Где плавится океанское дно: как тихоокеанская плита рождает вулканы и гидротермы Кунашира. Экспедиция учёных ДВГИ РАН на Кунашире

Человечество живет в слишком узком временном диапазоне, из-за чего глобальные тектонические процессы кажутся нам застывшими. Однако прямо сейчас под нашими ногами планета непрерывно дышит, меняется и пересобирает сама себя.

На протяжении трёх недель проходил полевой этап экспедиции Дальневосточного геологического института ДВО РАН (г. Владивосток). Пять исследователей провели детальное изотопно-геохимическое картирование термальных систем на территории государственного заповедника «Курильский» и сопредельных территорий на о. Кунашир.

Собрать такую междисциплинарную команду бывает сложно. Экспедиция состоялась благодаря гранту Российского научного фонда (РНФ) по международному российско-китайскому проекту. Пока коллеги из КНР изучают коллизионные процессы в Тибете и супервулкан Чанбайшань на северо-востоке Китая, российские ученые исследуют Курильскую островную дугу. Цели содружества фундаментальны — сравнить, как рождаются гидротермальные системы в четырёх совершенно разных геодинамических обстановках планеты, и понять глобальные циклы вещества в недрах Земли.

Ученые сравнивают гидротермы, рожденные в разных тектонических условиях. До этого они исследовали Байкальский рифт и связанные с ним гидротермы различного состава, где работали по договору о научном сотрудничестве с одним из федеральных ООПТ – национальным парком «Кодар».

На границах плит, где и почему рождаются вулканы

В геологии все взаимодействия литосферных плит делят на четыре простые категории:

Рифтинг – обстановка растяжения. Литосферные плиты раздвигаются (удаляются друг от друга). Примерами можно считать срединно-океанические хребты и континентальные рифты (например, Восточно-Африканский и Байкальский рифт*).

Обстановки сжатия возникают в тот момент, когда литосферные плиты движутся навстречу друг другу, сталкиваются, и включают в себя следующие последствия:
Субдукция – «подныривание» океанической плиты под континентальную или другую океаническую. Ярким примером могут служить Курильская островная дуга, а также активные континентальные окраины типа горной системы Анд.
Коллизия – столкновение двух континентальных плит с образованием горных систем (Гималаи). При этом виде взаимодействия вулканов нет.

Сдвиговые обстановки отражают скольжение плит горизонтально относительно друг друга, при этом новая кора не создаётся и старая не уничтожается. Пример: Разлом Сан-Андреас в Калифорнии. Вулканов нет, так как там не происходит ни плавления плит, ни их растяжения.

Внутриплитный вулканизм
Процессы происходят вдали от границ плит за счет подъема мощных горячих потоков мантийного вещества (плюмов) к основанию литосферы. Примером являются Гавайские острова или, например, вулкан Чанбайшань.

Научное братство – от Владивостока до Сибири

У каждого участника отряда своя незаменимая роль. Руководитель группы кандидат геолого- минералогических наук (к.г.-м.н.) Иван Брагин и Андрей Павлов (ДВГИ ДВО РАН, Владивосток) — специалисты в области гидрогеохимии, отвечающие за водные растворы. Аспирант Мирон Киселев (ДВГИ ДВО РАН, Владивосток) исследует коренные породы; к.г.-м.н.Елена Зиппа представляет Томский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики (ИНГГ СО РАН) и привносит в проект уникальный взгляд сибирской гидрогеологической школы. Кандидат биологических наук (к.б.н.) Федор Романюк (ИМГиГ ДВО РАН) выступает главным экспертом по географии и экологии Кунашира — ученый хорошо знает остров и координирует навигацию сложнейших маршрутов. Техническое обеспечение полевой лаборатории легло на плечи ведущего технолога Натальи Екимовой, участвовавшей в подготовке экспедиции.

За три недели июля группа провела исследования на источниках: Столбовских, Третьяковских и Добрый Ключ, гидротермах Горячего Пляжа, Северо-Западного и Северо-Восточного сольфатарных полей вулкана Менделеева, а также кальдеры вулкана Головнина.

Охота за газом и лабораторный конвейер

Главная задача ученых — разделить флюид на мантийную, ко́ровую и атмогенную составляющие. Нестабильные параметры — кислотность (pH), окислительно-восстановительный потенциал (Eh) и электропроводность (EC) — измеряли прямо у источников. Интересен и процесс отбора глубинного газа методом вытеснения и «водного замка». Чтобы исключить контакт с атмосферой, стеклянный бутылек наполняют термальной водой доверху и переворачивают вверх дном внутри кипящего источника. Поднимающийся газ, собирается воронкой и направляется в бутылек, где он вытесняет воду, после чего сосуд под водой наглухо запечатывается резиновой пробкой и фиксируется изолентой.

Камеральная обработка (кабинетный этап) начнется сразу по возвращению в ДВГИ и задействует целую сеть ведущих лабораторий страны. Во Владивостоке пробы воды исследуют на макро- и микроэлементы, органический и неорганический углерод, стабильные изотопы водорода и кислорода, углерода и серы. Здесь же проведут рентгеноструктурный анализ вторичных минералов. Это критически важно: перед тем как отдать серу на изотопный анализ, нужно убедиться, что из раствора высадилась именно она, а не побочные соединения. За анализ газовой фазы отвечает Геологический институт (ГИН РАН) в Москве — там ученые будут «ловить» углерод-13 в углекислом газе и азот-15. Часть уникальных анализов, включая тонкую изотопию гелия, планируется выполнить на суперсовременном оборудовании китайских партнеров.

Постоянно в движении

Кунашир – безупречная зона субдукции, где океаническая плита подныривает под континентальную. Бытует мнение, что вулкан Менделеева относительно неплохо изучен. Но также можно сказать, что это живой, постоянно меняющийся организм. По наблюдениям экспедиции на дальних участках его Северо-Западного поля, где еще недавно разгружались кипящие источники, сегодня течет абсолютно холодная вода, хотя выходы серы наглядно напоминают о недавнем «активном» прошлом. Вулкан смещает свои тепловые акценты.

Сравнивая изотопный состав серы из действующих фумарол** (например, у фумаролы Ревущей) и затухших проявлений, учёные надеются вычислить вектор эволюции магматического очага. Под воздействием тектонических напряжений подземные камеры могут смещаться в сторону. Это, конечно, небыстрый процесс, который может занять даже миллионы лет, однако выявлять эти процессы — одна из задач фундаментальной науки. Газовая и изотопная компоненты могут помочь в этом вопросе. Через поданные ими сигналы учёные в последствии строят модели о том, куда движется тепловое ядро системы.

Камеральная обработка материалов продлится до конца 2026 года. В планах ученых — подготовка экспедиции на труднодоступный север Кунашира. Мы желаем учёным успехов, осуществления всех намеченных планов. До новых встреч на островах!