Вариации тепловых и гидрохимических параметров озера Троицкого.

Впервые обратили внимание на связь между изменениями химического состава вод кратерного озера и тепловой мощностью вулкана [4], предположив при этом возможность переноса тепла и растворенных веществ одним агентом-глубинным паром. Позднее другие исследователи на аналогичных озерах обосновано установили такую связь и, более того, использовали этот факт для количественных оценок целого ряда параметров, характеризующих состояния кратерных озер в различные периоды деятельности вулканов [5].

При рассмотрении совмещеных графиков вариаций тепловых и гидрохимических параметров кратерных озер хорошо заметна асинхронность в изменениях этих характеристик, а именно запаздывание вторых по отношению к первым. Одним из первых объяснил этот факт [3]. Из отмеченного факта очевидно, что в силу динамических особенностей кратерных озер не может быть прямой корреляции между изменениями химического состава их вод и тепловой мощностью вулкана. При этом запаздывание изменений гидрохимических параметров по отношению к тепловым для каждого конкретного озера различно и зависит от ряда причин, наиболее значимыми из которых являются морфология чаши озера и массы озерных вод. Для кратерного озера вулкана Малый Семячик это время составляет два года [2, 3].

Оценка вероятного содержания Cl-иона в глубинном флюиде.

Рассмотренная выше зависимость изменений тепловых и гидрохимических характеристик кратерных озер, без сомнения, свидетельствует о едином агенте-носителе тепла и растворенных веществ в озерные воды. В частности, для озера Троицкого это очевидно вода в паровой фазе с теплосодержанием около 2,8 MJ/кг [1] и минерализацией, превышающей содержания растворенных веществ в озерных водах, т.к. в периоды активизаций минерализация их всегда возрастает. Из этого следует, что можно оценить концентрацию хлорид-иона в глубинном паре, поступающем в озерные воды со дна кратера Троицкого. Выбор этого компонента не случаен, т.к. это наиболее консервативный химический элемент, остающийся в водном растворе в самом широком диапазоне физико-химических условий среды.

Воспользуемся для наших расчетов следующим соотношением:

m_флю ґ i » S Q_потер (1)

здесь m_флю – интенсивность поступления в озеро флюида с теплосодержанием i » 2,8 MJ/кг и неизвестной (искомой) концентрацией хлорид-иона ([Cl^- ]_флюг/ кг), а S Q_потер – измеренная на озере тепловая мощность вулкана.

Однако, как отмечено выше, изменения химического состава вод кратерных озер неадекватны изменениям тепловой мощности вулканов. Иными словами, нельзя одновременно сопоставлять гидрохимический и тепловой параметры. Более корректно сопоставлять их интегральные значения для сколько-нибудь протяженных периодов времени, охватывающих начало и окончание активных фаз, т.е. содержащие оба максимума: по тепловой мощности и химическому составу.

Воспользуемся данными, полученными для кратерного озера вулкана Малый Семячик в период с конца 60-х до середины 70-х годов [3, 4] (Рис.).

За время D T (с) в период активизации вулкана в озеро поступило следующее количество хлорид-иона:

S₊Cl^- (г) = m_флю ґ [Cl^- ]_флю ґ DT (2).

Подставим сюда из уравнения (1) m_флю » S Q_потер / i, где

i = 2,8 MJ/кг, а SQ_потер » Q_ср -средняя тепловая мощность за время DT,

т.е. уравнение (2) примет следующий вид:

S₊Cl^- (г) = (Q_ср / i) ґ [Cl^- ]_флюґ DT (3).

За этот же период времени из озера было вынесено со скрытым стоком следующее количество хлорид-иона:

S_-Cl^- (г) = Р_дренґ [Cl^- ]_ср.озґ DT (4),

где Р_дрен – величина скрытого стока из озера и [Cl- ]_ср.оз - средняя концентрация хлорид-иона в водах озера за период времени DT.

Рис.1 Совмещенные графики временных вариаций Cl-иона в кратерных водах озера Троицкого и
тепловой мощности вулкана Малый Семячик (Камчатка) за период превышающий 30 лет.
Построения проводились как по данным автора, так и по результатам предшествующих наблюдений других исследователей.

1. На верхнем графике содержания хлорид-иона в кратерноозерных водах в г/кг;

2. [Cl^-]av.DT - среднее содержание Cl^- за расчетный период времени (DT=5.5 года);

3. На нижних графиках вариации тепловой мощности вулкана (Q) в мВт;

4. Qav.DT - ρредняя тепловая мощность за расчетный период времени (DT=5.5 года);

5. 2Y - 2 года: время запаздывания изменений гидрохимических параметров кратерно-озерных
вод относительно их тепловых характеристик (тепловой мощности).

Примем за начало и конец интервала времени DT такие временные отметки T₁ и T₂, когда количество хлорид-иона в озере были равны, т.е. были равны концентрации этого компонента при постоянстве объема озера (см. Рис.). Тогда совершенно очевидно, что в рассматриваемый период времени за счет поступления Cl-иона с флюидом содержание его в озеро росло, увеличивалась соответственно и его концентрация. При этом постоянно шел вынос этого компонента из озера со скрытым стоком. Вначале он был менее интенсивен, чем привнос Cl-иона с флюидом, а затем, когда вулканическая активность уменьшилась, стал преобладать. В результате общая масса Cl-иона стало падать, началась снижаться и его концентрация. В какое-то время T₂ концентрация Cl-иона вновь стала равной, как и во время T₁. А это означает, что вся масса привнесенного компонента в озеро с глубинным флюидом за период Dt была вынесена из него за это же время со скрытым стоком. Соответственно мы можем приравнять уравнения (3) и (4), т.е. S + Cl^- = S _- Cl^- или:

(Q_ср / i) ґ [Cl^-]_флюґ DT = Р_дрен ґ [Cl^-]_ср.озґ DT, откуда

[Cl^-]_флю = ([Cl^-]_ср.оз / Q_ср) ґ i ґ Р_дрен (5).

Для рассмотренной фазы активизации вулкана Малый Семячик _DT при вышеотмеченных условиях составляло ~ 5,5 года. В этот период средняя тепловая мощность составляла 310 MW, а средняя концентрация хлорид-иона 10,37 г/кг. Уровень и объем озера были в это время приблизительно постоянны, а следовательно и определенный выше скрытый сток (~ 160 кг/с). Подставив эти значения в уравнение (5), находим, что средняя концентрация хлорид-иона в глубинном флюиде в рассматриваемый период времени составляла приблизительно 15г/кг.

Аналогичные выкладки для периода активизации вулкана в середине 80-х годов дали нам значение
[Cl^- ]_флю = 16 г/л.

Литература

1. Вукалович М.П. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. М.: Энергия, 1965. 399 с.
   
2. Гавриленко Г.М. Гидрологическая модель кратерного озера вулкана Малый Семячик (Камчатка)// Вулканология и сейсмология. 2000. №6. С. 21-31.
   
3. Горшков А.П. , Гребзды Э.И., Самойленко Б.И., Слезин Ю.Б. К расчету баланса тепла и массы кратерного озера вулкана Малый Семячик// Бюл. вулканол. станций. 1975. №51. С. 50-59.
   
4. Слезин Ю.Б., Ковалев Г.Н., Гребзды Э.И., Чеглецова Е.А. Об активности вулкана Малый Семячик// Бюл. вулканол. станций. 1971. №47. С. 37-39.
   
5. Giggenbach W.F., Glover R.V. (1975). The use of chemical indicator in the surveillence of volcanic activity affecting the crater lake on Mount Ruapehu, New Zealand// Bull. Volcanol., Vol. 39, 70-81