Modern mineral formation in the thermal lake Fumarolnoe (Uson caldera, Kamchatka) is the key to paleoreconstruction

Cover Page

Abstract


Paleoreconstruction of events involved in the bottom sedimentation has been carried out on the base of mineral composition of a section of bottom sediments in the Lake IV (the Lake Fumarolnoe). The lower levels are composed there mainly of smectite in association with gypsum and jarosite; they are overlapped by smectite-kaolinite depositions with the large amount of diatom algae shells and the fraboidal pyrite. There is also a layer of sinter opal-pyrite structures and calcite. It is assumed that initially the lake IV was a mud pit with sulfide-bearing solutions, then, after the lowering of water level and the partial exposure of bottom sediments of the surface, the substance has been oxidized. The subsequent phreatic explosion has provided the covering of oxidized substance by the matter of lower layers of the pit. The further situation corresponded to the source, with the cyano-bacterial community developing around the griffin, and it was replaced by the site of a shallow-water lake similar to the contemporary one. The studied sedimentary formation includes two layers of pyroclastic material originated from neighbouring eruptions.


Донные отложения водоемов содержат большое количество информации об истории самого водоема и окрестных территорий. Широко используются осадки для реконструкции глобальных и локальных климатических циклов. Осадки термальных озер вулканических областей содержат также летопись ближайших извержений, изменения глубины водоема, физико-химических характеристик растворов и условий формирования и т. д. Кальдера вулкана Узон является одной из пяти крупных кальдерных структур Восточно-Камчатского пояса и представляет западную (преобладающую) часть Узон-Гейзерной депрессии, дно которой заполнено озерными отложениями мощностью более 50 м (Вулканизм.., 1974; Карпов и др., 1976; Migdisov, Bychkov, 1998; Бычков, 2009; Добрецов и др., 2015, и др.). В кальдере современная гидротермальная деятельность проявлена выходами на поверхность вод, нагретых от 30 до 100 °C. Насчитывается пять крупных термальных полей, лишенных растительности — Южное, Западное, Северное, Оранжевое и Восточное, а также большое количество мелких термальных выходов и площадок (рис. 1).

Главные термальные аномалии (Восточное термальное поле и оз. Фумарольное), насыщенные крупными фреатическими воронками, располагаются в субширотной зоне, которая маркирует на поверхности крупный глубинный разлом. В пределах Восточного термального поля располагается главное рудное тело, сложенное реальгаром, аурипигментом, антимонитом, пиритом, киноварью и метациннабаритом (Вулканизм.., 1974; Карпов, 1988; Бычков, 2009). Озеро Фумарольное (N 54°30′7.40″, E 159°59′16.85″), самое большое термальное озеро кальдеры Узон (рис. 1, 2), образовалось на месте нескольких крупных фреатических воронок диаметром до 150 м и глубиной до 25 м, разделенных узкими перемычками, в настоящее время скрытыми под водой и образующими систему небольших слабо изолированных озер (I, II, IV) (рис. 2). На дне и в стенках воронок происходит разгрузка перегретых Na-Cl вод. Температура поверхностного слоя воды колеблется от 23 до 36 °С, а вблизи термальных выходов повышается до 71 °С. В пляжной полосе располагается несколько аномально прогретых площадок (рис. 2). Большая группа источников сосредоточена на площадке Грязевой (IV озерко). В донных отложениях оз. Фумарольное установлены горизонты с высокими содержаниями As (Yeroshchev-Shak et al., 1985). К сожалению, это чуть ли не единственная работа, посвященная изучению минерального состава донных отложений этого уникального водоема. Данное исследование направлено на выявление особенностей минералов, слагающих осадок оз. Фумарольное для последующей реконструкции истории развития водоема.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Колонка осадка (39 см) отобрана недалеко от берега (N 54°30′7.40″, E 159°59′16.85″) вблизи небольшой воронки (рис. 2) с помощью цилиндрического пробоотборника из нержавеющей стали с вакуумным затвором конструкции НПО «Тайфун» (диаметр 82 мм, длина 40 см). Верхние жидкие, насыщенные водой, слабо консолидированные слои осадка (0—10 см) опробованы дополнительно с применением алюминиевого цилиндра (рис. 3). Вещество колонки на месте упаковывалось в герметичную пленку, доставлялось в лабораторию. Затем колонка разрезалась по длине, и образцы вещества отбирались в небольшие контейнеры с сохранением структуры осадка для изготовления аншлифов. Часть вещества сушилась и изучалась без полировки. Главные минералы, слагающие осадок, были диагностированы с помощью рентгенофазового анализа (дифрактометр ДРОН-4, Cu-анод) в ИГМ СО РАН. Состав и микроморфология минералов исследованы на сканирующем электронном микроскопе MIRA 3 LMU (Tescan Orsay Holding) с системами микроанализа Aztec Energy/INCA Energy 450+ XMax 80 и INCA Wave 500 (Oxford Instruments Nanoanalysis Ltd), позволяющими изучать наноразмерные частицы (Аналитический центр ИГМ СО РАН).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Осадочные слои различаются по цвету, плотности, гранулометрическому и минеральному составу (рис. 3). Верхняя часть (до 20 см) колонки представлена илистым материалом, имеющим красноватый оттенок, местами оранжевый. Осадок неоднородно окрашен в темный, почти черный цвет и имеет пятнистый облик. В интервалах 10—11 и 23.5—26.5 см наблюдаются резко отличающиеся по консистенции и цвету слои, содержащие более крупный обломочный материал (рис. 3, С-2, 5). В интервале 26.5—35 см цвет вещества меняется от серого до почти черного, плотность увеличивается, снижается пластичность и вязкость. Ниже отметки 35 см осадок имеет светло-желтый цвет и менее влажный.

По минеральному составу выделено 7 слоев осадка. Верхние 9 см (рис. 3, С-1) сложены преимущественно смектитом, каолинитом (с преобладанием последнего, рис. 4), створками диатомовых водорослей и пиритом. В осадке встречаются обломки вулканических пород и отдельные минеральные зерна, диагностированные как плагиоклаз и кварц. Наличие на рентгенограмме пика 9.9° говорит о присутствии в осадке некоторого количества цеолитов (гейландита и/или клиноптилолита), пика 17.97° — минерала группы ярозита—минамиита. Пирит в виде фрамбоидов и россыпи мелких кристаллов (рис. 5, а) распределен в слое неравномерно. Интервал 1—2 см обогащен сульфидами мышьяка (реальгаром и/или аурипигментом), которые, как правило, наблюдаются в виде скопления нитчатых выделений.

Вещество слоя C-3 схоже с таковым слоя C-1, но смектит преобладает над каолинитом и значительно выше содержание цеолитов (рис. 4). Диагностирован ярозит (2Θ 17.01°, рис. 4). По соотношению смектита и каолинита, а также содержаниям кварца и плагиоклаза слой С-3.1 близок к слою С-3. Но рентгенофазовый анализ показывает резкое увеличение содержания пирита (рис. 4). Кроме фрамбоидального пирита в слое наблюдается значительное содержание натечного пирита (рис. 6, a), содержащего примесь As (до 1.9 мас.%) и Sb (до 1.8 мас.%).

В верхней части слоя C-3.1 встречаются небольшие обособления кальцита (рис. 6, б), это единственное место в колонке, где установлен карбонат. Ниже на большом интервале распространены сульфиды As (рис. 3), их выделения подобны тем, что наблюдаются в верхней части колонки (рис. 5, б). Выделения сульфидов мышьяка очень тонкие и мелкие, что ограничило число достоверных анализов (таблица). Судя по соотношению мышьяка и серы, можно предположить, что среди этих сульфидов присутствует реальгар. Наличие других элементов в анализе объясняется малыми размерами частиц и захватом электронным пучком элементов из окружающих минералов. В нижней части слоя развит гипс (рис. 4). На границе слоев С-3.1 и С-4 обнаружено много «скорлупок», сложенных опалом и пиритом. Натечный пирит, с повышенным содержанием As и Sb (таблица, пирит I) образует механическую примесь в опале (рис. 6, в), что придает последнему черный цвет. Нижняя и верхняя части «скорлупок» сложены створками диатомей. Между створками и опалом расположен слой фрамбоидов пирита (рис. 6, в). Фрамбоидальный пирит в отличие от натечного, как правило, не содержит примеси Sb и As, хотя встречаются отдельные фрамбоиды, в которых содержание As заметно выше (таблица, пирит II).

Лежащий ниже слой C-4 более всего по составу близок слою С-3, но содержит большее количество обломков и минералов вулканических пород.

 

Химический состав (мас. %) реальгара, антимонита и пирита из осадка IV озерка оз. Фумарольное

Chemical composition (wt %) of realgar, antimonite and pyrite of the sediment in the IV lakelet in the Lake Fumarolnoe

Минерал

Образец

Si

Fe

Sb

As

S

O

Сумма

Реальгар

1-1

0.22

0.19

Н. о.

65.0

28.5

1.26

95.2

»

1-2

0.28

0.24

То же

66.5

29.3

1.41

97.8

»

1-3

0.22

0.33

» »

64.2

28.2

1.24

94.2

Антимонит

2-1

1.59

Н. о.

66.1

2.37

26.9

6.27

103.4

»

2-2

0.25

0.6

70.6

1.47

27.6

1.37

101.9

»

2-3

0.65

0.86

60.8

3.64

25.8

3.6

95.4

Пирит I

3-1

0.33

42.8

1.02

1.78

49.7

Н. о.

95.6

То же

3-2

0.21

43.6

1.14

1.72

50.4

То же

97.2

Пирит II

4-1

0.39

44.4

Н. о.

Н. о.

51.7

3.42

100.0

То же

4-2

0.41

42.5

То же

1.05

49.8

3.79

97.6

» »

4-3

0.16

45.9

» »

Н. о.

53.8

Н. о.

99.8

» »

4-4

Н. о.

46.1

» »

То же

53.3

То же

99.4

» »

4-5

0.34

44.3

» »

0.62

48.8

3.34

97.5

Пирит III

5-1

0.5

45.3

» »

Н. о.

53.8

Н. о.

99.6

То же

5-2

0.35

44.3

» »

То же

53.4

То же

98.1

» »

5-3

Н. о.

45.8

» »

» »

53.2

» »

99.0

» »

5-4

0.23

46.2

» »

» »

52.7

» »

99.2

 

 

Слой С-6 по составу (рис. 4) сходен со слоем С-3.1 (рис. 3) и характеризуется примерно одинаковым соотношением смектита и каолинита, бо́льшим количеством пирита и незначительным — цеолитов и обломочного материала (кварца, плагиоклаза). В отличие от слоя С-3.1, он содержит много антимонита. Рентгенофазовым анализом минерал не распознается, но легко устанавливается с помощью электронного микроскопа. Игольчатые выделения антимонита размером не более 20 мкм в длину, иногда образующие сферолиты, в большом количестве развиты в плотном глинистом осадке (рис. 7, а). Помимо обломков вулканических пород и минералов в осадке присутствует фрамбоидальный пирит и створки диатомовых водорослей (рис. 7, а). Слой С-6.1 очень схож по составу со слоем C-6, но не содержит антимонита.

Слои С-7 и С-7.1 хотя и отличаются по цвету, но значительно ближе друг к другу по составу, чем вышележащие (рис. 4). Основу обоих составляет смектит, доминирующий над всеми другими минералами (рис. 4). Слой С-7 состоит из отдельных округлых фрагментов плотного глинистого осадка с большим количеством пирита (рис. 7, б), который встречается в виде натечных корок, отдельных шарообразных выделений, и кристаллов кубического и куб-октаэдрического габитуса размером до 20 мкм. Кристаллы пирита не содержат Sb и As (таблица, пирит III). В осадке также присутствуют обломки вулканических пород и минералов, главным образом калиевого полевого шпата и плагиоклаза. Лежащий ниже слой C-7.1 также сложен преимущественно смектитом, ярозитом и гипсом, с незначительным количеством пирита (рис. 4). K-Na-ярозит представлен шарообразными выделениями, очень похожими на выделения натечного пирита, вероятно, это результат замещения. Однако, в веществе сохранился пирит в виде кристаллов (рис. 7, в). Гипса в осадке достаточно много, он встречается как в виде крупных (длиной до 200 мкм) хорошо ограненных кристаллов, так и в виде удлиненных выделений неправильной формы (рис. 7, в).

Особое внимание привлекают слои C-2 и С-5, которые сложены преимущественно пирокластическим материалом. Доминируют обломками плагиоклазовых пород (рис. 8, а), часто со значительным количеством титаномагнетита. Наблюдаются крупные (200—300 мкм) кристаллы пироксена с округлыми, оплавленными краями (рис. 8, б). Некоторые обломки плагиоклазовых пород одеты в рубашку натечного пирита. В осадке также установлено значительное количество фрамбоидального пирита (рис. 8, б), немного створок диатомовых водорослей, немного смектита, каолинита и цеолита (рис. 4). Под каждым пирокластическим слоем обнаружены плотные пластинчатые выделения, состоящие из кристобалита и натроалунита (рис. 3). Местами в пластинах кристобалита встречаются включения антимонита и фрамбоиды пирита.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Разрез донных отложений IV озерка оз. Фумарольное очень разнообразен по составу. Выделяются три основные группы слоев: нижние (С-7 и С-7.1), верхние (С-1—С-6.1) и пирокластические горизонты (C-2 и C-5). Подобный вещественный состав отражает историю формирования данного участка кальдеры Узон.

В нижней части колонки резко доминирует смектит, который ассоциирует с гипсом (С-7.1), натечным пиритом (С-7) и псевдоморфозами ярозита по натечному пириту. Вещество слоя C-7 представлено округлыми микрофрагментами осадка. Близким по составу веществом сложен осадок Сизого грязевого котла в кальдере Узон (Кириченко и др., 2014). В кальдере Узон установлено несколько основных типов термальных проявлений — источники, озера со щелочными или близнейтральными водами на месте фреатических воронок, грязевые котлы, грязевые вулканы, термальные озера с кислыми водами и сопутствующими площадками, где происходит окисление сульфидных минералов (Вулканизм.., 1974; Газогидротермы.., 2013; Добрецов и др., 2015). Нижняя часть изученной колонки соответствует окисленному веществу отложений грязевого котла с растворами, насыщенными HS, а над ним лежит дезинтегрированное вещество, аналогичное по составу этим отложениям. Следовательно, в определенный момент времени IV озерко было грязевым котлом, вещество которого находилось на поверхности, подверглось окислению, а затем было перекрыто неокисленным веществом. Такая последовательность может быть следствием фреатического взрыва. После взрыва весь осадок оказался под водой, состав которой со временем стал аналогичен современному, о чем свидетельствует слабо меняющийся смектит-каолинитовый состав осадков с большим количеством створок диатомей и фрамбоидального пирита. Фрамбоиды сформировались, скорее всего, в результате деятельности сульфатредуцирующих бактерий (Popa et al., 2004). Тесная ассоциация фрамбоидов со створками диатомовых водорослей является дополнительным доказательством их биогенного происхождения. В интервалах С-6, С-6.1 количество створок диатомовых водорослей снижается.

Интервал С-3.1 очень неоднороден по составу. В нижней части интервала наблюдается много натечных пирит-опаловых образований. Аналогичные наблюдаются в грифонах, или возле грифонов источников, таких как Термофильный (Лазарева и др., 2012). Вероятно, в этот период здесь существовал аналогичный источник. Выше расположен слой, обогащенный гипсом, что свидетельствует об эвапоритовой обстановке. В слое С-3 много натечного пирита, а выше него наблюдается слой, обогащенный кальцитом. Ранее кальцит был встречен только в микробном сообществе источника Термофильный. Предполагается, что его образование стало возможным при значительном повышении pH раствора в результате деятельности микробного сообщества (Лазарева и др., 2012). Таким образом, на определенном этапе (скорее всего, кратковременном) условия осадконакопления на участке пробоотбора на оз. Фумарольное были сходны с условиями осадконакопления в Термофильном источнике. Отложение минералов происходило в результате гидрохимического осаждения минералов из раствора при его выходе на поверхность и испарении. Внутри основного интервала до глубины 27.5 см есть несколько слоев обогащенных антимонитом (С-6) и сульфидами As (С-1 и С-3.1). Расположение слоев полностью соответствует описанной ранее зональности «современной приповерхностной ртутно-мышьяково-сурьмяной минерализации» (Карпов и др., 1976; Бычков, 2009), которая формировалась под влиянием фактора охлаждения горячих парогазовых выделений в приповерхностных условиях и, следовательно, могла быть наложенной в результате более позднего поступления сурьмы и мышьяка. В колонке содержатся два пирокластических горизонта (C-2 и C-5), которые маркируют произошедшие в окрестностях вулканические извержения. Под ними установлены плотные корки кристобалита, ассоциирующего с минамиитом (антроалунитом). На данном этапе авторы полагают, что эти образования сформировалась в результате взаимодействия горячего пепла и осадка.

Работа выполнена в рамках госзадания № VIII.72.2.3(0330-2016-0011) в «ЦКП многоэлементных и изотопных исследований ИГМ СО РАН» и при поддержке гранта Междисциплинарных интеграционных исследований СО РАН № 51.

I. S. Kirichenko

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch RAS

Author for correspondence.
Email: iskirichenko@igm.nsc.ru

Russian Federation, Novosibirsk

E. V. Lazareva

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch RAS

Email: iskirichenko@igm.nsc.ru

Russian Federation, Novosibirsk

S. M. Zhmodik

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch RAS

Email: iskirichenko@igm.nsc.ru

Russian Federation, Novosibirsk

N. L. Dobrezov

Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics, Siberian Branch RAS

Email: iskirichenko@igm.nsc.ru

Russian Federation, Novosibirsk

почетный член

D. K. Belyanin

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch RAS

Email: iskirichenko@igm.nsc.ru

Russian Federation, Novosibirsk

L. V. Miroshnichenko

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy, Siberian Branch RAS

Email: iskirichenko@igm.nsc.ru

Russian Federation, Novosibirsk

  1. Bychkov A. Yu. Geochemical model of the modern ore formation in the Uzon caldera (Kamchatka). Moscow: GEOS, 2009. 124 p. (in Russian).
  2. Dobretsov N. L., Lazareva E. V., Zhmodik S. M., Bryanskaya A. V., Morozova V. V., Tikunova N. V., Peltek S. E., Karpov G. A., Taran O. P., Ogorodnikova O. L., Kirichenko I. S., Rozanov A. S., Babkin I. V., Shuvaeva O. V., Chebykin E. P. Geological, hydrogeochemical, and microbiological characteristics of the Oil site of the Uzon caldera (Kamchatka). Russian Geol. Geophys. 2015. Vol. 56. P. 39-63.
  3. Gas and hydrothermal fluids of active volcanoes of Kamchatka and the Kuril Islands: composition, structure, and genesis / Eds O. L. Gaskova, A. K. Manshtein. Novosibirsk, 2013. 270 p. (in Russian).
  4. Karpov G. A., Pavlov A. L., Kuznetsov V. A. Uzon-geyser hydrothermal ore-forming system of Kamchatka. Physico-chemical essay. Novosibirsk: Nauka, 1976. 88 p. (in Russian).
  5. Kirichenko I. S., Lazareva E. V., Zhmodik S. M., Belyanin D. K., Ogorodnikova O. L., Miroshnichenko L. V. Geochemical and mineralogical features of the bottom sediment of the mud pit «Sizy» (caldera Uzon, Kamchatka). Geol. Miner. Res. Siberia. 2014. N 1. Part 2. P. 80-85. (in Russian).
  6. Lazareva E. V., Anisimova N. S., Bryanskaya A. V., Ogorodnikova O. L., Zhmodik S. M. Features of mineral formation in microbial communities developing along the outflow source Thermophilic (Uzon caldera, Kamchatka). In: Proc. Kronotsky State Biosphere Reserve. № 2. Petropavlovsk-Kamchatsky: Kamchatpress, 2012. P. 143-156 (in Russian).
  7. Migdisov A. A., Bychkov A. Y. The behaviour of metals and sulphur during the formation of hydrothermal mercury-antimony-arsenic mineralization, Uzon caldera, Kamchatka, Russia. J. Volcan. Geotherm. Res. 1998. Vol. 84. N 1. P. 153-171.
  8. Popa R., Kinkle B. K., Badescu A. Pyrite framboids as biomarkers for iron-sulfur systems. Geomicrobiol. J. 2004. Vol. 21. N 3. P. 193-206.
  9. Volcanism, hydrothermal process and ore formation. Ed. by S. I. Naboko. Leningrad: Nedra, 1974. 178 p. (in Russian).
  10. Yeroshchev-Shak V. A., Karpov G. A., Kireyev F. A., Bochko R. A. Thermal Lake Fumarol’noye: A basin of active ore deposition in Kamchatka. Int. Geol. Rev. 1985. Vol. 27. N 10. P. 1135-1148.

Views

Abstract - 51

PDF (Russian) - 69

PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Российская академия наук