Вулканология и сейсмология, 2023, № 1, стр. 3-20

История формирования и современное состояние оз. Кипящее

Формирование взрывной воронки, врезанной в южный склон Восточного экструзивного купола и прилегающий участок дна кальдеры, произошло в результате фреатического извержения вулкана Головнина 640–680 лет назад [Фазлуллин, Батоян, 1989]. Палеореконструкция донных отложений оз. Горячее, выполненная в цитируемой публикации, показала, что образовавшееся после взрыва озеро долгое время заполняло всю воронку. Примерно 400 лет назад русло серной протоки, по которой осуществлялся сток в соседнее озеро, значительно углубилось. Это стало причиной значительного снижения уровня воды с образованием террасы, частично сохранившейся в настоящее время. Существует мнение и об искусственном происхождении Протоки [Власов, 1971; Сидоров, 1966; и др.], однако данная информация нигде не детализируется. (Далее в тексте Протока будет именем собственным). Во времена эксплуатации серного месторождения (до 1945 г.), для снижения уровня воды оз. Кипящее, проводилось регулирование поверхностного стока холодных вод в озеро¹¹. Вдоль юго-западного берега, где происходит максимальный объем притока метеорных вод, и далее на юг, по диагонали пересекая мелководную часть озера, был установлен отводящий желоб, по которому водный поток попадал непосредственно в Протоку.

На берегах оз. Кипящее четко выделяются две зоны, в пределах которых наблюдается рассредоточенное парение, концентрируются сольфатары, кипящие водные и водно-грязевые котлы в широком диапазоне рН (2.5–6) и термальные источники с температурой 65–76°С, рН = 6.6–6.8. Основная зона термопроявлений, с наиболее крупными сольфатарами, находится в северо-западной части озера (см. рис. 2). Часть парогазовых струй находится под водой; из-за постоянно выделяющихся газов поверхность озера постоянно находится в движении, создается иллюзия кипения, хотя температура воды вблизи выходов значительно ниже 100°С. Здесь же в ходе полевых работ в 2015 г. нами был зафиксирован мощный подводный выход термальных вод рядом с берегом (рис. 3а). При повторном посещении в 2020 г. было выявлено, что вблизи этого источника изменилась конфигурация береговой черты, сформировался новый полуостров за счет серных песчаных отложений, перемещенных термальными потоками, а сам подводный источник стал более ярко выражен (см. рис. 3б). Выход термальных вод с температурой 50°С (в приповерхностном слое) проявляется в виде грифона с радиально расходящимися потоками воды и кольцом темно-серой пены, окружающей разгрузку. Согласно работам [Набоко, 1958; Власов, 1971], песок вокруг озера и пена, плавающая по его поверхности, более чем на 90% состоят из серных сферических образований. Измеренная глубина воронки, из которой поступает вода, составила 4.5 м. Аэрофотосъемка озера с помощью квадрокоптера выявила еще несколько воронок, сквозь которые, вероятно, поступает гидротермальный поток (рис. 4а).

Рис. 3.

Воронка с термальным потоком в северо-западной части оз. Кипящее по состоянию на сентябрь 2015 г. (а) и сентябрь 2020 г. (б).

Рис. 4.

Батиметрическая карта оз. Кипящее (а) и распределение потока CO₂ по площади оз. Кипящее (б).

Для уточнения геометрии дна озера в июле 2021 г. нами было выполнено эхолотное профилирование, по результатам которого была построена батиметрическая схема и рассчитаны морфометрические параметры озера. По нашим данным максимальная глубина озера составляет 25 м, что на 9 м больше, чем данные, полученные в 2006 г. [Козлов, 2015]. Рассчитанный по результатам съемки объем водных масс = 2.9 × 10⁵ м³, сравним с оценкой, сделанной нами ранее на основе опубликованной батиметрической схемы [Kalacheva et al., 2017].

Химический состав газов и оценка диффузионного CO₂

Химический и изотопный состав свободных газов термальных источников и низкотемпературных фумарол, расположенных на берегах оз. Кипящее, подробно рассмотрены нами в работе [Kalacheva et al., 2017]. Показано, что в составе газов преобладает CO₂ + H₂S (более 90 об. %) с относительно высоким содержанием метана и водорода (≤0.5 об. %). Концентрации H₂S в сухом газе фумарол достигает 24 об. %. Свободные газы, выделяющиеся со дна озера, имеют углекислый состав с повышенным (до 7 об. %) содержанием сероводорода.

В дополнение к ранее изученному химическому составу свободно выделяющихся газов, в сентябре 2020 г. была выполнена съемка диффузионного потока CO₂ по берегу, а в июле 2021 г. – с поверхности воды оз. Кипящее. Измерения вдоль береговой линии выполнялись на участках, сложенных озерными и гидротермальными отложениями и лишенных растительности. Изучение потока с водной поверхности выполнялись с помощью плавучей платформы. Всего было выполнено более 30 наземных замеров на расстоянии не более 10 м от границы с водой и 10 измерений по площади озера. По результатам работ была построена карта-схема распределения потока CO₂ с поверхности озера с захватом береговой линии (см. рис. 4б). Выявлено, что объем потока углекислого газа сквозь почву незначительный и варь-ирует от 0.5 до 11 г/м²/сут. Максимальные значения были определены на наиболее активных термальных площадках, вблизи скоплений водно-грязевых котлов северо-западной части и на термальной площадке у Протоки, вытекающей из озера. Минимальные – на заболоченном участке на южном берегу. Диффузионный поток СО₂ с поверхности озера на порядок выше, чем с прилегающих термальных полей. Учитывая то, что растворимость СО₂ в воде падает с повышением температуры, а в кислых условиях не переходит в раствор в виде гидрокарбонат-иона, то можно считать, что с водной поверхности оз. Кипящее в атмосферу выносится тот же объем СО₂, что поступает со дна озера. Высокая интенсивность потока сквозь воду, по сравнению с термальными площадками, может говорить о поступлении значительного количества термального флюида со дна озера и о лучшей проницаемости пород, слагающих дно озера. Прибрежные термальные поля сложены толщей слабопроницаемых плотных серно-глинистых отложений, препятствующих площадному выходу газов. С поверхности озера диффузионный поток СО₂ неравномерен и варьирует в диапазоне от 60 до 270 г/м²/сут (см. рис. 4б). Максимальная величина, практически в 5 раз превышающая среднее значение по площади водоема, обнаружена в северо-восточной части озера. Другая точка с высокими значениями определена на противоположном краю озера вблизи заболоченного участка. Возможно, это не точечные выходы СО₂, а линейная разгрузка сквозь разломную зону, пересекающую озеро с юго-запада на северо-восток и далее через подводное фумарольное поле оз. Горячее. Для уточнения данного факта необходимо провести детальные измерения как на оз. Кипящее, так и выходя за его пределы.

На основании полученных данных по распределению интенсивности потока СO₂ мы оценили общий диффузионный вынос диоксида углерода с поверхности оз. Кипящее, который составляет 5.2 т/сут, а с учетом прибрежной зоны – более 5.4 т/сут. Эти оценки носят предварительный характер, для уточнения объема выносимого углекислого газа сквозь оз. Кипящее необходимо провести исследования с более частым шагом измерений.

Геохимия вод оз. Кипящее и близлежащих термальных полей

В табл. 1 и 2 представлены данные гидрохимического опробования оз. Кипящее за 2020–2021 гг., а также репрезентативные анализы термальных и речных вод его водосборной площади. В построении графиков использовался весь набор имеющихся у авторов данных, полученных по результатам экспедиционных работ 2015–2021 гг.

Физико-химические показатели. Температура воды вдоль береговой линии озера в различных частях отличается более чем на 30°С. При температуре воздуха 20–25°С средняя температура воды от поверхности и на глубину до 1 м составила 35–37°С, понижаясь до 32–33°С в местах впадения холодных ручьев в южной и юго-западной частях. В северо-западном секторе, в местах скопления подводных термопроявлений в частично изолированных бухтах, вода прогревается до 60–70°С, тогда как на открытых пространствах соответствует средней величине. Максимальные значения до 100°С фиксируются точечно в грунтах, в местах выхода парогазовой смеси. В центральной части озера температура воды на поверхности и по всей толщи, включая и воронку, остается постоянной 37–38°С (см. табл. 1). Наши измерения подтвердили сделанный ранее вывод [Зотов и др., 1988] об отсутствии температурного градиента в озере с глубиной. Однако измеренная в 1981 г. температура воды в центре водоема была ниже и составляла 33.5°С.

Величина рН воды в озере менее подвержена изменениям как по площади и глубине, так и во времени. Диапазон величин по поверхности составляет от 2.12 до 2.53, максимальные показатели зафиксированы на южной стороне озера, минимальные – в зоне подводных выходов термальных вод. По глубине в центральной воронке показатели стабильные по всему профилю (2.19–2.21).

Химический состав береговых термопроявлений. Для дальнейшего сравнительного анализа озерных вод и береговых термопроявлений дадим краткую характеристику наземных термальных вод.

Вблизи оз. Кипящее встречаются, преимущественно, два типа термальных водопроявлений: 1) кипящие котлы с низким рН = 2–4 и минерализацией до 3.2 г/л; 2) горячие (до 62–88°С) термальные источники с близнейтральным рН (6.9–7.2) и минерализацией ~1 г/л. В анионном составе котлов преобладает сульфат-ион (до 1.9 г/л) (см. табл. 2), в относительно небольших количествах (в среднем 20–25 мг/л) постоянно присутствует Cl^–. Катионный состав довольно пестрый, что типично для вод данного типа. Преобладающие значения имеют ионы натрия и кальция с концентрациями 80–150 мг/л, содержания Al и Fe не превышают 10–30 мг/л. Термальные источники с близнейтральным рН относятся к гидрокарбонатно-сульфатному типу, при подчиненном значении Cl^– (до 30 мг/л). Основными катионами выступают Ca²⁺ и Na⁺. Если котлы встречаются на всех термальных площадках, то источники находятся только у подножия увала, сложенного сцементированными серными отложениями (см. рис. 1) на восточном берегу рядом с Протокой.

Химический состав оз. Кипящее. Химический состав воды озера значительно отличается от состава береговых термопроявлений (см. табл. 1). Преобладающим анионом в данном случае выступает Cl^– с концентрациями до 1 г/л. Содержание ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ практически в 2 раза меньше. На треугольной диаграмме анионов (рис. 5а) точки, отражающие состав вод озера, ложатся в одну компактную область. Во всех пробах присутствует фтор-ион в количестве до 2.5 мг/л и бор до 42 мг/л. Среднее весовое отношение Cl/B для кислых вод оз. Кипящее ~33.

Рис. 5.

Анионный состав вод оз. Кипящее и береговых термопроявлений. а – треугольная диаграмма относительных концентраций HCO₃/SO₄/Cl; б – соотношение SO₄/Cl.

При детальном рассмотрении данных, полученных по результатам гидрохимического опробования по всей площади, было выявлено, что отношение SO₄/Cl воды озера в пробах, отобранных в прибрежной зоне, несколько отличается от тех, что получены из его центральной части (см. рис. 5б). Среднее мольное отношение SO₄/Cl в первом случае составляет 0.18, а во втором, за счет более высоких концентраций сульфат-иона, немного выше – 0.20. При этом поинтервальное опробование в центре озера, включая участок с максимальными глубинами, не выявило значимых колебаний как в содержании сульфат- и хлор-ионов, так и их соотношениях по всему глубинному профилю (см. табл. 1). При постоянном отношение SO₄/Cl = 0.2 с глубиной несколько возрастают концентрации и хлор- и сульфат-ионов. Из общей картины выбивается один участок озера (точка отбора Оц–2, см. рис. 2), в которой, как на поверхности, так и на глубине 5 и 10 м концентрации хлор- и сульфат-ионов отличаются от значений, полученных для других точек опробования. С глубиной наблюдается уменьшение содержания Cl^– при увеличении ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$ (см. табл. 1, рис. 5б), соотношение SO₄/Cl в придонной части равно 0.3. Следует отметить, что на этом участке был измерен максимальный, значительно превышающий полученные данные для других участков, поток СО₂ сквозь озеро. Повышенная диффузионная эманация углекислого газа может быть связана с увеличенным потоком гидротермального флюида к поверхности, который аэрофотосъемкой фиксируется на поверхности воды в виде кольцевой структуры (см. рис. 4а), сформированной расходящимся потоком термальных вод (“грифоном”), примерно таким, как можно наблюдать вблизи берега (см. рис. 3б). В геохимическом плане восходящий поток фиксируется изменением соотношения SO₄/Cl.

Среди катионов в составе озерной воды преобладает Na⁺ (до 350 мг/л), затем следует Ca²⁺ = = 107–165 мг/л. В практически равных количествах определены K⁺ и Mg²⁺ (40–50 мг/л), концентрации Al и Fe не превышают 25 мг/л. Минимальные концентрации всех макрокатионов вдоль береговой линии озера определены не в зоне смешения с пресными водотоками, а в условно изолированной бухте, где сосредоточено максимальное количество подводных парогазовых выходов (см. табл. 1, т. О–9).

По соотношению катионов (рис. 6) состав озера как вдоль берега, так и в центральной части озера постоянен. На обеих диаграммах точки компактно группируются вблизи угла Na + K и вдали от составов вмещающих пород. Основными породами, слагающими кальдеру, являются лавы и туфы андезитового состава [Горшков, 1967]. Для построения графика была использована выборка данных по составу андезитов из работ [Федорченко и др., 1989; Мартынов и др., 2010]. От береговых термопроявлений вода озера отличается более низкими содержаниями кальция (при равноценных концентрациях магния), а в случае кислых сульфатных котлов, и алюминия с железом.

Рис. 6.

Относительные концентрации катионов в воде оз. Кипящее и береговых термопроявлений. а – соотношение Ca/Mg/Na + K; б – соотношение Ca + Mg/Al + Fe/Na + K.

Микроэлементный состав. В табл. 3 представлена выборка данных по широкому набору микроэлементов в воде озера и береговых термопроявлениях. Поведение макро- и микроэлементов в водах различных типов хорошо отражают диаграммы, приведенные на рис 7. Коэффициенты распределения элементов между вмещающей породой и водой F_i определяются как отношение нормированных концентраций элемента в воде к его содержанию в породе. В качестве нормирующего элемента нами взят магний из-за его консервативного поведения в кислых флюидах. Ввиду отсутствия полных данных по микрокомпонентному составу вулкана Головнина, в качестве вмещающей породы взяты концентрации для среднего островодужного андезита из справочника [Войткевич и др., 1990]. Графически отображенное распределение коэффициентов указывает на то, что формирование химического состава озерной воды обусловлено не только растворением вмещающих пород, которое показано нами, например, для кратерного озера вулкана Малый Семячик (Камчатка) [Калачева и др., 2022]. Наблюдается существенное обогащение ультракислых вод по отношению к вмещающим породам щелочными металлами (К, Na) и Mn. Содержание кальция остается на уровне породных соотношений, а концентрации Al, Fe и Si ниже за счет выпадения их в осадок в составе минеральных фаз. Как неоднократно отмечалось [Набоко, 1958; Сидоров, 1966; Зотов, 1967 и др.], из воды озера происходит интенсивное осаждение алунита и пирита. Также наблюдается обычное для ультракислых вод значительное обеднение титаном, что связано с низкой подвижностью соединений этого элемента. Точки на графике породообразующих элементов для проб, отобранных в разных частях озера, как по площади, так и по глубине, занимают одинаковые позиции, что дополнительно подтверждает принадлежность катионного состава воды озера единому глубинному раст-вору.

Рис. 7.

Коэффициенты обогащения элементов между вмещающей породой и раствором для породообразующих (а) и редких (б) элементов оз. Кипящее.

Сортировка коэффициентов обогащения микроэлементов в воде по отношению к породе произведена по пробе Оц–1/25, полученной из наиболее глубокой части центральной воронки озера. Из графика на рис. 7б следует, что подобно породообразующим элементам, распределение значений по микроэлементам для всех представленных образцов практически одинаковое. Коэффициенты обогащения для вод демонстрируют монотонное уменьшение в пределах 5 порядков. Для озера в целом характерно обогащение бором и, наряду с натрием и калием, редкими щелочными элементами (Li, Rb, Cs). Небольшое обогащение относительно породы также отмечаются для Zn, Se, Cd и As. Подвижные халькофильные элементы, а также бор, могут поступать в раствор из внешних источников, таких как измененные породы, обогащенные сульфидами и глинистыми минералами. Нельзя исключать и вклад магматических паров, особенно в отношении бора. Для элементов с минимальными коэффициентами существует некоторая флуктуация в значениях коэффициентов обогащения, но в целом они близки. В эту группу попадают Nb, Zr, Hf, Co, Cr, Ni, Ta и др. Среди них Ni и Co могут теряться при совместном осаждении с сульфидами железа, остальные очень устойчивы в матрице породы и не переходят в воду даже при очень низком рН.

Как мы отмечали ранее [Kalacheva et al., 2017], такое распределение элементов нетипично для ультракислых сульфатно-хлоридных вулканических вод и может быть связано с дополнительным их смешением с термальными водами другого типа, вероятнее всего, с хлоридными натриевыми водами глубинного водоносного горизонта, расположенного под кальдерой вулкана и разгружающегося в виде кипящих источников у подножия вулкана на Охотоморском побережье.

Поведение РЗЭ в водах оз. Кипящее в сравнении с данными по береговым котлам и источникам показано на рис. 8. Профили порода/хондрит для среднего состава андезитов о. Кунашир, по [Мартынов и др., 2010], практически плоские с небольшим монотонным обеднением легкими РЗЭ. Графики, нормализованные как по хондриту, так и по вмещающим породам для береговых термопроявлений, отличаются. Для бессточных котлов с рН < 4 содержания лантаноидов на два порядка выше, чем в источниках с рН > 6. Для обеих групп характерны относительно плоские нормализованные профили, но в первом случае наблюдается небольшая отрицательная аномалия европия, а во втором – ярко выражены положительные аномалии Ce и Eu. Концентрации лантаноидов в водах оз. Кипящее находятся на уровне содержаний в береговых котлах, но в нормированных профилях выявлено обеднение в отношении легких РЗЭ, почти плоские от Tb до Lu и с небольшой отрицательной европиевой аномалией. Такое поведение можно объяснить частичной потерей легких РЗЭ в результате соосаждения с алунит-ярозитовой ассоциацией, как это было предложено для других кислых гидротермальных сред (например, в работе [Varekamp, 2015]). Профили лантаноидов в водах озера и Протоки идентичны, что указывает на отсутствие дополнительных геохимических барьеров и полный вынос элементов за пределы озера.

Рис. 8.

Нормированные профили РЗЭ в разных типах вод в районе оз. Кипящее по отношению к хондриту, по [McDonough, Sun, 1995] (а) и вмещающим породам, по [Мартынов и др., 2010] (б).

К вопросу о формировании химического состава вод озера

Еще в середине прошлого века В.В. Ивановым [1960] была предложена общая классификация термальных вод вулканических районов. Сульфатные воды сольфатарных полей вулкана Головнина отнесены им к фумарольным термам поверхностного формирования, а хлоридно-сульфатные воды оз. Кипящее – к фумарольным термам глубинного формирования. Воды первого типа [Иванов, 1960] образуются в самых поверхностных горизонтах за счет поглощения грунтовыми водами вулканических газов, уже “отфильтрованных” на глубине подземными водами. Формирование термальных вод второго типа происходит в более высокотемпературных условиях, в результате насыщения подземных вод магматическими газами. Обычно эти воды разгружаются на некотором удалении от зоны восходящего потока, характеризуются низкой газонасыщенностью, большими дебитами (до несколько десятков литров в секунду) и температурами до 100°С. Эта схема формирования “вулканических” вод практически не потеряла своего значения [Taran, Kalacheva, 2020]. Однако в случае кратерного озера Кипящее существует некоторая специфика, которая позволяет сделать уточнения в определении формирования химического состава его вод.

Восходящий поток термальных вод, сопровождающийся выделением свободных газов, указывает на наличие изолированного напорного водоносного горизонта с ограниченной областью разгрузки, что подтверждается резким отличием в составах вод озера и береговых термопроявлений. Наличие значительных концентраций хлорид- и сульфат-ионов указывает на поступление кислых вулканических газов, включая HCl, SO₂, хорошо растворимых в воде. Скорее всего, источником этих флюидов служит остывающая близповерхностная интрузия (или комплекс интрузий), с внедрением которых в посткальдерный период связаны экструзивные купола внутри кальдеры. В таком случае подводящий канал, заполненный раздробленной породой, по которому происходили последние извержения вулкана Головнина и над которым сформировалась воронка взрыва, заполненная в настоящее время оз. Кипящее, может вмещать локальный термальный водоносный горизонт. В этом горизонте и происходит поглощение поднимающихся кислых вулканических газов. Подобные близповерхностные гидротермальные резервуары приурочены к ряду активных вулканов, характеризующихся наличием кратерных озер с ультракислой сульфатно-хлоридной водой, например, Малый Семячик (Камчатка), Руапеху (Новая Зеландия), Копауэ (Аргентина), Кава Иджен (Индонезия) и др. Существование подобных озер определяет баланс сложного взаимодействия вулканических/гидротермальных газов окружающих горных пород и метеорных вод [Pasternack, Varekamp, 1997]. Такие локальные вулкано-гидротермальные системы представляют собой неустойчивые системы, склонные к быстрым изменениям температуры, кислотности и химического состава. Нагрев озерной воды регулируется балансом между тепловым потоком из глубины, испарением и поступлением холодной метеорной воды, стоком и испарением с поверхности [Pasternack, Varekamp, 1997]. Для Кипящего озера постоянство температуры и химического состава по глубине и отсутствие стратификации указывают на высокий конвективный поток и, как следствие, почти идеальное перемешивание вод озера. Изменение условий поступления теплового и водного потоков в озеро, связанное, например, с герметизацией трещин, в ходе вторичного минералообразования может снижать интенсивность конвекции в озере. В озере может образоваться стратификация с более теплыми концентрированными придонными водами, на которые влияет гидротермальный приток, и более прохладными, но более разбавленными поверхностными водами, подверженными воздействию низких атмосферных температур, как наблюдалось в 1974 г. [Зотов и др., 1988]. Падение проницаемости за счет заполнения трещин приводит к постепенному повышению давления в неглубокой вулкано-гидротермальной системе. Декомпрессия может происходить за счет фреатических взрывов, которые (по словам местных жителей), иногда происходят в центральной части озера. В настоящее время мы наблюдаем в воде максимальные концентрации ряда элементов, включая основные анионы (хлор, сульфат), по сравнению со всеми опубликованными данными и нашими исследованиями в 2015 и 2017 гг., что указывает на повышенную интенсивность гидротермального потока.

На наличие глубинного хлоридно-натриевого резервуара под кальдерой Головнина указывает разгрузка кипящих Na–Cl слабощелочных источников на Охотоморском побережье с внешней стороны кальдеры [Kalacheva et al., 2017]. В самой кальдере основная гидротермальная деятельность, не считая оз. Кипящее, проявляется в виде парогазовых струй (сольфатар) и нагретых паром сульфатных котлов. Состав газов (в основном, CO₂ + H₂S) отвечает составу типичных паровых струй паровой “шапки”, образованной в верхних частях высокотемпературной гидротермальной системы за счет кипения глубинного раствора. Такая стратификация характерна для многих гидротермальных систем, например, для Мутновской и Кошелевской на Камчатке [Таран, 1988; Калачева и др., 2016]. Таким образом, оз. Кипящее представляет собой проявление независимой вулкано-гидротермальной системы, типичной для активных вулканов с кратерными озерами. Это означает, что эта система является “конденсором” магматических газов, отделяющихся от неглубокого магматического очага под озером. Малоглубинный очаг, вероятно, является частью более глубокого, более древнего очага, над которым сформирован классический хлоридный натриевый резервуар. Локальные тектонические нарушения могут способствовать смешению хлоридно-натриевых вод глубинного геотермального резервуара и ультракислых “магматических” вод, что приводит к более высоким по отношению к породе содержаниям натрия и калия, особенностям в распределении концентраций микроэлементов (см. рис. 8) и относительно высоким рН (2 < pH < 2.5) воды озера.

Массовый и химический баланс оз. Кипящее. Гидротермальный вынос магматических Cl и S

Водный баланс озера Кипящее регулируется осадками, поступлением в него горячих (М_терм) и холодных вод (М_хол = М_осадки + М_приток), испарением с поверхности озера (М_исп), инфильтрацией (просачиванием) через дно озера (М_инф) и стоком (дренажом) через Протоку (М_дрен). Это может быть записано в виде уравнения:

М_терм + М_приток + М_осадки = М_исп + М_инф + М_дрен.

Общий вклад метеорных вод в озеро (осадки + + сток) можно оценить, если известна площадь водосбора. Озеро расположено в амфитеатре площадью ~8 × 10⁴ м². Открытая часть этого амфитеатра частично наклонена в сторону озера. Детальные гидрологические работы, выполненные в меженный период (сентябрь 2020 г.), показали, что в озеро с южной стороны впадают 4 достаточно крупных ручья дебитами от 10 до 25 л/с, около десятка мелких (Q = 0.1–0.3 л/с) и с заболоченного участка вода поступает по всей поверхности, не формируя водотоков. Следовательно, постоянный приток холодных вод в озеро, М_приток, составляет 70–80 л/с. При среднегодовом количестве осадков 1250 мм² поступление осадков в озеро (М_осадки) составляет 5 ± 2 кг/с, считая, что во время дождей вся вода со склонов амфитеатра стекает в озеро. Ежесекундный сток из озера через Протоку, М_дрен, в этот период по результатам 8 измерений равен 120 л/с. Кроме стока через Протоку, вода из озера уходит за счет испарения и путем инфильтрации (просачивания) через дно озеро. По оценкам для других кратерных озер [Taran et al., 2008], поток просачивания составляет (2 ± 1) × × 10^–4 кг/м²/с, т.е. при площади поверхности озера 4.6 × 10⁴ м² просачивание через дно (М_инф) составит около 10 кг/с. Скорость испарения из озера можно оценить с помощью одного из предложенных уравнений [Hurst et al., 2015], включающих разность температур озера и воздуха, скорость ветра, влажность и давление водяного пара у поверхности озера. Для озера Кипящее скорость испарения (по метеоданным²²) можно оценить в зависимости от используемого уравнения от 6 до 12 кг/с (М_исп = 9 ± 3 кг/с), что близко к питанию озера за счет осадков.

Таким образом, суммируя все составляющие элементы баланса, получаем долю потока термальной воды, питающей озеро, М_терм, равную 64 кг/с. Ошибка, с которой оценена эта величина, может быть весьма большой, поскольку кроме достаточно точного определения дренажного стока Протокой, остальные составляющие баланса оценены с неустановленной неопределенностью. Кроме того, мы усреднили все сезонные показатели, не разделяя зимний и летний периоды. Пока можно сказать, что измеряемый сток из озера (расход Протоки) примерно наполовину обеспечивается горячими источниками, поднимающимися со дна озера.

Как показали наши исследования, Протока, через которую осуществляется сток из озера, определяет интегрированные параметры озера. Концентрации макрокатионов, содержащиеся в ее водах, и их соотношения, а также содержания микроэлементов повторяют данные по озеру (при условии единовременного опробования). Состав анионов в сентябре 2020 г. составил 980 мг/л Cl и 541 мг/л SO₄, рН 2.19 при температуре 37.8°С, что значительно выше данных, полученных нами в 2015 г. [Kalacheva et al., 2017] (см. табл. 1). Измеренный расход воды в Протоке – 120 ± 10 л/с (среднее значение из 8 промеров, выполненных утром и вечером в течение 4-х дней), что также выше данных 2015 г.

Зная концентрации анионов и общий дебит, мы можем оценить ежесуточный гидротермальный вынос глубинного хлора и серы через Протоку. В фоновых ручьях, питающих оз. Кипящее, концентрация хлор-иона составляет 8.9–9.2 мг/л. С учетом этих данных мы получаем ежесекундный общий вынос хлора за пределы оз. Кипящее 116 г/с, что практически в два раза выше наших предыдущих расчетов по данным 2015 г. (64 г). Ежесуточный сток составляет 10 т, а в воде озера постоянно находится более 32 тыс. т растворенного хлора.

Сера активно осаждается как в самородном виде, так и в минеральных комплексах. Часть ее остается на дне и по берегам озера в виде ила, часть выносится через Протоку в виде пены и взвеси, делая воду ручья мутной. Мы располагаем данными, которые могут позволить оценить только растворенный вынос сульфат-ионов. При среднем количестве его в воде озера в 541 мг/л мы получаем ежесекундный гидротермальный сток в 62 г. Таким образом, ежесуточно в растворенном виде с оз. Кипящее выносится 5.4 т SO₄, что также в два раза превышает полученные ранее нами данные.

Исключая аналитическую ошибку, так как все химические анализы макрокомпонентов выполнялись на одном приборе, в одной лаборатории, можно с уверенностью сказать, что гидротермальная деятельность вулкана Головнина с 2015 г. значительно усилилась.