Представлены результаты гидрохимических исследований Нижне-Щапинских (Кипелых) углекислых термальных (39°С) источников в 2021 г. Источники разгружаются в пределах Щапинского грабена вблизи действующего вулкана Кизимен. Результаты включают макро- и микрокомпонентный состав, изотопный состав воды источников, некоторых компонентов свободных газов и растворенного стронция. Обсуждение результатов проводится с привлечением ранее опубликованных и фондовых данных, с учетом геолого-структурной позиции района, взаимодействия вода-порода, а также с помощью простых термохимических расчётов с целью объяснения редкого, но характерного для химического состава некоторых углекислых вод преобладания магния над кальцием. Показано, что воды Нижне-Щапинских источников формируются как результат смешения двух составляющих: более глубинной и более нагретой хлоридно-натриевой воды и более поверхностной, менее нагретой воды состава Mg-Ca-HCO3-, сформированной за счет взаимодействия с карбонатсодержащими породами и СО2 магматического происхождения.

The results of hydrochemical studies of Nizhne-Shapinsky (Kipely) CO2-rich thermal (39 °C) springs in 2021 are presented. The springs discharge within the Shchapina graben near active Kizimen volcano. Results include macro- and trace-component composition, isotopic composition of spring water, some gas components and dissolved strontium. The results are discussed using previously published and reported data, taking into account the geological and structural setting of the area, water-rock interactions, and simple thermochemical calculations to explain the rare, but typical for the chemical composition of some CO2-rich waters, predominance of magnesium over calcium. It is shown that waters of Nizhne-Shchapinsky springs are formed as a result of mixing of two components: deeper and more heated sodium chloride water and more superficial, less heated water of Mg-Ca-HCO3- composition, formed due to interaction with carbonate-bearing rocks and CO2 of magmatic origin.

By comparing high-quality volcanic gas and whole rock compositions, we calculated the apparent (observed) mass partition coefficients Kd* for 58 elements on six basaltic volcanoes located in arc and rift/hotspot settings. The inferred Kd* vary from � 1100 for sulfur to 0.0001 for zirconium, i.e., within seven orders of magnitude. Only 14 elements have Kd* > 1, including highly volatile S, Se, Te and halogens, as well as Tl, Re, Os, Bi, Cd, Au, In and As. Alkali metals have Kd* in the rangefrom 0.1 for Cs to 0.01 for Na. Partition coefficients of other rock-forming elements are <0.001. The partition coefficients for elements depend on element speciation and concentrations of ligand-forming elements in the gas such as sulfur and chlorine.
Elements transported in the gas predominantly as halides have higher partition coefficients in HCl-rich arc gases, whereas elements preferably forming sulfides, hydrides and free atoms, have higher Kd* in sulfur-rich, HCl-poor and reduced rift/hot-spot gases. Degassing directly from the free melt surface is negligible; deep gas passing through the erupting vent is quickly overwhelmed by the signal of low-pressure degassing. Equilibration of rising bubbles with the surrounding melt almost eliminates the difference between Kd* calculated for degassing lava flows (no connection with deep magma) and for lava lakes and open-vent volcanoes (convective mass exchange with deep magma takes place). Diffusion does not strongly affect the apparent partitioning of magmas degassing at surface. Gas bubbles growing in near-surface silicate melts at atmospheric pressure have a large density difference compared to the surrounding melt of 12–15 thousand times. This leads to the rapid expansion of such bubbles and a decrease in the thickness of the diffusion boundary layer in the melt due to its stretching around the growing bubble, which sharply decreases diffusion fractionation. As a result, the apparent partition coefficients (Kd*) for degassing basaltic volcanoes are close to the equilibrium ones (Kd) for most of the elements. The partition coefficients of volatile elements (S and Cl) calculated from the comparison of volcanic gas and rock compositions are in agreement with the values determined previously via experiments or theoretical modeling.

Скважинами глубиной до 3000 м у подножья действующих вулканов Корякский и Авачинский в пределах Авачинской депрессии вскрыты минерализованные воды (до 22 г/л общей минерализации) с температурой около 60°С в западной части разведанной области и холодные — восточнее, ближе к Тихоокеанскому побережью. В статье приведены литературные, фондовые и собственные данные по химическому и изотопному составу этих вод. Состав вод хлоридно-натриевый, с очень низкими содержаниями сульфата и магния и с высоким — кальция, и необычно высокой концентрацией стронция. Содержание свободного газа примерно 50 мл/л. В газе преобладают метан и азот (примерно 70 и 30 об.%, соответственно), присутствует сероводород (около 30 мг/л) и очень мало СО2 (< 0.5 об.%). Отношение N2/Ar, как правило, выше воздушного, т. е. присутствует неатмосферный азот. Обсуждаются возможные варианты взаимодействия вода-порода, ответственные за химический состав вод, и предлагается концептуальная модель предполагаемого бассейна минеральных вод, включающая положение возможных источников тепла и минерализованных растворов.

Saline waters (up to 22 g/l) were tapped by deep (to 3000 m) wells at the foot of active volcanoes Avachinsky and Koryaksky, within Avachinsky depression. Temperature of waters was ~ 60°C in the western part and cold in the eastern part, closer to the Pacific coast. In this paper we present the literature and our own data on chemical and isotopic composition of these waters. The waters are of the Na-Cl type with extremely low abundances of sulfate and magnesium, high concentration of calcium and surprisingly high concentration of strontium. The waters contain about 50 ml/l of gas where methane and nitrogen are main components (~ 70 vol% and 30 vol%, respectively) and also presents H2S (~ 30 ml/l) and very low concentrations of CO2 (< 0.5 vol%). The N2/Ar ratio, as a rule, is higher than the air ratio, i.e., the non-atmospheric nitrogen presents. We discuss the possible options of the water-rock interaction, responsible for the chemical composition of waters, and offer a conceptual model of the proposed basin of mineral waters that includes the distribution of deep temperatures, the location of the possible sources of heat mineralized solutions.

Приведены результаты режимных наблюдений на высокотемпературных фумарольных полях (Восточном и Западном) вулкана Авачинский в 2013–2020 гг., включающих визуальное обследование, измерение температуры, отбор газа, дополненных данными видеонаблюдений. С целью выявления связи между фумарольной активностью и глубинными процессами был проведен анализ сейсмичности района вулкана за указанный период. Было выделено два периода повышенной сейсмической активности. Первый, в ноябре 2014 г. – январе 2015 г., по времени связан с изменениями характера истечения газа, морфологии и температуры Западной фумаролы, отмеченными при полевых наблюдениях, отразившимися на соотношении расходов газа двух высокотемпературных фумарольных полей. Второй, в октябре – декабре 2019 г., сопровождался в темное время суток свечением, временами — яркими вспышками, в районе Западной фумаролы, а в результате наземного обследования в 2020 г. были выявлены дальнейшие изменение ее морфологии.

The results of monitoring at high-temperature fumarolic fields (Eastern and Western) of Avachinsky volcano in 2013–2020 are presented. Those were visual observations, temperature measurement and gas sampling, supplemented with video surveillance data. In order to identify the relationship between fumarolic activity and deep processes, the analysis of the volcano area seismicity for the specified period was carried out. Two periods of increased seismic activity have been identified. The first period, November 2014 – January 2015, is associated with changes in the character of gas emission, morphology and temperature of Western Fumarole observed in the field, reflected in the ratio of gas fluxes of the two high-temperature fumarolic fields. The second seismic increase, in October – December 2019, was accompanied in the dark by glowing, sometimes by bright flashes in the area of Western Fumarole, and as a result of ground survey in 2020 further changes in its morphology were revealed.

Determination of the volcanic eruption source parameters—total grain-size distribution and vertical ash mass distribution (VMD) within the source—is carried out on a collection of measured-area samples and granulometry data. For this, the geophysical inverse methods and Hybrid Particle and Concentration Transport Model (HYPACT) driven by wind and turbulence fields simulated with the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) are used. A two-step inversion procedure is proposed to obtain approximate but physically meaningful solution when the total number of ashfall samples is small and it is not possible to make a good initial guess of the source parameters. First, a spectrum of particle fall velocities is estimated by selecting a best-fit subset of aerodynamically distinct subpopulations of free and aggregate particles from the trial set used to simulate a polycomponent ashfall. The singular value decomposition (SVD) analysis is then employed to identify spatial components of the ash emissions’ vertical distribution, as resolvable by the observations. Model validation experiments are conducted for the January 12, 2011, short-duration vulcanian explosion at Kizimen and paroxysmal phase of the December 24, 2006, sub-Plinian eruption at Bezymianny. The derived VMDs exhibit high variability in fine ash content (~ 60–100 wt%) as well as strong secondary maxima in the lower troposphere, likely reflecting the contribution of ash particles fallen out of co-pyroclastic flow ash clouds and partially collapsing eruption columns.

The Kuril Island arc extending for about 1,200 km from Kamchatka Peninsula to Hokkaido Island is a typical active subduction zone with ∼40 historically active subaerial volcanoes, some of which are persistently degassing. Seven Kurilian volcanoes (Ebeko, Sinarka, Kuntomintar, Chirinkotan, Pallas, Berg, and Kudryavy) on six islands (Paramushir, Shiashkotan, Chirinkotan, Ketoy, Urup, and Iturup) emit into the atmosphere > 90% of the total fumarolic gas of the arc. During the field campaigns in 2015–2017 direct sampling of fumaroles, MultiGas measurements of the fumarolic plumes and DOAS remote determinations of the SO2 flux were conducted on these volcanoes. Maximal temperatures of the fumaroles in 2015–2016 were 510°C (Ebeko), 440°C (Sinarka), 260°C (Kuntomintar), 720°C (Pallas), and 820°C (Kudryavy). The total SO2 flux (in metric tons per day) from fumarolic fields of the studied volcanoes was measured as ∼1,800 ± 300 t/d, and the CO2 flux is estimated as 1,250 ± 400 t/d. Geochemical characteristics of the sampled gases include δD and δ18O of fumarolic condensates, δ13C of CO2, δ34S of the total sulfur, ratios 3He/4He and 40Ar/36Ar, concentrations of the major gas species, and trace elements in the volcanic gas condensates. The mole ratios C/S are generally <1. All volcanoes of the arc, except the southernmost Mendeleev and Golovnin volcanoes on Kunashir Island, emit gases with 3He/4He values of >7RA (where RA is the atmospheric 3He/4He). The highest 3He/4He ratios of 8.3RA were measured in fumaroles of the Pallas volcano (Ketoy Island) in the middle of the arc.

Представлены данные режимных наблюдений за температурой и составом фумарольных газов вулкана Авачинский в 2013−16 гг. Показана динамика температур высокотемпературных фумарол за этот период ― Западной и расположенных на Восточном поле, приуроченных к трещине, возникшей в лавовой «пробке» в результате слабой эксплозивной активизации вулкана осенью 2001 г. На Западной фумароле зарегистрирована температура 818°С ― самая высокая из когда-либо измеренных на вулкане Авачинский. Изучен состав газов режимной фумаролы Восточного поля и его вариации во времени. Проведен сравнительный анализ с данными предшествующих наблюдений за газами вулкана Авачинский и других активных вулканов Камчатки, а также со средними значениями для вулканов зон субдукции.

The article presents data on Avachinsky Volcano fumaroles' temperature and gas composition obtained during the 2013-2016 observations and shows temperature dynamics over this period of the high-temperature Western fumarole and Eastern fumarolic field assigned to the fissure appeared in lava «plug» as a result of the weak explosive eruption in autumn 2001. Temperature of 818°С was registered in the Western fumarole to be the highest ever measured at Avachinsky Volcano. Gas composition of the monitored fumarole on Eastern field and its variation in time were studied. We compared the obtained data with the previous data on gas observations from Avachinsky Volcano and other active volcanoes in Kamchatka and the data on the average values from the volcanoes of the subduction zones.

Concentrations and emission rates of major gas species were measured in August 2015 at Ebeko volcano, a quiescently degassing andesitic volcano on Paramushir Island, Northern Kuriles. Using mobile and scanning DOAS measurements we estimated SO 2 emission from the active crater of the volcano at 100 +36/-15 t/d. Based on the comparison of plume areas of individual fumaroles, ca. 90% of the total gas emission from Ebeko in 2015 was provided by a single powerful vent (" Active Funnel " fumarole) and the rest was shared among low-temperature fumaroles. At the time of measurements, gases from the main fumarole had temperature from 420 to 490 °C and composition close to the average arc gas [1], as shown in Table. Gas species CO2 SO2 H2S HCl H2O T, °C mmol/mol Main fumarole 27.9 23.5 6.1 5.6 936 420 Low-temp. jets 92.2 2.62 0.68 1.6 902 <120 Low-temperature fumaroles (<120 °C) emitted gas enriched in CO 2 (up to 28 mol%, 9.2 mol% on average). Such CO 2 enrichment together with depletion in HCl and sulfur species can be explained by scrubbing of soluble gas species by a well-developed hydrothermal system which discharges ultra-acid SO 4-Cl waters [2]. A weighted-average estimate of the total gas+vapor emission from the Ebeko summit provided 1470 t/d, which includes ~ 101 t/d SO2, ~ 110 t/d CO2, ~ 14 t/d H2S and HCl, and 1230 t/d of water vapour with > 50% of the magmatic component. The gas fluxes measured in August 2015 using DOAS fall into the range of previous measurements made from 1960 to 2012 that used direct methods [2] and correspond to the moderate degassing rate of the volcano.

Приведен алгоритм восстановления параметров пепловых выбросов – суммарной массы и ее распределения по высотам – при эксплозивных извержениях. Решение обратной задачи строится на основе метода множественной регрессии, при минимальной априорной информации о характере эксплозивного процесса. В качестве примера, рассмотрено сильное эксплозивное событие на вулкане Безымянный 24.12.2006 г., для которого распределение массы пеплового выброса по высотам, согласно расчетам, частично контролировалось выносом пеплового материала в облаках пирокластических потоков. Данная особенность проявилась в характерном двухмодальном распределении массы выброса с максимумами на высотах средней тропосферы и нижней стратосферы.

The article provides an algorithm for recovery of parameters of ash emissions (total volume and its height distribution) during explosive eruptions. The solution for the corresponding inverse task uses a multiple regression approach with minimal a prior information on the eruption dynamics. As an example, we consider a strong explosive event at Bezymianny Volcano, Kamchatka, on 24.12.2006. The estimations showed that the mass distribution for ash emission with heights was partially controlled by the emission of ash material inside the clouds from pyroclastic flows. This peculiarity was revealed as a bimodal distribution of the emission mass with maximums at the mid tropospheric and low stratospheric heights.

Abstract Gases and aerosols from the 2012–13 effusive eruption of Tolbachik basaltic volcano, Kamchatka, were sampled in February and May, 2013, from a lava tube window located 300 m from the eruptive crater; temperature at the sampling point was 1060–1070 °C. The chemical and isotopic compositions of the sampled gases (92.4 H2O, 3.5 CO2, 2.3 SO2 on average; δD from − 25.0 to − 38.6‰) correspond to a typical volcanic arc gas without dilution by meteoric or hydrothermal water. Halogen contents in the gases (1.37 HCl, 0.5 HF) were higher than average arc values. The total amount of analyzed metallic and metalloid (trace) elements in the gas exceeded 665 ppm. Six most abundant trace elements, K (250 ppm), Na (220 ppm), Si (74 ppm), Br (48 ppm), Cu (21 ppm) and Fe (12 ppm), accounted for 95 of the total content of trace elements in the gas. The gases contained 24 ppb Re, 12 ppb Ag, 4.9 ppb Au and 0.45 ppb Pt. Refractory rock-forming elements (Mg, Al, Ca) and some other elements such as Ba and Th were transported mainly in the form of silicate microspheres and altered rock particles. The concentrations of metals in the eruptive Tolbachik gases are higher than the corresponding concentrations in high-temperature fumaroles worldwide, although the mutual ratios of the elements are approximately the same. The gas/magma partition coefficients of eleven elements exceed unity, including the non-metals F, S, Cl, Br, As, Se and Te and the rare metals Cd, Re, Tl and Bi. Despite the relatively low concentrations of trace elements in the volcanic gases at the highest temperatures, superficial magma degassing provides information on the sources and sinks of metals.

В работе даны краткая характеристика динамики извержения вулкана Кизимен от начала активизации до апреля 2012 г. и первые результаты петрохимического и минералогического изучения твердых продуктов извержения в 2011 г.

24 декабря 2006 г. произошло эксплозивное извержение вулкана Безымянный. Изучено распределение отложений пеплопада на территории полуострова. Исследованы химический, минеральный, гранулометрический составы тефры, ее водорастворимый комплекс. На площади более 8000 км2 в окружающую среду вместе с 7 млн т пепла поступило около 30 тыс. т водорастворимых веществ. Приведены сведения об извержении из различных источников и выполнена оценка его геологического эффекта. Общий объем изверженной пирокластики составил 0.01–0.014 км3: пепла – 0.004 км3, отложений пирокластического потока – 0.006–0.01 км3.

Eight strong eruptions of four Kamchatka volcanoes (Bezymyannyi, Klyuchevskoi, Shiveluch, and Karymskii) and Chikurachki Volcano on Paramushir Island, North Kurils took place in 2007. In addition, an explosive event occurred on Mutnovskii Volcano and increased fumarole activity was recorded on Avacha and Gorelyi volcanoes in Kamchatka and Ebeko Volcano on Paramushir Island, North Kurils. Thanks to close cooperation with colleagues involved in the Kamchatkan Volcanic Eruption Response Team (KVERT) project from the Elizovo Airport Meteorological Center and volcanic ash advisory centers in Tokyo, Anchorage, and Washington (Tokyo VAAC, Anchorage VAAC, and Washington VAAC), all necessary precautions were taken for flight safety near Kamchatka.

В 2007 г. произошло восемь сильных извержений четырех вулканов Камчатки (Безымянный, Ключевской, Шивелуч, Карымский) и вулкана Чикурачки о. Парамушир Северных Курил. Кроме этого, эксплозивное событие было зарегистрировано на вулкане Мутновский, в состоянии повышенной фумарольной активности находились вулканы Авачинский и Горелый на Камчатке и вулкан Эбеко на о-ве Парамушир Северных Курил. Благодаря тесному сотрудничеству коллег проекта Kamchatkan Volcanic Eruption Response Team (KVERT), метеорологического центра аэропорта Елизово, консультационных центров по вулканическим пеплам в гг. Токио, Анкоридж и Вашингтон (Tokyo VAAC, Anchorage VAAC and Washington VAAC) все необходимые меры для безопасности авиаполетов вблизи Камчатки были приняты.

После сильного эксплозивно-эффузивного извержения вулкана Чикурачки в 1986 г. его эруптивная активность возобновилась в 2002 г. В 2002-2007 гг. произошло пять умеренных эксплозивных извержений вулкана: в 2002, 2003, 2005 и два в 2007 гг. Наиболее продолжительное извержение наблюдалось в 2002 г., наиболее сильное – в 2003 г. В течение рассматриваемого периода пепловая колонна поднималась до 6 км над уровнем моря и пепловые шлейфы протягивались на расстояния до 700 км от вулкана (2003 г.). С 2002 г. сотрудники Камчатской группы реагирования на вулканические извержения проводят непрерывный спутниковый и эпизодический визуальный мониторинг вулкана, фиксируя, по возможности, любые изменения его активности.

In 2005, six major eruptions of four Kamchatka volcanoes (Bezymyannyi, Klyuchevskoy, Shiveluch, and Karymskii) occurred and the Avachinskii, Mutnovskii, and Gorelyi Kamchatka volcanoes and the Ebeko and Chikurachki volcanoes in northern Kurils were in a state of increased activity. Owing to a close collaboration between the KVERT project, Elizovo airport meteorological center, and volcanic ash advisory centers in Tokyo, Anchorage, and Washington (Tokyo, Anchorage, and Washington VAACs), all necessary measures for safe airplane flights near Kamchatka were taken and fatal accidents related to volcanic activity did not occur.

В 2005 г. произошло шесть сильных извержений на четырех вулканах Камчатки (Безымянный, Ключевской, Шивелуч, Карымский), в состоянии повышенной активности находились вулканы Авачинский, Мутновский и Горелый на Камчатке и вулканы Эбеко и Чикурачки на Северных Курильских островах. Благодаря тесному сотрудничеству коллег проекта KVERT, метеорологического центра аэропорта Елизово, консультационных центров по вулканическим пеплам в городах Токио, Анкоридж и Вашингтон (Tokyo VAAC, Anchorage VAAC and Washington VAAC) все необходимые меры для безопасности авиаполетов вблизи Камчатки были приняты; фатальных происшествий, связанных с эксплозивной активностью вулканов, не произошло.

В 2006 г. в рамках проекта KVERT, главной задачей которого является снижение вулканической опасности для авиации в северной части Тихого океана, проводились наблюдения за действующими вулканами Камчатки и островов Атласова и Парамушир Северных Курил. В 2006 г. три вулкана Камчатки представляли опасность для авиаперевозок. На вулкане Карымский в течение года продолжалось умеренное эксплозивное извержение, начавшееся 1 января 1996 г. На вулкане Безымянный 9 мая и 24 декабря произошли сильные пароксизмальные извержения с подъемом эруптивных колонн до 15 км над уровнем моря. На вулкане Шивелуч с 4 декабря начали происходить отдельные пепловые выбросы на высоту до 10 км над уровнем моря, а 27 декабря в течение суток непрерывно наблюдалась эксплозивная активность вулкана с подъемом пепловых облаков до 4-6 км над уровнем моря. На вулкане Ключевской в декабре отмечались некоторое повышение сейсмической активности и слабая термальная аномалия. На вулканах Авачинский, Мутновский (Камчатка) и Эбеко (о. Парамушир, Северные Курилы) наблюдалась повышенная фумарольная деятельность.