Толбачик — геохимический феномен

Известно, что высокие содержания калия характерны для лав плюмовых извержений. Все без исключения плюмовые породы, от щелочных до нормальных базальтов, насыщены калием и другими элементами 1-й группы, в первую очередь — цезием. В случае плюмовых извержений калий поступает с больших глубин: из металлического ядра планеты, содержащего, очевидно, этот элемент в больших количествах. Однако все извержения на островных дугах обычно натриевые.

Здесь нужно особо отметить, что проблематика, связанная с соотношением содержания в породах калия и натрия, очень важна. Глобальные геохимические особенности состоят именно в том, что вся кора континентов калиевая, а морская и океаническая — натриевая, что естественно, потому что в самой морской воде много натрия, а калий хотя и присутствует, но в очень малых количествах. Тем не менее на Толбачике мы имеем дело с высококалиевыми породами, несмотря на то что вулканы Камчатки подпитываются благодаря погружению Тихоокеанской литосферной плиты под Охотоморскую. Также в породах на Толбачике много цезия, поскольку содержание К и Cs в изверженных лавах всегда прямо взаимосвязано.

Академик Н. Л. Добрецов, известный российский геолог и главный редактор журнала «Наука из первых рук». Толбачинский дол, 2014 г. Фото С. Котлярова

Эта проблема «калия и натрия» только сейчас начинает по-настоящему обсуждаться, и можно надеяться, что на примере Толбачика она будет каким-то образом прояснена. В монографии, выход которой стал одним из поводов для написания этой статьи, мы приводим нашу модель REFC, представляющую собой систему уравнений для описания эволюции состава магматических камер. Суть ее в том, что в вулканической структуре присутствуют несколько очагов магмы, между которыми все время идет непрерывный обмен веществом. Изменения в вышележащем очаге всегда связаны с изменениями в другом, более глубинном, вплоть до того, что пять таких очагов могут работать как единая проточная колонна — именно такой процесс мы наблюдаем на Толбачике. Подобные системы могут порождать много необычных геохимических черт, в том числе и формировать нехарактерные для субдукционного извержения высококалиевые щелочные магматические породы.

Помимо высокого содержания калия и цезия, лавы Толбачика и ассоциированные с ними горячие газовые выделения фумарол и сольфатаров (небольших отверстий и трещин в кратере вулкана или застывающих лавовых потоках) содержат ртуть и большое количество сульфатов. Это является результатом «наложения» низкотемпературных (неглубинных) геотермальных процессов, что весьма типично для вулканов островных дуг (яркий пример — кальдера камчатского вулкана Узон с ее мощными газо-гидротермальными источниками).

В СМИ широко рекламировалось открытие на Толбачике свыше десятка новых, ранее неизвестных минералов, найденных геологами из МГУ. Следует уточнить, что большинство этих минералов обязано своим происхождением именно низкотемпературной геотермальной активности. Такие минералы можно «поймать» в выходах вулканических газов из фумарол, однако они быстро разрушаются в результате растворения и окисления. И в этом смысле исключительность Толбачика заключается еще и в его доступности, благодаря которой исследователи имели уникальную возможность изучать все это «вживую», непосредственно во время извержения.

Вообще же в наши дни геологи ежегодно открывают несколько десятков новых минералов, хотя лишь немногие из них являются продуктами глубинных магматических процессов. К новым открытиям приводит не только изучение современного вулканизма, но и ксенолитов — обломков пород, которые выносятся магмой из верхней мантии. Свой вклад в минералогическую «копилку» внесли и новосибирские минералоги. Например, известны работы В. Н. Васильева по гидротермальным и рудным минералам. Академик Н. В. Соболев и его ученики обнаружили около двух десятков новых минералов в высокобарических алмазоносных гнейсах Кокчетавского пояса и в кимберлитах (как в глубинных ксенолитах, так и в виде включений в алмазах). Эти открытия были сделаны совместно со специалистами из Японии и Сингапура, на вооружении которых имеются «тонкие» методы исследования, так как эти минералы обычно представлены слишком мелкими включениями, чтобы увидеть их в микроскоп.

Вулкан Безымянный с высоты птичьего полета. Видно, как внутри кальдеры, образовавшейся в результате взрыва 1956 г., растет новый активный конус. Фото И. Кулакова

Возвращаясь к Толбачику, нужно сказать еще об одной геохимической особенности, которая чуть не стала сенсацией. Это ассоциация самородных металлов и микроалмазов, обнаруженная при изучении состава лав последнего извержения. Ряд специалистов, и я в том числе, уверены, что речь идет об обычном техногенном загрязнении. Об этом свидетельствует сам список, в котором присутствуют отечественный дюралюминий, латунь и другие техногенные металлы. Все это «богатство» — составная часть атмосферного аэрозоля, который может существовать годами. В лаву же эти частицы вместе с вулканическим пеплом могли попасть благодаря большому тайфуну.

Много такой техногенной пыли, включая и наноразмерные алмазы, сегодня поступает в атмосферу с континентального Китая, где, кстати, имеется самое большое в мире производство промышленных алмазов, в том числе абразивного качества. Из-за изменения климата и направления ветров эта пыль сейчас выносится на Камчатку и в Охотское море. Поэтому последнее извержение на Толбачике еще раз напомнило о необходимости изучения процессов глобального атмосферного переноса.

В заключение напомню, что вулканизм является важнейшим фактором рудообразования, а субдукционные условия благоприятны для формирования месторождений ряда элементов, таких как золото и серебро, медь и молибден, а также полиметаллических элементов. И хотя все вулканические рудопроявления не являются крупными по запасам, они отличаются очень высокими, часто ураганными концентрациями элементов. К тому же и формируются такие месторождения в геологическом масштабе достаточно быстро: менее чем за миллион лет.

На Камчатке имеются достаточно большие месторождения золота и серебра, а также более мелкие — меди и молибдена. На курильском вулкане Кудрявом прямо в жерле обнаружены отложения минералов теллура, меди, серебра и др. А на Урале, который представляет собой древнюю островную дугу, — месторождения меди, свинца и цинка. Именно эти древние вулканы дали сырье для пушек и пуль армии Петра I, послуживших основой первого промышленного переворота в России. А купцы Демидовы, разрабатывавшие месторождения, учредили первую отечественную научную премию, которая присуждается до сих пор и которой были удостоены несколько сибирских геологов: академики М. Н. Кузьмин, А. Э. Конторович и Н. Л. Добрецов.

Литература
1. Большое трещинное Толбачинское извержение. Камчатка. 1975–1976 / Отв. Ред. С. А. Федотов. М.: Наука, 1984. 637 с.
2. Добрецов Н. Л., Кирдяшкин А. Г., Кирдяшкин А. А. Глубинная геодинамика. 2-е изд., доп. и перераб. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. 410 с.
3. Крашенинников С. П. Описание Земли Камчатки. СПб., 1994. Т. 1, 2.
4. Кулаков И. Ю., Добрецов Н. Л., Бушенкова Н. А. и др. Форма слэбов в зонах субдукции под Курило-Камчатской и Алеутской дугами по данным региональной томографии // Геология и геофизика. 2011. Т. 52. № 6. С. 830–851.
5. Churikova T. G., Gordeychik B. N., Iwamori H. et al. Petrological and geochemical evolution of the Tolbachik volcanic massif, Kamchatka, Russia // J. of Volcanology and Geothermal Research. 2015. № 307. Р. 156–181.
6. Koulakov I., Abkadyrov I., Arifi N. Al. et al. Three different types of plumbing system beneath the neighboring active volcanoes of Tolbachik, Bezymianny and Klyuchevskoy in Kamchatka // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2017. V. 122. N. 5. P. 3852–3874. DOI: 10.1002/2017JB014082.
7. Kugaenko Y., Titkov N., Saltykov V. Constraints on unrest in the Tolbachik volcanic zone in Kamchatka prior the 2012–13 flank fissure eruption of Plosky Tolbachik volcano from local seismicity and GPS data // J. of Volcanology and Geothermal Research. 2015. V. 307. Р. 38–46.