Углекислые термы исследовательской штольни Нейтрино (Баксанская нейтринная обсерватория, Северный Кавказ)

Полный текст

Даная работа продолжает начатые ранее исследования углекислых минеральных источников, связанных с Эльбрусской областью развития плиоцен-четвертичного вулканизма на Большом Кавказе [3–5, 13]. Несмотря на проведение многолетних исследований, часть источников не была опробована. В частности, до сих пор не были исследованы геохимическими методами горячие источники, выходящие в забое исследовательской горизонтальной штольни, в которой располагается Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований РАН.

Штольня пробита в правом борту р. Баксан напротив одноименного поселка. Ее протяженность составляет ~4200 м. В забое штольни разгружаются горячие углекислые источники с температурой воды до 41.3^°С. Такая высокая температура воды, с одной стороны, может быть обусловлена тем, что штольня находится примерно над глубинным вулканическим очагом вулкана Эльбрус, маркируемым изотопно-гелиевой (³Не/⁴Не) аномалией в газах углекислых источников Приэльбрусья [4]. С другой – такая температура может быть следствием вскрытия вод на значительной глубине в толще пород. Забой штольни, где отмечены выходы горячих источников, перекрыт почти двухкилометровой толщей кристаллических пород палеозойского возраста (граниты, гнейсы, кристаллические сланцы). Поэтому такая температура подземных вод может отражать естественные геотермические условия в недрах горы Курмутау (3945 м). По самым приблизительным оценкам, с учетом рельефа и положению забоя штольни на глубине около 2 км от ее вершины, градиент температуры в этом районе может составлять порядка 18–20^оС/км, без учета конвективного теплопереноса.

До настоящего времени в Приэльбрусье изучались только поверхностные углекислые источники, в водном балансе которых доминировали исключительно атмогенные воды [1]. Это связано с тем, что выходы углекислых вод Большого Кавказа приурочены к трещинно-жильным системам, что обеспечивает их сильное разбавление инфильтрационными водами вблизи поверхности земли. Изучение же углекислых терм в штольне Нейтрино дает уникальную возможность исследовать геохимическую специфику углекислых флюидных систем, циркулирующих в глубине массивов кристаллических пород вблизи магматической камеры вулкана Эльбрус.

Важной проблемой также является происхождение метана, присутствующего в виде примеси в газах углекислых источников Приэльбрусья. Концентрации метана здесь иногда достигает ~15% [3, 13]. В газах источников, располагающихся в верхнем течении р. Баксан, ближайших к вулкану Эльбрус и штольне Нейтрино, концентрации СН₄ достигают 0.2…2.3%. Этот метан характеризуется значениями δ¹³С(СН₄) от –32 до –17.2‰, которые с удалением от вулкана Эльбрус снижаются до –55… –58‰ [3–5]. Анализ закономерностей распределения концентраций и значений δ¹³С в СН₄ позволил предположить его коровый генезис. Роль магматической активности в данном случае сводится к формированию температурной магматогенной аномалии, в области воздействия которой и формируется изотопно-тяжелый метан (вероятно, за счет процессов обмена в системе “СО₂-СН₄”).

В штольне также помимо собственно нейтринного телескопа находится несколько лабораторий, осуществляющих мониторинг вулканической и сейсмической активности вулкана Эльбрус. Однако каких-либо геохимических исследований, подтверждающих наличие/отсутствие разгрузки вулканогенных флюидов в штольне до сих пор не проводилось.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Работа выполнена на основе результатов экспедиционных работ, проведенных в 2021 г и 2022 г. в Северном Приэльбрусье (рис. 1). Было проведено газо-гидрохимическое опробование 15 углекислых источников (табл. 2), два из которых находились в штольне Нейтрино (табл. 1).

 

Таблица 1. Геохимические характеристики воды и газовой фазы термальных источников штольни Нейтрино

№, компонент	N1-21*	N2-21*	№, компонент	N1-21*	N2-21*
t, °С	33.6	41.3	δ17О, ‰	−4.52	−4.64
рН	6.83	6.80	δ18О, ‰	−8.45	−8.73
Eh	92	–68	δ2Н, ‰	−83.9	−85.7
HCO3–, мг/л	3172	3904	17O-exc, ppm	−54	−27
Cl–, мг/л	2283	2219	δ13C(CH4), ‰	−26.0, −33.5 **	–
F–, мг/л	0.37	0.41	δ13C(CO2), ‰	−8.0, −6.4**	−7.3
B, мкг/л	294375	266808	δ15N, ‰	+1.3	–
Na, мкг/л	2137146	1889596	3Не/4Неизм. (× 10–8)	295	–
Mg, мкг/л	184808	162939	3Не/4Неиспр. (× 10–8)	346	–
Al, мкг/л	131	<1	4Не/20Ne	1.203	–
Si, мкг/л	58006	53395	Ar, %	0.127	0.086
S, мкг/л	2980	942	O2, %***	0.06	0.037
K, мкг/л	207060	182384	N2, %	1.83	0.92
Ca, мкг/л	116792	285892	Не, %	0.001	0.0017
Mn, мкг/л	47.2	59.6	СН4, %	0.39	0.036
Fe, мкг/л	<1	1200	СО, %	0.002	0.0029
Ge, мкг/л	118	119	CO2, %	97.11	98.60
Br, мкг/л	8074	7477
Sr, мкг/л	2027	4424
Ba, мкг/л	4139	6389

* N1-21 – термальное озеро в забое штольни, N2-21 – выход минеральной воды с t = 41.3^оC в стенке штольни, ~20 м от озера, для этой пробы газовый анализ приведен по отбору декабря 2022 г.

** Пробы отбирались в июле 2021 и декабре 2022 г.

*** Небольшой фон кислорода связан с особенностью ввода газовой пробы в хроматограф через кран-дозатор. Его реальное присутствие в газах маловероятно.

 

Таблица 2. Изотопные характеристики кислорода и водорода поверхностных вод, углекислых и пресных источников Приэльбрусья

№ на рис. 1	номер пробы	название пункта опробования	широта	долгота	δ17О, ‰	δ18О, ‰	δ2Н, ‰	17O-excess, ppm
Минеральные источники
1	В1-21	Нарзан Терскол	43.2525	42.5230	−6.97	−13.3	−94.6	73
2	В2-21	Скв. Поляна Нарзанов	43.2460	42.5614	−7.30	−13.9	−98.3	66
3	В2-2-21	Поляна Нарзанов, нарзан	43.2464	42.5622	−7.28	−13.9	−98.4	75
4	В3-21	Верхний нарзан в с. Верхний Баксан	43.3151	42.7566	−5.01	−9.57	−72.5	53
5	В4-21	Нижний нарзан в с. Верхний Баксан	43.3044	42.7389	−5.71	−10.7	−73.8	75
6	В5-21	Скважина выше г. Тырныауз (левый берег р. Баксан)	43.3701	42.8955	−5.02	−9.64	−70.5	75
7	В6-21	Скважина на южной окраине г. Тырныауз	43.3767	42.912	−5.56	−10.6	−72.2	52
8	В7-21	Нарзан Тохана-Верхний	43.4689	42.4427	−5.13	−9.81	−62.8	64
9	В8-21	Нарзан Тохана-Нижний	43.5236	42.4241	−5.24	−10	−61.7	83
10	В9-21	Нарзан Шаушаиб	43.5473	42.3551	−5.04	−9.65	−55.0	72
11	В10-21	Нарзан Джилусу-верхний	43.4332	42.5353	−6.30	−12	−84.2	77
12	В11-21	Нарзан в Долине нарзанов	43.6947	42.6804	−4.73	−9.07	−58.2	71
13	В12-21	Нарзан Ингушли верхний	43.4959	42.4789	−4.84	−9.25	−56.7	49
Поверхностные и грунтовые воды
14	В1р-21	Ручей ниже ист. Адыл-су	43.2496	42.6414	−6.85	−12.8	−86.8	−58
15	В2р-21	Ручей в пр. борту р. Баксан	43.2519	42.6435	−6.08	−11.6	−80.9	76
16	б/н	Дождь	43.5257	42.4289	−2,72	−5,2	−23,3	79
17	В7р-21	Ручей в правом борту р. Тохана	43.4785	42.4368	−3.96	−7.55	−47.0	36
18	В10-1р21	Р. Малка выше слияния с р. Кизилкол	43.4332	42.5348	−7.66	−14.3	−92.8	−69
19	В10-2р-21	Р. Кизилкол	43.4334	42.5347	−6.63	−12.7	−84.6	82
20	В10-3р-21	Ручей пр. приток Малки в районе ист. Джилысу	43.4337	42.5384	−6.62	−12.7	−85.9	79
21	В10-4р-21	Пресный родник	43.5741	42.5785	−4.68	−8.76	−55.4	−44
22	В11р-21	Р. Хасаут	43.6946	42.6800	−4.50	−8.38	−53.0	−69
23	О-7-21W	Озеро, выше г. Тырныауз	43.3940	42.8870	−5.42	−10.4	−70.3	69
24	IIIT-2-21W	Штольня № 2 ниже первой штольни	43.3945	42.8626	−5.46	−10.5	−70.2	70
25	BT-3-21W	Р. Баксан, на въезде в г. Тырныауз напротив В5–21	43.3699	42.9005	−6.78	−12.9	−83.6	38
26	Z1-22	Р. Баксан у подвесного моста в пос. Терскол	43.2526	42.5129	−8.84	−16.74	−112.8	32
27	RO-1-21W	Озеро Рыбное в г. Тырныауз,	43.3933	42.9183	−6.86	−12.9	−83.2	−46
28	IIIT-1-21W	Штольня № 1W в районе г. Тырныауз	43.3950	42.8617	−5.65	−10.7	−70.6	29

 

Штольня Нейтрино располагается в Баксанском ущелье (Северный Кавказ), респ. Кабардино-Балкария в недрах горы Курмутау (3945 м) (рис. 1). Ее забой находится на удалении 22 км от восточной вершины вулкана Эльбрус. На вершине горы примерно над забоем штольни находится одноименный ледник. В начале 1970-х годов при проходке штольни среди мусковит-хлорит-кварцевых сланцев было вскрыто несколько выходов трещинно-жильных термальных (до 42^оС) углекислых вод. Их выходы отмечены на расстоянии 3700, 4000 и 4200 м от входа в штольню и местами формируют довольно мощные наслоения травертинов [12]. В конце штольни сформировалось небольшое озеро, подпитываемое интенсивно газирующими на дне и в прибортовых трещинах выходами углекислых термальных (33.6^°С) вод (табл. 1, проба N1-21). Самый высокотемпературный выход воды (41.3^°С, проба N2-21, см. табл. 1) находится в левом борту штольни примерно в 20 м от озера.

 

Рис. 1. Схема опробования углекислых минеральных и пресных вод Приэльбрусья. 1 – углекислые источники; 2 – поверхностные воды; 3 – населенные пункты. Номера пунктов опробования соответствуют номерам в табл. 1 и 2.

 

В местах выходов минеральных вод были отобраны пробы воды и свободных газов. Из озера в конце штольни проба воды на микрокомпоненты отбиралась шприцом из трещины у левой стенки штольни. Проба газа – из выходов на дне озера. Для исследования вариаций изотопных характеристик воды по простиранию штольни отбирались пробы воды, высачивающейся из трещин в интервале пикетов 2640–4100. Для сравнительных изотопных исследований также отбирались пробы воды из естественных холодных углекислых источников Восточного и Северного Приэльбрусья, а также рек и ручьев (рис. 1).

При отборе проб воды с помощью стеклянных электродов измерялись рН и Eh. Измерения Eh выполнялись платиновым электродом, по- этому в результаты измерений вводилась поправка на “водородный электрод” (+180 мВ).

Пробы воды для определения концентраций микроэлементов фильтровались через фильтр 0.45 мкм в пластиковые боксы объемом 15 мл и консервировались концентрированной HNO₃. Определения концентраций микрокомпонентов выполнялись методами ICP-MS и ICP-AES в Аналитическом центре ИПТМ РАН (г. Черноголовка).

Пробы воды, отобранные в 50 мл боксы, хранились в холодильнике без консервации и предназначались для определения концентраций ионов НСО₃^– и Сl^– (выполнялись методом кислотного и AgNO₃ титрования в химико-аналитической лаборатории ГИН РАН, г. Москва).

В таких же боксах без консервации хранилась вода, отобранная для определения изотопных характеристик Н и О. Определения значений δ²Н, δ¹⁸О и δ¹⁷О выполнялись в ЦКП ГИН РАН (г. Москва) на лазерном изотопном анализаторе Picarro 2170i. Результаты определений δ²Н, δ¹⁸О и δ¹⁷О приводятся в‰ относительно стандарта VSMOW. Из каждой пробы выполнялось 10 повторных определений изотопных характеристик О и Н воды и по этим данным давалась оценка среднеквадратичного отклонения по каждому показателю. Для δ¹⁸О и δ¹⁷О оно было не хуже ±0.05‰, а для δD – ±0.5‰. Значения δ¹⁷О использовались для расчета¹⁷О-эксцесса (ppm) по формуле:

¹⁷О-exc = (LN(δ¹⁷O/1000 + 1) – – 0.528×LN(δ¹⁸O/1000 + 1)) × 10⁶

Надо отметить, что все проводимые ранее опробования минеральных источников и рек носили разовый характер и производились в летнее время. Поэтому масштабы сезонных вариаций δ²Н и δ¹⁸О были нам неизвестны. Для восполнения этого пробела в 2021–2022 гг. мы провели небольшие режимные исследования изотопных характеристик О и Н в термальном (41.3^°С) источнике штольни (рис. 2).

 

Рис. 2. Результаты повторных замеров δ2Н, выполненных в термальном источнике (41.3°С), находящемся вблизи забоя штольни Нейтрино.

 

Они показали, что амплитуда вариаций δ²Н находилась в диапазоне 1‰, что соответствовало погрешности измерений δ²Н. Примерно такую же высокую стабильность изотопных характеристик воды показало повторное опробование, проведенное в июле и декабре 2022 г., ближайших к Эльбрусу углекислых источников (Поляна Нарзанов, Терскол и др.) и двух скважин в районе г. Тырныауза. Эти данные указывают на стабильность изотопного состава крупных углекислых источников, доказывая высокую представительность результатов разового опробования.

Определение химического состава свободной газовой фазы выполнялось в ЦКП ГИН РАН на газовом хроматографе Кристалл 5000 методом абсолютной калибровки по каждому компоненту. Суммарная ошибка определения состава газов была не хуже 2–3 об. %.

Значения δ¹⁵N в N₂, а также δ¹³С в СО₂ и СН₄ в газовой фазе определялись на приборах серии DELTA в ГИН РАН и ВСЕГЕИ. Погрешность определения δ¹⁵N была не хуже ±0.3‰, а δ¹³С – ±0.2‰. Измерения значений³Не/⁴Не (R) и ⁴Не/²⁰Ne были выполнены на масс-спектрометре Noblesse SFT (NU Instruments Ltd.) в Ключевой лаборатории изотопных исследований Северо-Западного института экологии и ресурсов Академии наук Китая (г. Ланьчжоу). Погрешность определения ³Не/⁴Не составляла 1.1 × 10^–8, а ⁴Не/²⁰Ne – 0.01. В измеренные значения R вводилась поправка на контаминацию пробы атмосферным воздухом [7]:

$R_{испр}=\frac{\left\{R_{обр}\times {\left({}^{4}He/{}^{20}Ne\right)}_{обр}{R}_{àòì}\times {\left({}^{4}He/{}^{20}Ne\right)}_{атм}\right\}}{\left\{{\left({}^{4}He/{}^{20}Ne\right)}_{обр}{\left({}^{4}He/{}^{20}Ne\right)}_{атм}\right\}},$

где R_атм = 1.39×10^–6 и (⁴He/²⁰Ne)_атм = 0.305 значения в атмосферном воздухе.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Особенности солевого состава минеральных вод

Значения рН минеральных вод, высачивающихся в разных местах штольни, менялись от 5.77 до 7.60. Значения Еh варьировали от –85 до +109 мВ. Минерализация (сумма солей) воды менялась на удалении от забоя штольни в диапазоне от 0.5 г/л до 0.7 г/л, достигая 8.7 г/л в выходах минеральной воды вблизи забоя штольни.

Минерализация поверхностных углекислых источников в данном районе Приэльбрусья чаще всего варьирует от 0.13 до 3 г/л, составляя в среднем 2 г/л [4]. Только в скважинах Тырныауза и в Верхне-Баксанском источнике она немного превышает 5 г/л, а в ист. Шаушииб она достигает значений ~11 г/л.

Интересно отметить, что воды двух термальных источников, выходящих в штольне на удалении всего около 20 м друг от друга, заметно различаются по солевому составу. Для термы (табл. 1, обр. N1–21), питающей озеро, характерны более высокие концентрации Na, B, Br, Mg, S, K, Li, Rb, Sn, W и U, а для второго выхода (обр. N2-21) – НСО₃, Ве, Fe, Cd, Ca, Sr и Ba.

Химический состав газовой фазы. Все минеральные источники штольни (табл. 1) и Приэльбрусья относятся к углекислым водам. Концентрация СО₂ в их газовой фазе часто достигает 98%. Содержание N₂ варьирует – от 0.5 до 58%, увеличиваясь в газах минеральных вод сильно разбавленных инфильтрационными.

В газах источников в штольне концентрация СН₄ меняется от 0.036 до 0.5%. Самая высокая концентрация СН₄ фиксируется в газовых струях, выходящих на дне озера, а более низкая (0.036%) – в самом высокотемпературном выходе воды (в ~20 м. от озера) (табл. 1). В пробах газа, отобранных из озера в разное время (в июле 2021 г., в июне и в декабре 2022 г.), концентрации СН₄ менялись в диапазоне 0.39–0.50%.

Изотопный состав Не, С в СО₂, СН₄ и N в N_2. Определение значения (³Не/⁴Не) в пробе газа, отобранной из озера в забое штольни, показало (табл. 1), что в ней присутствует более 30% мантийного гелия (³Не/⁴Не_мант = 1.2 × 10^–6). Это согласуется с полученными ранее результатами исследований ³Не/⁴Не в газах углекислых источников Приэльбрусья [4]. Они выявили здесь обширную изотопно-гелиевую аномалию, обрамляющую вулкан Эльбрус и охватывающую верхнее течение р. Баксан и ее притоков. Предполагается, что она маркирует глубинный магматический очаг, обеспечивший в плиоцен-четвертичное время активность вулканических центров Приэльбрусья. Таким образом, определение ³Не/⁴Не в пробе газа из штольни показало, что ее забой не вышел за пределы области потенциальной вулканической активности вулкана Эльбрус. Это дает обоснование для проводимых в штольне многолетних геофизических наблюдений, ориентированных на мониторинг вулканической и сейсмической активностями в районе этого вулкана ([6, 8] и др.).

В газах термальных источников штольни были определены значения δ¹³С в СО₂ и СН₄ (табл. 1). Выходы газа в озере в забое штольни опробовались нами в июле 2021 и декабре 2022 (см. значения δ¹³С для пробы N1-21 в табл. 1). Значения δ¹³С в СО₂ здесь менялись от –8.0 до –6.4‰, а в самом горячем выходе воды (N2-21) было получено значение –7.3‰. В общем, полученные в газах штольни значения δ¹³С в СО₂ не отличаются от наблюдаемых в естественных углекислых источниках Приэльбрусья [4].

Определения значений δ¹³С в СН₄, выполненные в пробах газа из термального озера, отобранных в июле 2021 г. и в декабре 2022 г., показали довольно сильные различия (табл. 1). Надо заметить, что такого порядка и даже еще более высокие значения δ¹³С в СН₄ (до –17‰) ранее фиксировались в газах холодных углекислых источников, расположенных в окрестностях штольни – к востоку от вулкана Эльбрус [3–5]. Высокие значения δ¹³С в СН₄ в данном случае могут являться следствием изотопного обмена в системе СН₄–СО₂ в области термального воздействия от магматической камеры вулкана Эльбрус при температурах 300…750^°С [3, 5].

Вместе с тем проведенные ранее в термах штольни микробиологические исследования выявили присутствие термофильных бактерий [17], некоторые из видов которых могут быть метанотрофными. Поэтому нельзя исключить вероятности того, что наблюдаемые в газах углекислых источников Приэльбрусья вариации δ¹³С в СН₄ могут быть в какой-то степени результатом биологической активности термофильных метанотрофных бактерий. На возможность последнего указывают значительные вариации значений δ¹³С метана (табл. 1), которые трудно объяснить сильными флуктуациями температурных условий формирования газов вблизи магматической камеры.

Несмотря на присутствие в газах штольни вулканогенного Не и СО₂, молекулярный азот характеризуется положительными значениями δ¹⁵N (табл. 1), указывающим на его коровый генезис. В углекислых газах Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья такой азот почти всегда обнаруживается в богатых метаном газах и коррелирует с его концентрацией [5].

Изотопный состав О и Н углекислых вод Приэльбрусья. Проведенные ранее исследования изотопных характеристик воды углекислых источников Приэльбрусья показали [1, 4], что наблюдаемые в них значения δ²Н и δ¹⁸О идентичны местным поверхностным водам и в большинстве случаев группируются вблизи глобальной линии метеорных вод. На активное участие в формировании водного баланса углекислых источников атмосферных осадков также указывает и выявленные зависимости значений δ²Н и δ¹⁸О от абсолютных отметок выходов источников [1, 4]. Кроме того, для всех исследованных естественных углекислых водопроявлений Приэльбрусья так же, как и для большинства образцов речных вод, характерны положительные значения¹⁷О-exc (49…83 ppm) (табл. 2). Воды терм штольни отличаются от них отрицательными значениями¹⁷О-exc (до –54 ppm, табл. 1). Такие значения иногда встречаются в поверхностных водах Приэльбрусья, испытавших испарение (воды озер и рек из них вытекающих) (табл. 2). Впрочем, отрицательные значения¹⁷О-exc и в водах седиментационных бассейнов, изотопные характеристики которых модифицированы при изотопном обмене кислорода воды с вмещающими породами [16].

В отличие от всех опробованных поверхностных речных и углекислых вод термальные воды из штольни заметно обогащены тяжелым изотопом кислорода (¹⁸О). Причем фигуративные точки проб, отобранных на разном удалении от забоя штольни на диаграмме δ¹⁸О-δ²Н формируют хорошо выраженный тренд (рис. 3), пересекающий тренд местных поверхностных вод в области значений δ¹⁸О = –15.3 и δ²Н = –104‰. Теоретически этот тренд можно объяснить влиянием процессов испарения и/или изотопным обменом кислорода в системе вода–порода. Однако трудно представить, чтобы эти процессы так ярко проявлялись в достаточно локальной группе углекислых источников, выходящих из трещин в стенках штольни на протяжении не более 1.5 км.

Поэтому этот тренд логичнее интерпретировать как линию смешения изотопно-тяжелых и изотопно-легких вод. Первые, очевидно, имеют глубинное происхождение. Это могут быть воды, долгое время взаимодействовавшие с вмещающими породами при повышенных температурах. Относительно метеорных вод они сильно обогащены¹⁸О. Вторые – это ледниковые или атмосферные воды, сформировавшиеся на склонах горы г. Курмутау.

Характеристики δ¹⁸О и δ²Н конечного члена изотопно-тяжелых вод нам не известны. Экстраполяция тренда на рис. 3 теоретически позволяет связать их как с метаморфогенными, так и вулканогенными – “андезитовыми” водами [9–11]. При этом их генетическая связь с “базальтовыми” водами [9, 14] маловероятна. Такая интерпретация вполне согласуется с составом вулканитов Эльбруса, среди которых доминируют кислые – липарит-дацитовые серии.

Такая экстраполяция тренда, в общем, не противоречит геологическим условиям формирования исследуемых терм. Их выходы, с одной стороны, приурочены к системам разломов, образовавшимся в процессе воздымания горного сооружения Большого Кавказа. Теоретически они могут обеспечить транспортировку вод из зоны регионального метаморфизма к поверхности земли. С другой – штольня расположена в центральной части изотопно-гелиевой аномалии, связанной с глубинным магматическим очагом вулкана Эльбрус, что также подтверждается высокими значениями³Не/⁴Не (табл. 1). Присутствие примеси мантийного гелия в газах терм не исключает возможности поступления в них и других магматогенных дериватов – в том числе и вулканогенной воды.

Впрочем, вывод об участии в водном балансе исследуемых терм вод метаморфогенного или вулканогенного генезиса представляется мало- обоснованным в связи с дальней экстраполяцией рассматриваемого тренда. Кроме того, в термах штольни отсутствуют признаки вулканогенной фумарольной активности – температура вод примерно соответствует местному градиенту температур, в составе газов отсутствуют водород и кислые газы (H₂S и HCl). Оценки температур, полученные для системы СО₂–СН₄ (275– 430^°С [15]) для газов штольни, вероятно, могут быть завышены из-за микробиального окисления метана. Оценки температур по Mg–Li-, Li–Na-, Na–K- и Si-гидрохимическим геотермометрам дают очень противоречивые результаты – от ~140^oC (для Si-геотермометра), но не более 230–275^°С (для Mg–Li-, Li–Na-, Na–K-геотермометров). Впрочем, как было показано ранее [4], эти геотермометры применительно к углекислым водам не дают надежное представление об абсолютных значениях температур формирования их солевого состава. Таким образом, даже эти не столь надежные оценки температур позволяют предполагать формирование исследуемых флюидных систем при температурах существенно более низких, чем температуры плавления кислых вулканитов (~650^°С). Поэтому их генезис вряд ли можно связать с выделением магматических вод.

Вероятнее всего, обогащенные ¹⁸О воды формируются в результате взаимодействия в системе вода–порода при повышенных температурах. Также нельзя исключить, что в водах штольни имеется примесь древних седиментационных изначально морских вод. В процессах литогенеза они также часто сильно обогащаются тяжелым изотопом кислорода [11]. Поэтому взаимодействие таких вод в локальных трещинных системах с изотопно-легкими атмосферными водами вполне может обеспечить наблюдаемый на рис. 3 тренд.

 

Рис. 3. Изотопный состав кислорода и водорода термальных углекислых вод штольни Нейтрино (1), углекислых холодных источников (2) и пресных поверхностных вод (3) Приэльбрусья. Линиями показано: полужирной линией – глобальная линия метеорных вод (линия Крейга), пунктиром – тренд для местных поверхностных вод, точечной линией со стрелкой – тренд, образованный термальными водами штольни, цифрами I–III показаны боксы: I – метаморфических вод [10, 11 и др.]; II – “андезитовых” [9] и III – “базальтовых” вод [9, 14].

 

Проведенные определения изотопных характеристик О и Н в водах, высачивающихся по простиранию штольни показали (рис. 4), что к забою штольни происходит рост значений δ²Н (и δ¹⁸О тоже). Такое распределение изотопных характеристик водорода в водах по простиранию штольни весьма неожиданно. Ее забой находится под вершиной горы – потенциальной области водного питания. На вершине располагается ледник, из основания которого теоретически должны были бы просачиваться изотопно-легкие талые воды. Однако признаки подмешивания таких вод мы наблюдаем только при удалении от забоя штольни. Можно предположить, что проходка штольни создала новый базис разгрузки подземных вод. Это привело к нарушению естественного гидрогеологического режима в недрах горного массива и обеспечило выведение в штольню вод глубокой циркуляции.

 

Рис. 4. Изменение значений δ2Н в выходах вод по простиранию штольни Нейтрино (по оси x дано расстояние в м от устья штольни). Линией показана общая тенденция изменения δ2Н, прямоугольным боксом обведены фигуративные точки источников в конце штольни, данные по которым приведены в табл. 1.

 

ВЫВОДЫ

1. Повторные измерения изотопных характеристик О и Н, проведенные в 2021–2022 гг. в отдельных естественных источниках Приэльбрусья, скважинах Тырныауза и источниках в забое штольни Нейтрино, показали их высокую стабильность. Как правило, вариации значений δ²Н обычно укладывались в диапазон ±0.5‰. Поэтому можно считать, что сезонные факторы не оказывают существенного влияния на изотопные характеристики крупных термоминеральных источников Приэльбрусья.
2. В штольне Нейтрино отмечена тенденция к появлению изотопно-легких инфильтрационных вод к устью штольни. При этом воды с самыми высокими значениями δ¹⁸О и δ²Н вскрыты в забое штольни в центральной части горного массива Курумтау.
3. В углекислых термах, выходящих в забое штольни Нейтрино, наблюдается наличие “кислородного сдвига” относительно линии метеорных вод. Их воды заметно обогащены тяжелым изотопом кислорода (¹⁸О). На диаграмме δ²Н–δ¹⁸О их фигуративные точки формируют хорошо выраженный тренд, который, вероятнее всего, представляет собой линию смешения глубинных (изотопно-тяжелых) и инфильтрационных ледниковых (изотопно-легких) вод.
4. Изотопно-тяжелую составляющую водного баланса терм штольни Нейтрино теоретически можно связать как с метаморфогенными, так и с магматогенными водами, поступающими к поверхности из вулканической камеры вулкана Эльбрус. Впрочем, измеренные температуры и оценки температур флюидогенерации, выполненные по различным геотермометрам, скорее указывают на то, что они могут являться результатом обмена по кислороду вод с вмещающими породами при температурах менее 400^°С. Или, что почти одно и то же, их изотопно-тяжелая водная фаза может иметь седиментогенное происхождение и быть унаследованной от вод древних (мезозойских?) осадочных бассейнов.
5. В газах штольни, впрочем, как и в газах ближайших к штольне углекислых источников Приэльбрусья обнаружено присутствие метана в концентрациях до 0.5%, характеризующегося высокими значениями δ¹³С = –33.5 и –26.0‰. Этому метану сопутствует углекислота с “мантийными” значениями δ¹³С (–8.0… –6.4‰), гелий с примесью мантийного Не и азот с примесью неатмосферной составляющей. Последняя, судя по значениям δ¹⁵N = +1.3‰, имеет коровый генезис. Предполагается, что появление изотопно-тяжелого метана в газах Приэльбрусья может быть следствием не только вулканической активности, обеспечивающей изотопный обмен в системе СО₂–СН₄, но и, в какой-то степени, быть результатом активности метанотрофных термофильных бактерий, окисляющих СН₄.
6. Отмечена сильная изменчивость концентрации СН₄ в близкорасположенных (около 20 м) выходах газов – она может меняться в пределах порядка величины. Также отмечена высокая вариабельность значений δ¹³С(СН₄) в газовых струях, выходящих в озере, расположенном в забое штольни. Эти флуктуации могут быть следствием биологической активности метанотрофных термофильных бактерий, присутствующих в гидротермальной системе данных углекислых источников.

В целом, полученные результаты геохимических исследований подтверждают взаимосвязь прежде всего газового состава терм штольни с глубинным магматическим очагом вулкана Эльбрус. Это обеспечивает возможность проведения не только геофизического, но и геохимического мониторинга за вулканической активностью в этом районе Северного Кавказа.

БЛАГОДАРНОСТИ

Исследования изотопного состава гелия в пробах газа проведены при поддержке CAS President's International Fellowship Initiative (PIFI, Китай), проекты № 2024VCA0006 и 2024CVB0013, все остальные полевые и лабораторные исследования выполнены в рамках госбюджетной темы ГИН РАН.

Об авторах

А. С. Айдаркожина

Геологический институт Российской Академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: altin.echo@mail.ru
Россия, Москва

В. Ю. Лаврушин

Геологический институт Российской Академии наук

Email: altin.echo@mail.ru
Россия, Москва

А. В. Ермаков

Геологический институт Российской Академии наук

Email: altin.echo@mail.ru
Россия, Москва

Г. А. Челноков

Геологический институт Российской Академии наук

Email: altin.echo@mail.ru
Россия, Москва

L. Zhang

Northwest Institute of Eco-Environment and Resources China Academy of Sciences

Email: altin.echo@mail.ru
Китай, Lanzhou

Список литературы

Дополнительные файлы