с более постоянным содержанием, например, С 02 (см. табл. 28). Как

видно из табл. 28, количество H2S по сравнению с S 0 2, больше, в выделениях кратерных фумарол, горячих источников, в паре из скважин на термальных полях, a S 0 2 — в фумаролах куполов. Да­

же в фумаролах вулканов, находящихся в относительно спокойном

•состоянии, содержание S 0 2 значительно больше, чем H2 S, а в фу-|

маролах активных вулканов — наоборот. В газах озера Килауэа H2S отсутствует, но по содержанию серы они не уступают вулкану Ива-Сима, в газовой составляющей которого отношение H2 S/C02 и1 S 0 2 /C 02 больше всего по сравнению с другими вулканами; исключе­ ние составляет отношение H2 S/C02 Долины Десяти Тысяч Дымов, но там в анализы газов с H2S включен Н2 (Allen, Zies, 1923). Поэ­

тому цифра отношения явно завышена.

116

Т а б л и ц а 28

Значение средних отношений газов серы и углерода различных областей проявления вулканизма

Отношение H2 S/SO2 может быстро изменяться в процессе вре­

менной активизации вулканической деятельности. Так, летом 1958 г. во время отбора пробы газа на куполе вулкана Безымянного послы­ шался гул и тело купола задрожало. На какое-то мгновение интен­ сивность газовыделения в фумаролах ослабла, а затем возобнови­ лась с нарастающей силой. Анализ газа, взятого до сотрясения и после, показал при неизменном содержании С 02 увеличение содер­

жания НС1 (вернее сумма галогенов, HF не определялся) и H2S почти на 3 % от общей суммы газов, включая и воздух (без воды). При этом увеличилось отношение H2 S/CO2 и уменьшилось SO2 /H2 S

(Борисов, 1960). Приведенные примеры показывают, что относи­ тельное увеличение в газовой составляющей S 0 2 по сравнению с

117

H2S практически при неизменном содержании С02 связано с окис­ лением H2 S. С. Мадуа (Matsuo, 1960) рассматривает аналогичное

явление с термодинамических позиций и считает, что при увеличе­ нии давления содержание S 0 2 в газовой составляющей должно

уменьшаться, что, соответственно, ведет к относительному обога­ щению газовой фазы H2 S. Свои расчеты он иллюстрирует на приме­

ре вулкана Мауна-Лоа, перед извержением которого в фумароле Килауэа неожиданно появился H2 S, а это могло произойти только

в результате увеличения давления, так как температура не измени­ лась. Мы полагаем, что вряд ли за такой короткий срок могло сме­ ститься равновесие, скорее всего глубинный приток сероводорода в результате активизации вулкана изменил отношение H2 S/S02.

Почти на всех вулканах в газовой составляющей отмечается метан. Он не отмечен в газах лавового озера Килауэа. И это вполне понятно, так как при температуре свыше 1100° С и давлении в одну атмосферу происходит интенсивный крекинг метана. При этом обра­ зуется углерод и водород, которые, сгорая, могут дать воду и газы группы углерода. Собственно метан может быть дополнительным источником воды. В газах агломератового потока купола Суелич метан не определялся.

Какова природа метана? На этот счет существуют различные точки зрения. Но несомненно одно: часть его может синтезировать­ ся в газовой фазе в процессе ее эволюции к поверхности земли. Это хорошо подтверждается данными термодинамических расчетов (см. гл. 15). Так в равновесной смеси газов (С02, СО, Н2, СН4 , Н2 0)

при атмосферном давлении и температуре немногим более 1000° С будет содержаться около 0,24% метана, но при той же температуре и давлении 50 атм содержание метана увеличится до 49%. Так что мы не исключаем метан как один из основных газовых компонен­ тов магмы.

Как уже отмечалось, большинство исследователей склонны рас­ сматривать состав газов прежде всего как функцию температуры

(табл. 29). .

Сравним эту таблицу с данными, приведенными ниже (табл. 30). Фумарольные газы попадают во II тип, в подтипы А и В (см.

118

Т а б л и ц а 30

Сравнительные данные (по табл. 25)

ны. Наблюдается как будто противоречие сказанному выше. Но это не совсем так. В точке отбора пробы фиксируется температура газа, выходящего на поверхность, а она не отвечает температуре магмы, генерирующей этот газ. В данном случае скорость остывания газа, проходящего сквозь породы, значительно выше, чем скорость уста­ новления равновесия в системе. Возможно и другое объяснение. Высокопористые вулканогенные породы, особенно пирокластика, представляют собой естественную сорбционную колонку. В' ней воз­ можно селективное разделение газов по их физическим параметрам и, в частности, по летучести (т. е. химической активности). В этом случае газы, обладающие высокой летучестью, будут выделяться первыми (Ня, N2, СО, СН4, НС1, С 02, H2 S, COS, S 0 2, HF, H2 0 ).

Вто же время порядок их выделения на выходе может измениться, и газы, обладающие меньшей летучестью, но при большом содер­ жании в исходной газовой фазе могут выделяться быстрее или в более стабильной концентрации во всем интервале газовыделения.

Вданном случае они ведут себя как газы носители. Последнее отно­ сится в первую очередь к Н20 и С02. Поэтому при интерпретации химического состава фумарольных газов нужно всегда учитывать не только их состав и температуру на выходе, но и условия их вы­ деления.

При движении газовых струй к поверхности газовая фаза обо­ гащается метеорной водой, а соответственно, из нее в первую оче­ редь удаляются легкорастворимые компоненты HF, НС1 и S 0 2 или SO3 . Поэтому на выходе состав газовой фазы также не будет отве­

чать исходному составу. Некоторые исследователи (Е. Серафимова, 1966 и др.) пересчитывают компоненты парового конденсата (т. е. ионы) на газовую фазу и включают в общую сумму газов. В прин­ ципе метод верный, если полагать, что при своем движении газогидротермы не обогащаются из вмещающих пород за счет ранее отложенных и переотложенных возгонов, сублиматов, выпарок со­ лей и др., долю которых невозможно учесть при анализе конденсата^

В качестве примера рассмотрим изменение состава свободной

Тогда в составе этих выделений должно быть 1900 л (или 1,526 кг) воды. Результаты расчета сведены в табл. 31.

119