Гидротермальные (геотермальные) и гидротермально-магматические системы

Аверьев, 1961; Vakin et al., 1970; Набоко, 1974; Белоусов, 1978; и др. определяют это понятие как специфические водонапорные системы, возникающие в земной коре в областях современного вулканизма при внедрении в водоносные слои глубинного теплоносителя - магмы или надкритического водного флюида. Согласно В.И.Белоусову и В.М.Сугробову эти термальные аномалии приурочены к определенным геологическим структурам и характеризуются поверхностными проявлениями гидротермальной активности (Белоусов, Сугробов, 1976). Однако, в ряде случаев гидротермальные процессы не проявляются на дневной поверхности и существование гидротермальных систем становится известным только после бурения скважин. В.И.Кононовым (Кононов, 1983): под гидротермальной системой понимаются гидродинамические системы, заключенные в рамках отдельных геологических структур, формирующихся либо при нагревании вод в региональном тепловом поле в результате их глубокой циркуляции, либо еще и при дополнительном поступлении в водоносные горизонты глубинного тепла, приносимого магмой или надкритическим флюидом. Рычагов С.Н. (2003) под гидротермальной системой понимает «…закономерно организованная часть земной коры над источником теплового питания и в области его влияния, в пределах которой благоприятное сочетание геологических тел, зон проницаемости и гидрогеологических структур приводит к переносу тепловой энергии с глубин к дневной поверхности посредством конвекции воды в жидкой или паровой фазе при положительных температурах».

В последние годы в связи с бурением на геотермальных месторождениях Японии, Италии, Новой Зеландии, Филиппин и России в недрах гидротермальных систем вскрыты горячие интрузивные (субвулканические) тела. Прямыми наблюдениями установлено взаимодействие глубинных восстановленных газо-гидротермальных растворов с около поверхностными водами (Deep-Seated…, 1996; Белоусов и др., 2002; Рычагов и др., 2002). Рычагов С.Н. и другие исследователи предложили назвать таких структуры гидротермально-магматические системы. Данное понятие предусматривает получение прямых доказательств наличия в недрах системы горячего субвулканического тела или его связи с современным периферическим магматическим очагом. Магматический источник теплового питания системы является основным, но может инициировать образование другого, дополнительного, источника тепла и вещества, также длительно действующего, например, химического генезиса.

Гидротермально-магматические системы: классификация типов геотермальных систем и их рудная минерализация

(смотри Bogie et al., 2005, смотри Приложение)

Как активные, так и потухшие гидротермальные системы могут быть идентифицированы или по современной тепловой деятельности, или по признакам прошлой тепловой деятельности, проявленным во вмещающих породах. Часть более древних систем и некоторых молодых систем могут содержать промышленные гидротермальные рудные месторождения. Все эти системы могут группироваться в качестве гидротермальных систем, связанных с магматической деятельностью. Другие гидротермальные системы, связанные с тектонической активностью без такой непосредственной связи с магматизмом могут содержать также рудные месторождения.

Поскольку современные активные гидротермальные системы, связанные с магматизмом, чётко определяются тектоническими и гидрологическими позициями и обладают потенциальными возможностями для образования более одного типа рудных месторождений в некоторых гидротермальных системах, то любая генетическая классификационная схема должна базироваться на современных системах.

Рис. 1. Классификационная схема гидротермальных систем, связанных с магматизмом.

Рис. 4. Схематическая модель зрелой стратовулканической гидротермальной системы.

Рис.6. Схематическая структурная модель Геотермального поля Травале (геотермальный район Лардерелло-Монте Амиата) (Bertini et al., 2005, Proceedings World Geothermal Congress 2005 )

Субаэральные системы.

Бассейновые системы.

Название этих систем предполагает их расположение в топографических бассейнах (депрессиях), главным образом, в рифтах. Поскольку большинство бассейнов располагаются на мощной континентальной коре с относительно низкой плотностью, то магматические интрузии обычно находятся относительно на большой глубине. Незначительная разница плотностей обусловливает подъем интрузий за счёт диапиризма на более высокие уровни земной коры. Однако, присутствие проницаемых структурных зон растяжения, образованных при формировании бассейна, означает, что подъём магм происходит в центральную часть бассейна (рис.2).

Системы с высокой минерализацией. Бассейновые рассолы, нагретые региональным тепловым потоком, являются, относительно обычными в мире (юго-западом США и северо-западом Мексики). Они ответствены за формирование многих рудных месторождений других типов, таких, например, как полиметаллические месторождения типа долины Миссисипи. Чрезвычайно высокая минерализация (во много раз выше морской воды) может быть обусловлена эвапоритизацией, происходящей в озерных отложениях.

Системы с низкой минерализацией. Эти системы являются самыми обычными системами бассейнового типа, к которому относятся большинство систем Вулканической зоны Таупо в Новой Зеландии с кипящими нейтральными хлоридными источниками и гейзерами. Они отличаются от магматических сольфатар тем, что в их составе содержится H₂S и связанные с ним продукты окисления, а не SO₂. Эти резервуары содержат восстановленные нейтрально-хлоридные воды с низкой минерализацией (смотри Bibby et al., 1995 в приложении).

Стратовулканические системы.

Эти системы размещены в стратовулканах, которые способствуют интрузии достичь малых глубин (возможно даже до 1 км). Минимальная глубина контролируется тем насколько эффективно расплав, содержащий летучие компоненты, может сохраняться в вулканической толще без вулканического взрыва Поскольку стратовулканы могут образоваться на континентальной коре разной плотности и мощности, то имеется также область для размещения множества более глубоких интрузий, формирование которой обусловлено разницей плотностей расплавов и земной коры и содержаниями летучих компонентом в расплаве. Интрузии с повышенными концентрациями летучих имеют плотность, способствующую их подъёму, однако, также необходимо наиболее высокое давление, для сохранения летучих компонентов в расплаве. Восходящее движение расплава сопровождается потерей летучих компонентов, что приводит к твердению расплава в земной коре и формированию типичных порфировых структур. Следовательно, размещение расплавов, наиболее насыщенных летучими компонентами, ограничено по глубине, а расплавы с меньшими содержаниями летучих располагаются в вулканической постройке толще и могут в ней оставаться не извергаясь. Разница давлений, при которых происходит отделение летучих компонентов из неглубоких и глубоких интрузий обусловливает разнообразие химического состава летучих компонентов каждого типа. Неглубокое залегание интрузий благоприятствует формированию магматических сольфатар с SO₂-HCl составом гидротерм в очагах разгрузки.

Конвективная система будет зарождаться в окружающей метеорной воде и, со временем, вода в системе будет нейтрализоваться, образуя высокотемпературную, зрелую систему пригодную для генерации электричества. Глубинным интрузиям необходимо меньше времени, чтобы сформировались нейтральные воды, но требуется миграция более крупного объёма метеорных вод до того, как образуется полная конвективная ячейка. Существует временной лаг в обоих случаях перед тем, как сформируется зрелая система. Разница между ними заключается в том, что одна будет иметь непосредственный выход на дневную поверхность в виде поверхностных проявлений в форме магматических сольфатар, в то время как в другом случае тепловая активность на поверхности возникнет несколько позже. Однако, есть высокая вероятность, что незрелые системы с магматическими сольфатарами не смогут преобразоваться в зрелую систему, поскольку они будут разрушаться вулканическими взрывами, как, например, произошло на горе Пинатубо на Филиппинах. Конвективная гидротермальная система здесь была вскрыта геотермальными скважинами до извержения 1991 года (Delfin et al., 1996). Следовательно, лишь последняя сольфатара, наследующая вулканическую активизацию, может преобразоваться в геотермальную систему, пригодную для промышленного освоения.

И, так, андезитовые стратовулканы, которые содержат гидротермальные системы, пригодные для генерации электричества, имеют зрелые вулканические формы рельефа с наложенными вершинными кальдерами и комплексами куполов и в зависимости от воздействия местных погодных условий могут подвергаться значительной эрозии. Частично эта эрозия будет обусловлена гидротермальными изменениями, ослабляющими вулканическую постройку. Многие системы подвержены секторным обрушениям, которые могут быть связаны с рудообразованием, потому что создавались значительные гидрологические нарушения нормального режима. (т.н. золотое месторождение Ладолам на острове Лихир а Папуа Новая Гвинея, Carman, 2003).

Стратовулканические незрелые системы. Почти все андезитовые стратовулканы, которые могут рассматриваться, как действующие и не извергались, дегазируют и в некоторых редких случаях могут образовывать экзотические сублиматы, как, например, отложения богатые молибденом и рением, обнаруженными на вулкане Кудрявом на Курильских островах в России (рис.3)(Znamensky et al., 1997).

Момент, когда дегазирующий вулкан можно рассматривать в качестве активной гидротермальной системы трудно определить, поскольку дегазация вулканов, содержащие высокотемпературные гидротермы в форме пара, могут рассматриваться, как гидротермальные системы sensu lato. Здесь также может быть очень ограниченный временной интервал нагрева метеорных вод в окружающей вулканогенной толще и начала конвекции после начала дегазации. Эти системы могут характеризоваться фумаролами, содержащими магматические летучие компоненты: HCl, HF и SO₂. Они могут быть также перегретыми. Если здесь происходит конденсация вблизи дневной поверхности, некоторые летучие компоненты могут быть потеряны, но химический состав газов в фумаролах будет иметь чёткий «замороженный» состав, который служит отличительным признаком фумарольных газов зрелой системы. Имеется хорошо изученный объект Алто Пик на Филиппинах, где степень конденсации такая, что химический состав фумарольного газа находится в равновесии с фумарольными газами зрелой системы. Глубоким бурением в верхней части такого типа стратовулкана встречена струя магматического пара.

Обычно, магматические сольфатары характеризуются обильными отложениями серы в виде серных труб вокруг фумарол и изредка небольшие кратеры и потоки расплавленной серы, как, например, на Билиран на Филиппинах. На некоторых вулканах, где кратеры заняты озерами, магматические летучие компоненты конденсируются в них и озера имеют кислую реакцию и высокую температуру, как, например, это происходит на вулкане Мутновском на Камчатке. Вниз по склону от фумарольного поля или озера располагаются горячие источники с химическим составом HCO₃ – SO₄ – Cl, которые отлагают травертины. Некоторые системы значительно эволюционируют, образуя резервуары хлоридных гидротерм, пригодные для генерации электричества. Примером таких систем является гора Апо на Филиппинах (Sambrano, 1998). Другие системы, по-видимому, могут быть недолговечными, поскольку они будут разрушены последующими вулканическими извержениями.

Стратовулканические зрелые системы. Зрелые системы могут маркироваться термопроявлениями на обширной площади, хотя некоторые хорошо скрытые системы могут иметь ограниченные поверхностные проявления (рис. 4). Термопроявления характеризуются большим разнообразием, обусловленным их абсолютной отметкой на рельефе. На высоких уровнях располагаются сольфатары, или кайпоханс (места выделения холодного газа, где происходила значительная около поверхностная конденсация, сопровождавшаяся удалением водяного пара) (Bogie etal., 1987). Химический состав газов в фумаролах существенно отличается от химического состава газа фумарол в магматических сольфатарах. Сульфатно-кислые источники могут существовать или на сольфатарах, или самостоятельно на аналогичных абсолютных отметках. На более низких высотах встречаются хлоридно-нейтральные источники с отношением HCO₃/SO₄, возрастающем по мере понижения рельефа. Они могут иметь повышенные концентрации Cl при уменьшении абсолютных отметок. Хлоридно-нейтральные источники встречаются также на термальных площадках, расположенных самых низких отметках рельефа и в некоторых случаях здесь же могут находиться гейзеры, отложения кремнезема и кратеры гидротермальных извержений, но обычно в меньшем масштабе, чем термопроявления характерные для бассейновых систем (Lawless et al., 1995).

Вариации химического состава источников, обусловленные их абсолютными отметками, являются следствием формирования подвешенных горизонтов вторичных гидротерм в вулканической постройке стратовулкана. Вблизи восходящего потока системы располагаются подвешенные сульфатно-кислые водносные горизонты. По мере того, как из этих горизонтов изливается в вулканическую постройку, они нейтрализуются в результате взаимодействия с породами, сопровождаясь выделением газообразного СО2 с образованием углекислоты, которая регирует с породами с образованием HCO₃. Подстилающие Подвешенные водоносные горизонты подстилаются горизонтами нейтрально-хлоридными гидротерм, которые кипят в восходящем потоке, питают паром и газами горизонты вторичных гидротерм. По мере того, как первичные гидротермы растекаются от восходящего потока, они могут встречаться и смешиваться с вторичными гидротермами на более низких отметках. Этот процесс является ключевым отличием от незрелых систем, которые могут также иметь хлоридные источники, но на высоких абсолютных отметках.

Хлоридно-нейтральные воды глубоких резервуаров характеризуются умеренной минерализацией и, в связи с этим, они способны транспортировать золото, серебро и полиметаллы, как в виде бисульфидных, так и в виде хлоридных комплексов.

Другим, более редким, типом зрелых систем являются преимущественно паровые системы, размещенные в андезитовых стратовулканах. Некоторые хорошо известные примеры таких систем находятся в западной Яве в Индонезии и представлены Системами Дарайят и Камойянг. Для них характерно существование более ранних преимущественно жидко-водных систем и, по крайней мере, геологическая структура западной Явы может рассматриваться в качестве конечной стадией эволюции андезитовой стратовулканической гидротермальной системы. Их резервуары имеют температуры примерно 240⁰С и гидротермы в них представлены смесью пара и воды, которая имеет бикарбонатный химический состав. Предполагается, что сильно минерализованные воды (сильно кипевших хлоридных гидротерм) подстилают эти водоносные горизонты, но это ещё надо подтвердить более глубокими скважинами.

Гигантские преимущественно паровые системы. Две известные гигантские пародоминирующие системы Гейзерс в США (Stimac et al.,2001; Brikowski, 2001; Driesner, Geiger, 2007 в приложении) и Лардерелло в Италии (рис.6) существенно отличаются от преимущественно паровых систем андезитовых вулканов.

Кроме того, что эти системы значительно более мощные, они размещены внутри и в окрестностях больших интрузивных тел, которые внедрились в мощные осадочные толщи. Для этих систем характерно наличие свидетельств о ранних фазах контактового метаморфизма и присутствия преимущественно водных систем, которые со временем испарились. Хотя скважины производят сухой пар, здесь присутствует смесь пара и воды с бикарбонатным химическим составом гидротермальных растворов в резервуаре. Эти гидротермы в системе образованы взаимодействием метеорных вод, связанных или метаморфических вод и магматической воды.

Подводно-морские системы.

Пробы терм, дренируемых подводно-морскими каналами в спрединговых центрах, свидетельствуют, что эти воды преимущественно представляют собой химически измененную морскую воду, которая циркулировала и взаимодействовала в преимущественно базальтовых вулканических толщах. Дрены подводно-морских андезитовых стратовулканов формируют смеси морской и магматических вод. Присутствие магматических флюидов обусловливает разницу природы и характера гидротермальных изменений и, сопряженного рудообразования, в гидротермальных системах, в которых морская вода является циркулирующим флюидом (смотри Короновского Н.В., Сайт «Всё о геологии»).

Подводно-морские магматические системы.Поскольку эксплуатация этих систем ещё находится на ранних стадиях, то чёткое определение незрелых и зрелых систем ещё не определено. На эти системы оказывает большая толща морской воды, таким образом, магматические интрузии, насыщенные летучими могут внедряться в придонные горизоты без эруптивных процессов, хотя в непосредственной близости, вероятно, могут происходить фреатомагматические извержения. Следовательно, очень высокотемпературные условия могут находиться вблизи морского дна и вертикальное расстояние между источником тепла системы и точкой выхода на поверхность дна флюидов небольшое. Таким образом, магматические летучие компоненты подвергаются очень незначительному разбавлению морской водой и энергично проявляются. Как только этот флюид встретит холодные, слабо щелочные морские воды на морском дне резкое нарушение химического равновесия приводит к почти мгновенному образованию сульфидов и барита. Может также происходить изменение вмещающих пород с образованием алунита и пирофиллита.

Подводно- морские (подводно-океанические) системы. Эти системы встречаются в спрединговых центрах, как вдоль срединно-океанических хребтов, так и в спрединговых центрах тыловых дуг. Их проявление на морском дне выражается в форме черных курильщиков, где горячая вода выходит из системы в море и смешивается с холодной морской водой, и сопровождается отложением сульфидов. Подводно-морские системы образуют химически измененную морскую воду с признаками небольшого количества магматических летучих компонентов, за исключением событий, связанных с вулканическими извержениями. Поскольку интенсивность гидротермальной активности возрастает в процессе вулканического извержения, то наблюдается очень тесная магматическая связь с расчётами глубины внедрения даек примерно на глубину 200м ниже морского дна. Это отражается на высоких температурах воды, выходящей из этих систем, которые могут достигать 408⁰С, критической температуры морской воды. С другой стороны, высокие гидростатические давления значительно ограничивают процесс кипения этих гидротерм. Поскольку магмы, участвующие в формировании спрединговых хребтов имеют низкие содержания летучих компонентов, то преобладающими гидротермами в системах является морская вода.

Bogie et al. Magmatic-related hydrothermal systems