Глава 2 Определение температурных вариаций в Эльбрусской вулканической области 2.1 Температурные вариации в штольне Баксанской нейтринной обсерватории
Существующая в районе Эльбруса отрицательная гравитационная аномалия, которая указывает на дефицит плотности пород под вулканом (0.7 г/см3) была открыта и интерпретирована М.В. Авдуловым еще в 1962 году.
По мнению М.В. Авдулова гравитационная аномалия обусловлена наличием питающей магматической камеры вулкана, залегающей на глубине 1-3 км ниже уровня моря. Наличие под вулканом зоны поглощения сейсмических волн на глубинах 0.5-2.0 км ниже уровня моря также указывает на наличие вулканической камеры, заполненной расплавом.
По современным гравиметрическим и сейсмологическим данным мощность земной коры в Приэльбрусье довольно постоянна (45-50 км), а «гранитного» слоя — изменчива, уменьшаясь от 24 км на севере до 16 км в районе самого Эльбруса.
В коре северного Приэльбрусья на глубинах от 10 до 20 км-плотность пород аномально понижена, а в верхней мантии обнаружена обширная, радиусом 45-60 км от вулкана, зона заметного замедления скорости сейсмических волн, считающаяся «астенолинзой» [20].
Плотность теплового потока в районе Эльбруса, по наблюдениям за ледяным покровом, составляет в среднем 4.8·10-5 кал/см2·сек, т.е. 2 Вт/м2.
Такая плотность потока на всей площади, покрытой льдом (120-140 км2), при чисто кондуктивной теплопередаче и характерной теплопроводности пород 2-3 Вт/(м·К) обусловила бы геотермический градиент порядка 0.7-1.0 К/м.
Это отвечает присутствию кислого расплава внутри вулканического конуса на глубине около 1 км, и следует предполагать активный вынос глубинного тепла подземными флюидами [20].
При проведении исследований тепловых процессов в районе вулканической постройки и на прилегающих территориях с применением космических технологий теплового зондирования Земли [21] и контактными методами [22] в районе Эльбрусского вулканического центра были выделены устойчивые тепловые аномалии (рисунок 7).
Рисунок 7 - Карта тепловых аномалий, обнаруженных в районе
Эльбрусского вулканического центра
В пределах вулканического конуса зафиксированы тепловые аномалии интенсивностью более 0,5 °С, пространственно совпадающие с данными магнитотеллурического и резонансного зондирования глубинных структур вулкана, которые подтверждают наличие приповерхностной магматической камеры на глубине около 8-1 км от поверхности.
В процессе проведения дальнейших исследований нам необходимо было выбрать такие места, где действие фоновых помех минимальны.
В этой связи эксперименты были продолжены в штольне Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН. Координаты обсерватории: N 43o 16,338’ и E 42o 40,878’. Высота места 1740 м. Расстояние от вершины Эльбруса 21,9 км. Азимут штольни - 150º37'.
Штольня находится в поселке Нейтрино в вырубке горы Андырчи, и имеет глубину более четырех километров (рисунок 8).
Рисунок 8 - Схематический разрез горы Андырчи вдоль штольни БНО.
На рисунке 8 черной точкой отмечена место где были установлены температурные датчики.
2.2 Температура минеральных вод на территории Эльбрусской вулканической области
Эльбрус, крупный полигенный стратовулкан высотой 5633 м (высшая точка Европы), находится в сольфатарной стадии активности. Об этом свидетельствуют наблюдавшиеся в 1960-х годах вблизи его восточной вершины выходы углекислых газовых струй с температурой 18°С [23]. Конус вулкана возвышается на 2.5-3 км над палеозойским кристаллическим цоколем, который плавно погружается к северу, переходя в фундамент эпигерцинской Скифской плиты.
Продукты Эльбруса по петрохимическому составу варьируют от риолитов до андезито-дацитов, относясь к кальциево-щелочной серии. По данным Sr-Nd-О изотопной систематики, они происходят из мантийных расплавов, контаминированных коровым материалом. Этот вывод подтверждается и изотопией гелия.
Наблюдающаяся в районе Эльбруса отрицательная гравитационная аномалия, которая указывает на дефицит плотности пород под вулканом в 0.7 г/см3, была интерпретирована М.В. Авдуловым как следствие наличия водонасыщенной питающей магматической камеры в форме диска диаметром 16 км и мощностью 6 км, залегающей на глубине 1-3 км ниже уровня моря.
По мнению Г.С. Штейнберга, эта аномалия отражает существование погребенной кальдеры, заполненной рыхлой пирокластикой, которая была позднее оконтурена на основании данных геоморфологического анализа. Наличие под вулканом зоны поглощения сейсмических волн на глубинах 0.5-2.0 км ниже уровня моря [24] также указывает на наличие вулканической камеры, заполненной расплавом.
По гравиметрическим и сейсмологическим данным [25], мощность земной коры в Приэльбрусье довольно постоянна (45-50 км), а «гранитного» слоя — изменчива, уменьшаясь от 24 км на севере до 16 км в районе самого Эльбруса.
В коре северного Приэльбрусья на глубинах от 10 до 20 км плотность пород аномально понижена, а в верхней мантии обнаружена обширная, радиусом 45-60 км от вулкана, зона заметного замедления скорости сейсмических волн, считающаяся «астенолинзой».
Плотность теплового потока в районе Эльбруса оцененная по наблюдениям за ледниковым покровом [26], составляете среднем 4.8х10"5 кал/см2·сек, т.е. 2 Вт/м2.
Такая плотность потока на всей площади, покрытой льдом (120-140 км2), при чисто кондуктивной теплопередаче и характерной теплопроводности пород 2-3 Вт/(мхК) обусловила бы геотермический градиент порядка 0.7-1,0 К/м (а не 0.1 К/м, как считал Ю.П. Масуренков).
Это отвечает присутствию кислого расплава внутри вулканического конуса на глубине около 1 км. Поскольку это противоречит другим геофизическим данным, то в теле вулкана следует предполагать активный вынос глубинного тепла подземными флюидами.
Последний раз Эльбрус извергался в I-П веке н.э. [27], что подтверждается результатами радиоуглеродного датирования [28]. Возможная новая эруптивная активизация Эльбруса представляет собой потенциальную угрозу для населения окружающего региона.
Поэтому состояние вулкана требует постоянного целенаправленного и разностороннего изучения. Важной характеристикой оценки возможной активности Эльбруса является температура окружающих подземных вод, которая и стала предметом нашего исследования.
Температура дает представление о физических условиях формирования подземных вод (глубине их циркуляции).
По этому параметру подземные воды делятся на два класса: холодные и термальные. Объективным критерием такой их типизации, как справедливо указал еще в 1912 г. К.
Кейльгак, является отношение температуры t вод при разгрузке на земную поверхность к температуре «нейтрального слоя», (подошве слоя годовых теплооборотов), которая примерно соответствует климатической среднегодовой для данной местности, tн.с... При t > tн.с... разгрузка подземных вод сопровождается избыточным выносом глубинного тепла, и именно такие воды следует считать термальными.
На Северном Кавказе температуры нейтрального слоя изменяются от ~10°С в районе Кавказских Минеральных Вод (КМВ), расположенном на отметках 500- 1000 м, до ~3 °С в ближайшем Приэльбрусье на высоте 2500-2700 м [29].
Для детализации распределения температур источников в Приэльбрусье и выяснения его общей закономерности использовались результаты около 40 собственных термометрических измерений, сделанных в 1998-2000 гг. Всего было учтено около 200 измерений температуры минеральных источников, располагающихся на удалении от 5-6 до 80 км от Эльбруса. Ранее в меньшей выборке уже была подмечена тенденция роста температур водопроявлений по мере приближения к Эльбрусу [12].
Однако более полная выборка свидетельствует о значительном разбросе температур вод в источниках, располагающихся на равном расстоянии от вулкана). На рисунке видно, что фигуративные точки большинства источников.
Находятся существенно выше линии температур нейтрального слоя (особенно далеко от нее расположены точки некоторых источников, ближайших к Эльбрусу ист. Джилы-су на реках. Малка и Бийтик-Тебе.
Это указывает на разгрузку вод из более глубоких горизонтов и таким (геотермическим) образом отличает термоминеральные источники от обычных пресных родников, чьи фигуративные точки располагаются более или менее ниже этой линии - по-видимому, из-за той или иной примеси талых вод.
Все это говорит, что температура вод источников формируется под воздействием нескольких разнородных факторов, среди которых могут быть выделены эндогенные и экзогенные.
К экзогенным факторам относятся соотношение поверхностного и грунтового стока и высота над уровнем моря. Первое колеблется в зависимости от сезона опробования и локальных гидрогеологических и физико-географических условии, и выделить его влияние в чистом виде при разновременности термометрических измерений и различиях природных условий в разных частях исследуемого района практически невозможно. Гипсометрическое же положение обсуждаемых источников подчинено естественной закономерности - уменьшению высоты местности по мере удаления от Эльбруса.
В тренде «приведенной» температуры вод источников Приэльбрусья наглядно проявляется роль в их температурном режиме эндогенных факторов: глубинного магматизма и его производной - современного вулканизма, влияние которых накладываются на фоновое тепловое поле. Особенно высоки «приведенные» температуры в зоне радиусом около 20 км от вулкана, но и далее они заметно повышены, постепенно уменьшаясь на протяжении не менее 80 км.
В первой зоне, по-видимому, доминирует тепловое воздействие промежуточной вулканической камеры Эльбруса, которая, как было указано выше, по геофизическим данным аппроксимируется диском диаметром 16 и толщиной 6 км с центром на глубине 3,5-6,0 км от уровня моря, или 9-11 км от вершины Эльбруса.
Далее же, вероятно, сказывается влияние залегающего глубже более обширного теплового источника - региональной зоны магматической активности, с которой может быть связана и «астенолинза», установленная геофизическими исследованиями в радиусе 50-60 км от Эльбруса.
При этом обращают на себя внимание также точки, отвечающие максимальным «приведенным» температурам в источниках, расположенным в -27-28, 40-55, 60 и 80 км от Эльбруса.
Они явно представляют собой локальные термоаномалии, не связанные с вулканической камерой Эльбруса.
В целом же приэльбрусский ореол повышенных температур кажется лишь наиболее ярким проявлением крупной «антикавказской» термоаномалии, которая, как уже давно установлено геотермическими исследованиями, отчетливо видна даже на Ставропольском своде. Базовую температуру циркуляции гидротерм оценивают также геохимическими методами.
В таких расчетах используют концентрации (или отношения концентраций) растворенных компонентов, чувствительные к температурным условиям взаимодействия вода-порода, а также зависящие от температуры равновесия некоторых активных газов и изотопные составы входящих в них летучих элементов.
В частности, для этого используются формулы, учитывающие концентрацию кремнезема при разных предположениях о форме его нахождения в породе (так называемые кварцевый, халцедоновый, кристобалитовый и т.п. геотермометры) и градиенте снижения температуры воды при подъеме в область разгрузки (адиабатическом или обусловленном кондуктивной теплопередачей).
Справедливость тех или иных расчетных схем контролировалась термометрией скважин, как и формул, учитывающих другие соотношения - Na-K, Na-K-Ca, Na-Li, Mg-Li. Последние, однако, во многом зависят от особенностей состава пород на пути подъема гидротерм, так что найденные зависимости такого рода более условны, выдерживаясь лишь в одинаковых геологических разрезах.
В целом, элементные геотермометры, в отличие от газовых и изотопных, имеют скорее качественный характер, но все же могут дать представление об относительных латеральных различиях базовых температур.
Что касается Na-K геотермометра, то полученные с его помощью гораздо более высокие, чем Si- и Mg-Li термометрами, оценки базовых температур в районе Передового хребта и его северных отрогов кажутся следствием аномально повышенной здесь минерализации подземных вод.
Вероятно, в данном районе в водах минеральных источников присутствует значительная доля этих осолоненных седиментационных вод. В ближайшем же в Приэльбрусье картина распределения глубинных температур по Na-K термометру в общих чертах сходна с полученными Si и Mg-Li, а также Na-Li термометрами.
В прошлом предпринимались попытки реконструировать температуры минеральных вод до их разбавления атмосферными осадками. Эти оценки базировались на гипотезе о том, что недонасыщенность нарзанов карбонатом кальция является следствием именно такого разбавления (следует заметить, что эта гипотеза не учитывает возможные различия в составе вод из-за местных неоднородностей геологического разреза, определяющих геохимические результаты взаимодействия вода-порода).
Расчеты показали, что источники, располагающиеся к востоку от вулкана - Терскольский, расположенный в ~13 км от вершинной седловины Эльбруса, и Ирик-нарзан, находящийся от нее в -18 км (в них измеренные температуры составляют всего 9.1 и 7.5 °С соответственно), - имеют существенно более высокие «реконструированные» температуры (103 и 52 °С), чем источники западного и северного Приэльбрусья, в частности, Уллукамский (32°), Джилы-су на р. Бийтик-Тебе (37°) и Джилы-су Малкин- ский (29°С). Если базовая глубина циркуляции минеральных вод (глубина их формирования) одинакова, то различия их «реконструированных» Ю.П. Масуренковым температур должны быть отражением конфигурации изотермических поверхностей, наиболее приподнятых в районе Терскола.
Если это так, то исследуемая термоаномалия распространяется еще дальше к востоку от вулкана, имея относительно Эльбруса асимметричный характер. Обращает на себя внимание и то, что «язык» повышенных «приведенных» температур (>15 °С) протягивается также к северо-востоку от Эльбруса в направлении Кавказских минеральных вод (КМВ) до р. Хасаут, где локальные максимумы 21-22 °С маркируют распространение термоаномалии в антикавказском направлении.
Таким образом, становится ясно, что на температуру вод источников оказывают влияние, помимо собственно промежуточной вулканической камеры Эльбруса, и другие магматические тела, проявленные, в частности, в виде лакколитов Пятигорья.
Найденные латеральные вариации «приведенных» температур повторяются в распределении базовых температур формирования минеральных вод, оцененных с помощью геотермометров.
Все использованные геотермометры указывают на повышенные базовые температуры не только вблизи Эльбруса, но и во всей юго-восточной части исследованного района.
Практически все они показывают также распространение этой области повышенных температур и к северо-востоку от вулкана, в направлении КМВ. Таким образом, все гидрогеотермические данные согласуются с распределением вулканических построек и интрузивных тел, основная масса которых находится восточнее Эльбруса.
Не менее показательно, что эти данные согласуются с распределением значений отношения концентраций изотопов гелия в газовой фазе минеральных вод, 3Не/4Не. Как известно, это отношение резко различно в мантии, где оно имеет порядок 10-5 из-за присутствия остатков первичного 3Не, и древней коре, в которой оно на три порядка меньше из-за генерации радиогенного 4Не. Сравнительный анализ показал, что рост величин этого отношения в подземных флюидах отвечает увеличению плотности фонового кондуктивного теплового потока
Таким образом, в картине распределения величин гелиевых отношений отмечается некоторая ассиметрия - они быстро убывают в западном направлении и медленнее - в северо-западноном, северном и северовосточном, сохраняя в восточном секторе такие же высокие величины, как и в ближайшем Приэльбрусье.
Это в общем повторяет характер распределения величин температур, измеренных в источниках с поправкой на абсолютную отметку и температур формирования вод, рассчитанных по их химическому составу (геотермометрам).
Следует иметь в виду, что ранее в ближайшем Приэльбрусье существовали и более высокотемпературные водопроявления, чем наблюдается сегодня. Об этом, в частности, свидетельствуют находки опалитов и магнезитов в лавах Эльбрусе в верховьях рек Бийтик-Тебе, Кюиортли и Кыртык.
Обычно появление опалитов связано с развитием гидротерм с температурами не менее 80-100 °С.
Кроме того, в верховьях рек Малки и Баксана встречаются остатки травертиновых куполов, указывающие на более широкое распространение углекислых минеральных вод в предыдущие эпохи. По-видимому, гидротермальная деятельность была здесь более активной.
Выше отмечались небольшие флюктуации температуры в некоторых современных источниках, расположенных на склонах Эльбруса примерно в 10 км от вершинной седловины.
В них немного варьирует и химический состав воды, что отражается в разбросе на 20-30 °С оценок базовой температуры их формирования по Si- и Na-K термометрам.
Хотя эти вариации, вероятнее всего, вызываются сезонными колебаниями степени разбавления восходящих потоков подземных вод инфильтрующимися атмосферными осадками, нельзя исключить, что они отчасти связаны и с режимом поступления в подземные воды вулканических эманации, учитывая близость этих источников к вулкану.
В любом случае, режимные наблюдения за температурой источников в долинах Малки и Бийтик-Тебе целесообразно в комплекс работ по мониторингу активности Эльбруса включить.
Таким образом, анализ распределения температурных характеристик естественных водопроявлений в Приэльбрусье подтверждает наличие текмоаномалии в районе вулкана Эльбрус, что очевидно связано с наличием магматической камеры на относительно небольших глубинах от поверхности земли.
Термоаномалия надежно фиксируется в источниках, расположенных в радиусе примерно 20 км от вулкана, что в общем (учитывая площадь прогрева вмещающих пород) совпадает с оценками размеров вулканической камеры, полученными по геофизическим данным.
Относительно вулкана зона повышенных температур располагается асимметрично, наиболее далеко распространяясь в северо-восточном и восточном направлениях.
Сопоставление оценок «базовых» и приведенных температур с характером распределения величин изотопно-гелиевого отношения показывает, что вулкан располагается в узле пересечения линейных зон температурных аномалий северо-западного, северо-восточного и субширотного простирания. Угол наклона между первыми двумя составляет 90°, а с осью Главного хребта они образуют углы около 40-45°. Вероятно, в поле распределения температур выявляются зоны глубинных разломов, представляющие собой трещины скола в континентальной коре, возникшие в результате тектонического сжатия, которое испытывает горное сооружение Кавказа в субмеридиональном направлении.
Приуроченность термальных аномалий к этим нарушениям указывает на их высокую вертикальную проницаемость для газоводных флюидов, т.е. это зоны растяжения, а повышенные величины гелиевого отношения указывают на их глубинный характер.
На местности эти зоны проходят по долинам рек Кыртык-Бийтик-Тебе (субширотная), долине Худеса и далее по Кубани (северо-западная) и по долине р. Малка (северо-восточная).
Таким образом, тектонические движения любой направленности практически всегда должны вызывать активизацию магмоподводящих каналов Эльбрусского вулканического центра. Вероятно, это и обеспечивает долговременный характер активности Эльбруса, что коренным образом отличает его от других вулканических структур неоген-четвертичного возраста рассматриваемого района.
|
