Вулканология и сейсмология, 2021, № 5, стр. 46-62

Объекты

Действующие вулканы Алаид и Эбеко расположены в северной части Курильской островной дуги (рис. 1).

Рис. 1.

Местоположение изученных вулканов. 1– Алаид, 2 – Эбеко, 3 – Ксудач, 4 – Корякский, 5 – Кизимен, 6 – Толбачик, 7 – Безымянный, 8 – Ключевской, 9 – Шивелуч. При построении использована схема: https://photojournal.jpl.nasa.gov/jpeg/PIA03374.jpg

Алаид – самый высокий и один из наиболее активных вулканов Курильской островной дуги расположен на о. Атласова, а извергающийся уже четыре года вулкан Эбеко – на о. Парамушир.

Пеплы вулкана Алаид отобраны на его вершине со снежного покрова во время извержения 27.10.2012 г. [Рашидов и др., 2012] (рис. 2а). Продукты извержения вулкана Эбеко выброса 29.07.2018 г. опробованы в районе сейсмостанции “Северо-Курильск”, расположенной в г. Северо-Курильск, с поверхности крупнотравной растительности (белокопытник японский) (см. рис. 2б) [Рашидов, Аникин, 2018]. Водные пробы ручья без названия (б/н), разгружающегося на юго-восточном склоне вулкана Эбеко, отбирались также во время извержения вулкана в конце июля 2018 г.

Рис. 2.

Пепел вулкана Алаид на кромке его кратера 27.10.2012 г. (а) и пепел вулкана Эбеко на листьях белокопытника японского в районе сейсмостанции “Северо-Курильск” 29.07.2018 г. (б).

Методы и статистическая обработка

Валовые содержания 64 химических элементов в вулканических пеплах установлены с применением количественных методов – масс-спектрометрическим и атомно-эмиссионным анализами с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS и ICP-AES). Использована аттестованная методика НСАМ № 499-АЭС/МС “Определение элементного состава горных пород, почв, грунтов и донных отложений атомно-эмиссионным с индуктивно связанной плазмой и масс-спектральным с индуктивно связанной плазмой методами”. Аппаратура: масс-спектрометр с индуктивно-связанной плазмой Elan-6100 (“Perkin Elmer”, США); атомно-эмиссионный с индуктивно-связанной плазмой спектрометр Optima-4300 DV (“PerkinElmer”, США).

Выполнялась процедура разложения образцов в открытой системе с использованием смеси кислот: HF, HNO₃, HCl и HClO₄. Химический выход всех определяемых элементов при таком способе разложения, как правило, составляет 90–100%. Погрешность определения химических элементов при использовании данных методов и применения внешнего стандарта ≤6%. Пределы обнаружения метода для почв – сотые доли микрограмм на грамм (мкг/г) для микроэлементов. Для макрокомпонентов – сотые доли %. Использованная методика разложения и последующего анализа полученного раствора методами ICP-MS + ICP-AES подробно описана в работе [Карандашев и др., 2007]. Исследования химического состава вод ручья б/н, протекающего по вулкану Эбеко, на 70 химических элементов проводились количественными методами – масс-спектрометрическим и атомно-эмиссионным анализами с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS и ICP-AES).

Выполнен расчет кларков концентрации элементов (Кк) для пеплов: Кк = С_i/К [Сает и др., 1990], где С_i – содержания элементов для исследуемого пепла, К – средние содержания для вулканитов соответствующего состава [Григорьев, 2003].

В настоящей работе рассматривается весь диапазон значений Кк < 1…Кк > 1, где Кк > 1 – избыточные элементы, Кк < 1 – дефицитные химические элементы. По величие Кк построены геохимические формулы для пеплов путем ранжирования химических элементов по данному показателю. Над чертой помещены элементы, концентрации которых превышают их распространенность в вулканитах соответствующего состава или близки к ним (далее избыточные элементы с Кк ≥ 1). Под чертой приведены элементы, дефицитные относительно этой величины (Кк < 1).

Для сравнительного анализа составов пеплов вулканов Северных Курил и Камчатки выполнен расчет ранговых коэффициентов корреляции между ними по показателям Кк.

Для вод ручья б/н рассчитан кларк концентрации по формуле Кк = С_i/К_в, где C_i – концентрация химического элемента в пробе воды, К_в – его среднее содержание в речной воде [Виноградов, 1967; Гордеев, Лисицын, 1978; Гордеев, 1983].

Для оценки особенностей поведения редкоземельных элементов в исследованных вулканических пеплах содержания РЗЭ нормированы по североамериканскому сланцу (NASC) [Haskin et al., 1968; Gromet et al., 1984], величина Eu аномалии рассчитана по формуле: Eu_ан = Eu_н/(Sm_н ⋅ Gd_н)^1/2.

Валовые содержания химических элементов в пеплах

В результате сравнения средних валовых содержаний элементов в вулканических пеплах извержений вулканов Алаид и Эбеко (табл. 1) с их кларками в соответствующих типах вулканических пород [Григорьев, 2003] были получены приоритетные ряды элементов, ранжированных по величине Кк (в скобках):

пеплы вулкана Алаид – K (1.97), Bi (1.44), Cu (1.43), Sr (1.31), V (1.25), P (1.24), U (1.21), Na (1.14), Th (1.01), Al (0.97), Be (0.95);

Cd (0.93), Cs (0.92), Zn (0.90), Yb (0.86), Mn (0.83), Ba (0.82), Zr (0.80), Ca (0.78), Er (0.78), Co (0.78), Pr (0.76), Gd (0.76), Nd (0.76), Rb (0.75), Sm (0.75), Eu (0.73), Fe (0.73), Ti (0.73), Hf (0.72), Mo (0.71), Sc (0.70), Ga (0.70), Y (0.68), Tm (0.68), Ce (0.65), Dy (0.65), Lu (0.63), La (0.62), Tb (0.60), Li (0.60), Ag (0.51), Ho (0.51), Nb (0.48), Mg (0.45), Pb (0.43), Ta (0.36), W (0.35), Sn (0.26), As (0.23), Ni (0.16), Sb (0.09), Cr (0.05), S (0.03);

пеплы вулкана Эбеко – S (5.14), K (1.96), Bi (1.92), U (1.51), Cs (1.43), Th (1.35), Sb (1.21), As (1.20), Mo (1.08), Na (1.01), Yb (0.98), Pb (0.97);

Cu (0.96), Zn (0.93), V (0.92), Ba (0.88), Mn (0.86), Al (0.86), Zr (0.84), Er (0.83), Hf (0.83), Sr (0.82), Rb (0.78), Li (0.71), Tm (0.78), Sc (0.75), Lu (0.74), Y (0.74), P (0.72), Cd (0.72), Gd (0.70), Co (0.69), Fe (0.68), Dy (0.67), Be (0.66), Pr (0.66), Sm (0.66), Nd (0.65), Ca (0.60), Tb (0.59), Eu (0.58), Ti (0.58), Ga (0.58), W (0.56), Ce (0.54), Ho (0.54), La (0.50), Mg (0.43), Ag (0.38), Sn (0.31), Nb (0.22), Ta (0.18), Ni (0.07), Cr (0.05).

В целом для изученных пеплов вулканов Алаид и Эбеко наблюдаются общие геохимические особенности составов. Ранговый коэффициент корреляции, рассчитанный по показателям Кк пеплов, составляет 0.59 единицы при r5% крит = 0.282.

К общим особенностям пеплов следует отнести вхождение в спектр приоритетных элементов, имеющих Кк ≥ 1: K, Bi, U, Cs, Th, Na, Yb. В состав дефицитных в обоих случаях входят: Mg, Ag, Sn, Nb, Ta, Ni, Cr. В пеплах обоих вулканов отмечается также нахождение в средней части приоритетных рядов большинства элементов редкоземельной группы.

Наиболее яркое отличие в пеплах рассматриваемых вулканов состоит в содержаниях S. В пеплах вулкана Эбеко концентрация S превышает кларк для основных пород в 5 раз. В пеплах вулкана Алаид кларк концентрации S составляет 0.03 единицы, и в приоритетном геохимическом ряду элемент расположен на последнем месте. Безусловно, повышенные содержания серы в пеплах Эбеко обусловлены активной фумарольной деятельностью, характерной для этого вулкана.

К отличительным особенностям пеплов следует отнести также высокие содержания в пеплах вулкана Эбеко Sb и As, которые, напротив, являются дефицитными для пеплов вулкана Алаид. При этом последние отличаются повышенными содержаниями фосфора.

Сравнительный анализ составов пеплов вулканов Северных Курил с пеплами вулканов Камчатки

По петрохимическому составу пеплы современных извержений вулканов п-ова Камчатка изменяются от базальтов до дациандезитов. Сравнительный анализ пеплов вулканов Камчатки с продуктами извержений вулканов Северных Курил показал следующие закономерности. Коэффициенты ранговой корреляции (КРК) по Кк для большинства рассмотренных пеплов положительные (табл. 2). Исключение составляют пеплы извержений вулканов Безымянный и Корякский, не имеющие положительной корреляционной связи с пеплами вулканов Алаид и Эбеко.

Связь пеплов вулканов Алиад и Эбеко и вулканов Камчатки не связана с петрохимическим составом продуктов извержений. Наиболее тесные корреляционные зависимости по элементному составу с вулканическими пеплами изученных вулканов Северных Курил обнаруживают пеплы извержений камчатских вулканов Шивелуч и Кизимен. А вот близкие по составу к изученным пеплам курильских вулканов андезибазальтовые продукты извержений вулкана Ксудач и базальтовые пеплы вулкана Безымянный вовсе не обнаруживают положительной связи.

Географическое положение рассматриваемых вулканов также не обнаруживает связи со значениями КРК. Пеплы самых близко расположенных к вулканам Северных Курил камчатских вулканов Ксудач и Корякский (см. рис. 1) не обнаруживают положительной корреляционной связи с пеплами Алаида и Эбеко.

Факторы, определяющие связь (или ее отсутствие) элементных составов пеплов двух регионов, не очевидны. Можно лишь констатировать близость по составу к пеплам вулканов Алаид и Эбеко продуктов извержений камчатских вулканов Шивелуч и Кизимен.

Кроме того, в этой связи можно отметить следующее. Ранее при рассмотрении элементных составов большого спектра не только современных, но и среднеголоценовых пеплов разных вулканов п-ова Камчатка была выявлена одна их общая геохимическая специализация [Захарихина, Литвиненко, 2019б]. Большинство вулканов Камчатки поставляют продукты извержений, для которых характерны избыточные химические элементы, типоморфные для основных вулканитов (элементы, содержащиеся в основных вулканических породах в больших количествах, чем в кислых). Цитируемыми авторами было высказано предположение о том, что обогащенность наиболее характерных для Камчатки вулканических пеплов химическими элементами, типоморфными для основных горных пород, и обедненность элементами, типичными для кислых вулканитов, может являться общей геохимической особенностью всего голоценового вулканизма Камчатки. Для пеплов изученных вулканов Курильских островов эта особенность не характерна. Отсутствует она и для наиболее близкого к ним по составу камчатского вулкана Шивелуч (пеплы вулкана Кизимен в этом анализе не рассматривались).

Обращают на себя внимание относительно высокие содержания в пеплах вулканов Алаид и Эбеко радиоактивных элементов: Кк U составляют 1.5 и 1.2, Th – 1.3 и 1.1 единиц соответственно. В этом наблюдается их сходство только с двумя камчатскими вулканами – Шивелуч и Кизимен. В этой связи весьма актуальны исследования, направленные на изучение влияния вулканов Северных Курил на компоненты окружающей среды.

Для большинства пеплов вулканов Камчатки, напротив, характерны низкие содержания радиоактивных элементов [Литвиненко, Захарихина, 2016]. Именно невысокие содержания последних определяют в целом низкий уровень мощности экспозиционной дозы гамма излучения на Камчатке (в среднем 10–11.5 мкР/ч на юге и 8–9.5 мкР/ч на севере).

Поведение редкоземельных элементов в пеплах

Сближает пеплы рассматриваемых вулканов Курильских островов и Камчатки сходное поведение в них редкоземельных элементов (РЗЭ). В большинстве случаев РЗЭ располагаются в средней части приоритетных геохимических рядов, и именно их поведение чаще определяет положительные значения КРК пеплов Курил и Камчатки.

Как известно, РЗЭ характеризуются сходными химическими свойствами и при этом являются хорошими геохимическими индикаторами для классификации и определения условий формирования геологических объектов и в целом природных процессов [Gromet et al., 1984; Aubert et al., 2002]. Определяется это тенденцией однонаправленного поведения РЗЭ в геохимических процессах гипергенеза, обусловленного близостью их химических свойств. При этом учитываются свойства РЗЭ отражать спектр содержаний, характерный для источника элементов, и испытывать фракционирование по мере изменения условий последующей миграции в природной среде. За счет повышенной чувствительности РЗЭ к изменениям условий среды при смене, к примеру, окислительно-восстановительных условий в группе РЗЭ может происходить фракционирование и проявляться положительные или отрицательные аномалии отдельных элементов, выражающиеся в повышении или понижении их содержаний относительно других элементов группы. Наиболее изучено фракционирование РЗЭ в природных процессах, характерное для элементов с различной атомной массой.

Общую геохимическую специфику рассматриваемых пеплов вулканов Северных Курил и Камчатки определяет сходная, хорошо выдержанная конфигурация спектров, нормированных по североамериканскому сланцу (NASC) [Haskin et al., 1968] концентраций РЗЭ, с устойчивым преобладанием средней и тяжелой групп РЗЭ (рис. 3).

Рис. 3.

Спектры концентраций РЗЭ в вулканических пеплах, нормализованные по отношению к северо-американскому сланцу (NASC) [Haskin et al., 1968; Gromet et al., 1984].

Наиболее ярким элементом схожего поведения РЗЭ является выраженный европиевый максимум, характеризующийся величиной E/Er* от 1.2 до 1.8 единиц. Европиевая аномалия, обнаруженная в вулканических пеплах, известное явление, но описанное, преимущественно, для горных пород. В последних она проявляется как в дефиците элемента, так и в его избыточных содержаниях в сравнении с другими РЗЭ [Gromet et al., 1984; Aubert et al., 2002]. Существует мнение, что для зоны гипергенеза это явление не характерно [Aubert et al., 2002].

Единой общепринятой гипотезы причины проявления европиевой аномалии не существует, и вопрос остается дискуссионным. Положительные европиевые аномалии объясняют присутствием плагиоклаза или полевых шпатов, которые являются концентратами европия [Gromet et al., 1984; Aubert et al., 2002]. Связывают это явление и с изменением редокс условий и особенностями кислотно-основных свойств элемента. Eu является элементом с переменной валентностью. Eu²⁺ – сильный восстановитель, образует оксид EuO с более сильными оснóвными свойствами. Eu³⁺ дает оксид Eu₂O₃ с более кислыми свойствам [Gromet et al., 1984; Aubert et al., 2002]. Наличие положительных европиевых аномалий в осадочных образованиях объясняют воздействием глубинных гетеротермальных растворов – флюидов внекорового происхождения, обогащенных европием [Шатров, 2006].

Наблюдаемая положительная аномалия Eu в вулканических пеплах может быть обусловлена как условиями генезиса вулканизма в целом, так и сменой окислительно-восстановительных условий при поступлении пеплов на поверхность в раздробленном состоянии. Имеющаяся небольшая выборка вулканических пеплов не позволяет однозначно назвать фактор, определяющий проявление Eu максимума. Обнаруженное явление требует дальнейшего исследования на большем количестве объектов, имеющих разные возрастные характеристики и условия поступления пеплов на поверхность. Возможно, числовые характеристики Eu максимума смогут, наряду с уже имеющимися методами, помочь в решении вопросов генезиса вулканических процессов.

Показатель потенциального плодородия пеплов

До настоящего времени нет единого мнения о пользе или вреде вулканических пеплов при поступлении их на поверхность при вулканических извержениях. Истории известны факты как благотворного влияния пеплов на окружающую среду, так и негативного, когда вулканические события сопровождаются выпадением кислот, гибелью растительного покрова за счет механического погребения продуктами извержений и при пожарах. Часто после поступления пеплов на поверхность земли наблюдается повышение биопродуктивности экосистем, которое связывают с наиболее очевидной и часто обсуждаемой причиной – привносом дополнительных элементов питания минерального происхождения с вулканическими пеплами [Андреев, 2015].

В 2014–2018 гг. впервые в международной практике на полях Камчатского института сельского хозяйства (долина р. Авача) были выполнены полевые агрохимические опыты по применению разных вулканических пеплов Камчатки при выращивании культурных растений [Захарихина и др., 2020]. В результате опытных работ были получены существенные прибавки урожайности от 30 до 70% с улучшением биохимических показателей сельскохозяйственной продукции и ее лежкости при хранении. Абстрагируясь от разнообразных деталей результатов этого опыта, можно сделать вывод, что наиболее продуктивны в этом смысле вулканические пеплы, имеющие относительно повышенные валовые содержания широкого спектра элементов.

В этой связи предлагается рассматривать уровень потенциального плодородия вулканических пеплов путем сравнения содержаний в нем химических элементов относительно их концентраций в почве (ППП = ∑Сiвп/Сiпч) (табл. 3). Так как сведений о содержаниях обсуждаемого широкого спектра химических элементов (54 элемента) в почвах Курильских островов нет, для расчета показателя потенциального плодородия (ППП) применяются средние содержания элементов для почв континентов (кларки почв). Из всех рассматриваемых вулканических пеплов самое высокое значение ППП характерно для пепла Трещинного Толбачинского извержения им. 50-летия Института вулканологии и сейсмологии (ТТИ-50). В этой связи величина ППП пепла названого извержения принята за единицу. Для других пеплов ППИ рассматривается как доля от этого значения (рис. 4а).

Рис. 4.

Показатель потенциального плодородия вулканических пеплов (а) и валовые содержания в них SiO₂ в % (б).

Обращает на себя внимание высокое расположение в приведенном ряду ППП пепла андезибазальтового состава извержения вулкана Алаид. По обсуждаемому показателю последний уступает только продуктам ТТИ-50 и извержений вулкана Ключевской. Пеплы вулкана Эбеко имеют несколько более низкие значения ППП, но располагаются, однако, близко к пеплам вулкана Безымянный, показавшим при проведении сельскохозяйственных опытов также очень хорошие результаты (до 70% прибавки урожайности по картофелю).

Оценка основности вулканических пеплов [Максимов и др., 2011; Малик, 2011, 2019; Овсяников, Малик, 2011] обнаруживает обратную зависимость ППП от содержания в них кремния. Чем пепел оснóвнее, тем его показатель потенциального плодородия выше (см. рис. 4б).

В целом, по нашему мнению, можно говорить о близости качественных составов пеплов Северных Курил к андезитовым пеплам камчатских вулканов Шивелуч и Кизимен и сходстве их количественных характеристик по показателю ППП к пеплам базальтовых и андезибазальтовых вулканов п-ва Камчатка: ТТИ-50, Ключевской, Корякский, Безымянный.

Влияние пеплов на состав поверхностных вод

Поверхностные воды, формирующиеся в ареалах выпадения вулканических пеплов, отражают не только состав химических элементов максимально быстро переходящих из пеплов в раствор, но также указывают на геохимические особенности обогащения в целом компонентов окружающей среды вследствие вулканических событий. Исследования, выполненные при вулканическом событии ТТИ-50 в ноябре 2013 г., показали, что подавляющая часть (<95%) подвижных форм элементов поступают в природные среды при пеплопадах не в составе пепловых частиц, а в газо- и водорастворенной формах непосредственно из дисперсионной среды вулканического аэрозоля [Литвиненко, Захарихина, 2017]. И именно подвижные формы элементов, быстро переходящие в растворы, меняют состав газовой составляющей, а также геохимические особенности поверхностных вод и почвенно-растительного покрова при извержениях в окрестностях вулкана.

Влияние пеплов на формирующиеся в ареале их выпадения поверхностные воды рассмотрено на примере ручья б/н, разгружающегося на юго-восточном склоне вулкана Эбеко. Оценка элементного состава вод ручья в сравнении со средними содержаниями элементов в пресных речных водах континентов (кларки для пресных вод) показала их геохимические особенности (табл. 4). Существенно обогащены воды ручья б/н всей группой РЗЭ, стоящих в начале гидрогеохимической формулы поверхностных вод (табл. 5): содержания Eu, Ho, Dy, Tb, Gd, Er, Sm, Pr в них превышают кларки для пресных вод на два порядка; концентрации Yb, Nd, Tm, Ce, La повышены в 92, 88, 61, 58 и 36 раз соответственно. К элементам, быстро переходящим в раствор, имеющим Кк > 10, следует отнести также Lu, Al, Mn, Co, Fe и S. В состав элементов, Кк для которых составляют более двух единиц, входят Cs, Cu, Y, Au, Ge, B, Hf, Si, Rb, Ca, Sr. Как видно из приведенного перечня, только S и два РЗЭ – Cs и Tb, определяют геохимическую специализацию пеплов извержения вулкана Эбеко.

Обращает на себя внимание вхождение U и Th в ряд дефицитных элементов для вод, в то время как пеплы вулкана Эбеко, как уже было отмечено, ими обогащены. Отсутствие тенденции быстрого перехода в раствор радиоактивных элементов следует рассматривать как положительный фактор формирования экологической обстановки при извержении вулкана.

В целом состав химических элементов, содержащихся в повышенных количествах в пеплах, не повторяет группу элементов, максимально быстро переходящих в природные растворы.

Сравнительный анализ вод ручья с водотоками, формирующимися в ареалах выпадения пеплов вулканов Северной группы п-ова Камчатка (рр. Кабеку, Бильчинок и руч. Студенный), показывает следующие их общие особенности (табл. 6). К главной из них следует отнести быстрый переход в растворы РЗЭ. Во всех рассмотренных ручьях этой зоны элементы редкоземельной группы располагаются в начале гидрогеохимических формул и входят в состав избыточных элементов, максимально быстро преходящих в раствор. Именно их поведение определяет положительные коэффициенты ранговой корреляции Кк всех рассмотренных водотоков.

Вновь подтверждается закономерность отсутствия связи состава химических элементов избыточных для пеплов и группы элементов, активно переходящих в раствор при извержении. Наиболее близки воды ручья б/н, протекающего по вулкану Эбеко, к водам р. Бильчинок. Последние изучались, как и воды руч. б/н вулкана Эбеко, в момент активной вулканической деятельности события ТТИ-50, ареал выпадения пеплов которого располагался в водосборной площади реки. Вероятно, именно временной фактор определяет связь составов поверхностных вод в ареалах вулканических пеплопадов. По завершении вулканического события, когда наиболее подвижная часть химических элементов вымывается из пеплов, связь между водами в ареалах выпадения пеплов разных вулканов ослабевает.

Высокие содержания РЗЭ в поверхностных водах в окрестностях вулканов в момент их извержений указывают не только на геохимическую специфику этих геологических событий. Данное обстоятельство необходимо рассматривать как один из факторов, определяющих всплеск биопродуктивности экосистем в момент извержений. Известно, что РЗЭ в настоящее время активно начали использоваться в сельскохозяйственной практике в качестве микроудобрения [Pahg et al., 2002; Ramos et al., 2016]. Еще в начале 1980-х гг. было установлено благотворное влияние РЗЭ на урожай и качество культурных растений. С этого периода в Китае – стране, обладающей крупнейшими в мире месторождениями РЗЭ, была принята и действует по настоящее время национальная программа по испытанию влияния РЗЭ на рост растений и применению этих элементов в производственном земледелии. Для обработки сельхозугодий употребляется менее 0.2% от содержания РЗЭ в почве, что является экологически безопасным и при этом стимулирует фотосинтез в растениях, способствует развитию их корневой системы, обуславливает существенную прибавку урожайности и повышение качества культурных растений. Интересен тот факт, что величина прибавки урожайности при использовании РЗЭ в Китае (в среднем около 20–40%) совпадает с аналогичными характеристиками упомянутых опытов с вулканическими пеплами Камчатки, выполненными в 2014–2018 гг. на полях Камчатского института сельского хозяйства. Возможно, именно РЗЭ являются основным фактором наблюдаемого всплеска биопродуктивности после выпадения вулканических пеплов.

Воды мелких водотоков вблизи вулканов во время извержений можно рассматривать как природные жидкие удобрения, содержащие РЗЭ. Использование эти природных растворов для полива сельскохозяйственных растений с целью их подкормки РЗЭ должно не только повышать урожайность, но и благотворно влиять на качество выращиваемых культур. В этой связи актуальна постановка полевых (деляночных) и производственных сельскохозяйственных опытов для установления способов и доз внесения природных жидких удобрений вулканического происхождения.