Как изучение термальных вод помогает предсказать вулканические извержения

Ученые Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН изучали в нынешнем полевом сезоне термальные воды на острове Парамушир (Сахалинская область). Какие задачи они ставили, рассказала заместитель директора ИВиС по научной работе, к.г.-м.н. Елена Калачева.

Елена Геннадьевна, в чем научный интерес этой экспедиции? Имеет ли исследование народнохозяйственную ценность?

Елена Калачева: На Парамушире находится один из самых интересных и самых активных вулканов Курильских островов - Эбеко. Этот вулкан привлекает внимание не только "классических" вулканологов для изучения характера и продуктов извержения, но и специалистов других направлений в области наук о Земле (минералогов, геохимиков, геофизиков и других). Наш гидрогеохимический интерес связан с тем, что постройка вулкана вмещает гидротермальную систему, содержащую уникальный тип термальных вод, которые разгружаются в околократерной зоне и на северо-западном склоне.

Их уникальность в том, что это самые настоящие вулканические воды. Они формируются за счет взаимодействия восходящего потока магматических газов с подземными водами в приповерхностных условиях. В результате такого взаимодействия образуется соляно-серный раствор с рН < 1, способный выщелачивать большинство компонентов из вмещающей систему породы. Далеко не на каждом вулкане могут образовываться такой тип вод, здесь играет роль и специфика строения вулкана, и соответствующий климат, и степень взаимодействия с окружающими породами, и время нахождения воды в системе. Если коротко, это должна быть "проточная" система с достаточно высокой скоростью фильтрации.

Вулкан Эбеко как раз классический пример образования таких систем. И поскольку формирование ультракислых термальных вод идет с участием магматических газов, это позволяет проводить геохимический мониторинг состояния вулкана. Дело в том, что химический состав таких вод чутко реагирует на изменение состояния своего "хозяина". И наша основная задача - поиск в составе воды геохимических индикаторов, которые наиболее точно указывают на приближение вулканических волнений.

Источники в долине реки Юрьева, расположенной с северо-западной стороны вулкана, оказались потенциально полезными для такого изучения. Для них есть наиболее длинный ряд наблюдений - как наших, так и наших предшественников, и с осени 2016 года вулкан находится в активной фазе: извержение не заканчивается, практически каждый день происходят пепловые выбросы, которым периодически присыпает Северо-Курильск. Жители очень обеспокоены поведением своего грозного соседа.

Изучая Верхне-Юрьевские источники, мы выявили, что они действительно реагируют на изменение состояния вулкана, причем максимальный эффект достигается до начала вулканического события, продолжается некоторое время, а потом идет на спад, несмотря на то, что извержение еще продолжается. В ответ на увеличившийся поток магматических газов еще за 2,5 месяца до начала извержения мы увидели рост концентраций отдельных компонентов и минерализации в целом, поменялся изотопный состав воды. Однако проблема в том, что результаты химического и изотопного анализа мы получили уже после начала извержения. Но, если поставить данный мониторинг на регулярную основу с проведением экспресс-анализа только необходимых компонентов, то можно будет делать выводы о состоянии вулкана еще по одному параметру, и это увеличит вероятность успешного прогнозирования. У нас будет возможность предупредить городские власти и население о том, что вулкан находится в нестабильном состоянии и может произойти вулканическое событие.

Правда, находятся источники достаточно далеко от Северо-Курильска и добраться до них не очень просто. Поэтому мы стараемся во всех реках на восточном склоне Эбеко тоже выискивать возможные разгрузки подземных вод, пригодные для геохимического мониторинга, но пока достаточно продуктивных найти не удалось.

Вы назвали термальные воды Эбеко уникальными. Неужели ни на Камчатке, ни на других Курильских островах подобных нет?

Елена Калачева: На Камчатке источников с таким типом вод действительно нет. Зато есть озеро с ультракислой водой сульфатно-хлоридного состава, которое находится в кратере активного вулкана Малый Семячик. Оно очень интересно, мы за ним также ведем наблюдение. В зависимости от состояния вулкана в озере меняется не только химический состав, но и цвет воды.

На Курильских островах ультракислых вулкано-гидротермальных систем, разгружающихся в виде источников, как минимум двенадцать. Расположены они на островах Парамушир, Шиашкотан, Кетой, Уруп, Итуруп и Кунашир. Однако каждая из них имеет особенность. Классические ультракислые вулканические воды, которые можно использовать для слежения за вулканами, кроме Эбеко, есть также на вулкане Баранского на Итурупе.

Но бывает так, что термальные потоки по пути движения к области разгрузки в значительной мере разбавляются холодными грунтовыми водами и на поверхности появляются в виде теплых источников с пограничным pH (~3). Обычно разгрузка разбавленных вод сопровождается протяженными плащами, состоящими их гидроокислов железа с примесью других минералов. Такие источники есть, например, на вулкане Синарка на Шиашкотане или вулкане Берга на Урупе. Такие воды интересно изучать с позиции современного минералообразования.

Другие смешиваются с контрастным типом термальных вод, и на поверхности в местах их выходов образуются ярозитовые травертины. Наиболее богато такие воды представлены на вулкане Менделеева на Кунашире. Они больше интересны в бальнеологических целях, в них самое высокое содержание бора, селена, лития и других элементов, полезных для организма человека. Кстати, на Кунашире есть небольшой водно-оздоровительный комплекс, использующий ультракислые Нижне-Докторские источники, а также воду скважин, пробуренных вблизи этих источников, для наполнения бассейнов.

Какими методами, при помощи какого инструментария вы ведете исследования?

Елена Калачева: У нас есть ряд небольших полевых приборов, которые позволяют измерить температуру источника, pH, Eh, минерализацию. Это дает возможность сразу понять физико-химические параметры воды, а также определить, стоит ли брать пробу для дальнейших аналитических исследований. Пробы отбираем в особую полулитровую тару из термостойкого пластика - температура воды бывает до 90°. На микроэлементы, на изотопный состав берем образцы отдельно, фильтруя их в небольшие специальные пробирки объемом 15 или 50 миллилитров.

Изучение образцов идет и на месте, и по возвращении в институт, часть проб анализируем у себя в лаборатории постмагматических процессов, часть отдаем в наш Аналитический центр. Более сложную аналитику, которую невозможно сделать у нас ввиду отсутствия соответствующего оборудования, включая определение микроэлементов методом IСP-MS, изотопного состава воды, серы, стронция, приходится делать за плату в других научных учреждениях нашей страны - во Владивостоке, Иркутске, Москве. Надо сказать, что с очень кислой водой тяжело работать, и не все берутся за это. Иногда приходится прогонять одну пробу несколько раз, определять элементы разными методами, чтобы удостовериться в правильности полученных результатов.

Насколько изменились наши знания о термальных водах и способы их исследования по сравнению с 50-ми годами прошлого века, когда ученые начали такие работы?

Елена Калачева: За это время сильно шагнула вперед аналитическое база. В 50-60-е часто использовали полевую гидрохимическую лабораторию, которая приблизительно устанавливала концентрации, а часть элементов находили расчетным путем. Анализ микроэлементов проводился методами "мокрой" химии, спектрофотометрии, атомной абсорбции (AAS), в редких случаях - методом нейтронной активации, про методику масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой еще не знали.

Сейчас в распоряжении ученых есть высокоточные ионные хроматографы, масс-спектрометры и другие приборы. Есть хорошие портативные экспедиционные приборы, о которых мы даже в конце 1990-х, когда я пришла в институт, еще не мечтали. То есть у нас есть возможность определять количественный и качественный состав с большей достоверностью.

Конечно, изменились, расширились, трансформировались подходы к изучению условий формирования, разгрузки термальных вод, к их роли в геохимических циклах отдельных элементов, в оценках влияния на экосистемы. Но надо отдать должное, основы изучения геохимии термальных вод, заложенные в те годы, актуальны и сейчас. Так в конце 1950-х - начале 1970-х на Камчатке и Курильских островах был выполнен большой объем работ, которые легли в основу ряда монографий и большого количества статей. Классификация термальных вод областей активного вулканизма, предложенная д.г.-м.н. В.В. Ивановым, по прежнему актуальна и востребована. И отправной точкой нашего мониторинга, основой всех наших наблюдений всегда являются данные, полученные в тот период. Любимой моей книгой по Курильским островам, которую я всегда вожу с собой в поле, является монография Е.К. Мархинина, Д.С. Стратулы "Гидротермы Курильских островов", выпущенная в 1977 году, а по Камчатке - книга Б.И. Пийпа "Горячие ключи Камчатки" 1937 года.

Каким образом финансируется деятельность по изучению геотермальных вод на Камчатке и Курилах?

Елена Калачева: Самый больной вопрос! Бюджетного финансирования для исследований на островах просто нет. Выделяемые средства покрывают только зарплату, коммунальные расходы и проведение работ вблизи Петропавловска-Камчатского.

Изучение островов было, есть и будет очень затратным мероприятием. Относительно доступны Парамушир, Кунашир и Итуруп, с которыми есть авиа- и морское сообщение.

Но и это очень относительно. Добраться до Северо-Курильска просто: летает рейсовый вертолет, ходит регулярно теплоход. А дальше как действовать? Для передвижения по острову требуется вертолет или лодка. Либо там, где есть дорога, нужно договариваться о машине с местными жителями. И это, конечно, требует денег, желательно наличных, никто из местных жителей "заморачиваться" договорами не будет, а там, где есть договор, цена значительно увеличивается.

Единственный путь получить дополнительное финансирование - гранты научных фондов. Первый большой грант от Российского научного фонда мы получили в 2015 году и почти сразу (для работ в 2016-м) арендовали экспедиционное судно "Афина" вместимостью до 22 человек. Но надо сказать, что наш научный коллектив в 12 человек на этом судне чувствовал себя вполне комфортно, больше - было бы уже тесно.

Тогда мы смогли отработать практически все острова северной половины Курильской гряды - от Парамушира до Кетоя, на большее не хватило средств. Практически годовой бюджет нашего гранта ушел на двухнедельную экспедицию. Зато мы привезли огромное количество материала, в том числе уникального, с которым работаем и по сей день.

Потом был еще один грант (2020-2022 годы), также от РНФ. Мы провели еще две экспедиции, но уже на малых судах, работали на Парамушире, Онекотане, Шиашкотане.

Самое сложное на Курильских островах - это непредсказуемость погоды. Обидно до слез, когда подходишь к острову, затратив кучу сил и денег, а высадиться не можешь. Ты совсем рядом, видишь, как поднимается пар с термальной площадки или от фумарольного поля, но вынужден отступить. Так два года подряд мы пытались попасть на кратерное озеро острова-вулкана Райкоке, образовавшееся после крупного извержения вулкана летом 2019 года. Мы сумели высадиться на этом островке, подняться к кратеру, но плотная облачность и сильный ветер, которые практически постоянно бывают вблизи вершины не дали возможность поработать. Наши мужчины каждый раз героически сидели на вершине по нескольку часов в ожидании хоть какого-нибудь просвета, но - увы! - каждый раз даже на вытянутую руку ничего не было видно.

Какие экспедиции по исследованию термальных вод намечены на ближайшую перспективу?

Елена Калачева: Сейчас мы больше нацелены на Камчатку. Третий год активно работаем на вулканах Узон, Кихпиныч, Карымский - там совсем другие типы вод, но тоже очень интересные.

Большой объем наших работ связан с экологическим аспектом - изучаем влияние вулканической и гидротермальной деятельности на химический состав рек и озер. Третий год мониторим главную водную артерию полуострова - реку Камчатка. Она огибает активную Ключевскую группу вулканов и Шивелуч, который, принес много неприятностей жителям Усть-Камчатского района в последние два года, в результате извержения апреля 2023-го был засыпан пеплом поселок Ключи, а осеннее извержение этого года оставило слой пепла в Усть-Камчатске. Вот одна из наших задач - понять, насколько пепловые покровы оказывают влияние на химический состав реки Камчатки. Но это уже другая история, и не совсем про термальные воды.