Проведены геохимические и минералогические исследования наиболее высокотемпературных фумарол вулкана Мутновский (Камчатка). Температура фумарольных газов составляла 400 - 524° С (1999-2000гг) и 350-490° С (2001г). Среди фумарольных инкрустаций описано более 30 минералов, включая 10 рудных. Основу инкрустаций образуют тонкодисперсные ангидрит CaSO₄, натроалунит (Na,K)Al₃(OH)₆(SO₄)₂ и кристобалит SiO₂. На этом субстрате отлагается существенная рудная минерализация, состоящая из пирита FeS₂, магнетита Fe₃O₄, свинцово-висмутовых сульфосолей, гринокита CdS, висмутина Bi₂S₃, а также англезита PbSO₄. Сульфосоли состава Cd₃(Pb_0,75Fe_0,25)Bi₁₀S₁₈Se, и Cd₂Pb₈Bi₁₁S₂₄Se₃ и As₃Pb₃Bi₂S₁₀Cl₂ являются, вероятно, новыми минеральными видами. Обнаруженные среди инкрустаций фазы состава Na-Ti-Fe-(SO₄) и Na_1,86(Ca,Fe,Mg)_0,07SO₄, а также рентгеноаморфная мышьяковистая сера (As до 40%) требуют дальнейших исследований, и вероятно, также могут быть отнесены к новым минералам.

Для моделирования процессов минералообразования в устья фумарол были установлены трубки из кварцевого стекла диаметром 15-30 мм и длиной 500-1000 мм на срок до 120 суток. Получены сублиматы как внутри трубок, так и на их внешней поверхности. Микроморфологию и качественный состав сублиматов исследовали на сканирующем электронном микроскопе JSM-5300 с энергодисперсионным детектором. Количественный анализ отдельных фаз производили на микрозонде SX-50 с тремя волновыми спектрометрами, некоторые растворимые в воде фазы анализировали методами “мокрой” химии. Химический состав сублиматов исследовали с помощью ICP-MS и ICP-AES. Наиболее распространенные фазы удалось подтвердить рентгенофазовым анализом.

Во “внутренних” сублиматах установлено около 40 различных фаз. В интервале температур 490-150° С выделены зоны окислов, простых сульфидов, сложных сульфидов, мышьяковистой серы. Сублиматы двух последних зон составляют более 95% по массе. Основным минералом зоны окислов является кристобалит совместно с титаномагнетитом (Fe,Ti)₃O₄ и гематитом Fe₂O₃, в меньших количествах присутствует рутил TiO₂ и фаза состава CaFeSiO₄. В зоне простых сульфидов пирит встречается в относительно широком интервале температур, в то время как гринокит и висмутин образует узкие области выделения с резкими границами. Здесь же найдены тонкие бесцветные иглы хлорида кадмия. Зона сложных сульфидов представлена, в основном, Cd-Pb-Bi сульфосолями различного состава при подчиненном количестве хлоридов, окислов, сульфатов и силикатов. В наиболее низкотемпературной области преобладающей фазой является рентгеноаморфная мышьяковистая сера. Образует оранжевые дендриты с тонкой структурой или капли застывшего расплава. Появление подобных капель можно объяснить временным повышением температуры или изменением условий охлаждения трубки при смене метеоусловий. Такой расплав сам по себе может служить своеобразной средой минералообразования – внутри него находятся области, обогащенные иодом, а также кристаллы иодидов свинца и висмута. В этой же зоне обнаружены соединения таллия – бесцветные иглы состава от Pb₂TlCl₅ до PbTl₂Cl₂I₂ и оранжевые кубические кристаллы TlI.

Сублиматы, возникшие на внешней поверхности трубок в условиях большого парциального давления кислорода, сходны по составу с природными инкрустациями и состоят, в основном, из сульфатов и окислов – чермигита NH₄Al(SO₄)_2´ 12H₂O, натроалунита, кристобалита, гематита Fe₂O₃ и маггемита Fe₃O₄. Также в небольших количествах присутствуют англезит и висмутин.

Пробы фумарольных газов отбирали в вакуумированные ампулы со щелочной зарядкой. Одновременно для исследования микрокомпонентного и изотопного состава газов отбирали пробы конденсата. Отобранные газы анализировали по классической методике на газовом хроматографе и методами “мокрой” химии, состав конденсата определяли методами ICP. В состав газа входят: H₂O – 94-96%, CO₂ – 2-3%, SO₂ – 0.8-1.2%, H₂S – 0.35%, HCl – 0.17%, HF – 0.02%, H₂ – 0.25%, N₂ – 0.75%, O₂ – 0.003%, Ar – 0.0003% и некоторые другие газы. Из микрокомпонентов важнейшими являются: Na – до 1,8 г/кг, далее мкг/кг: B – 27000, Al – 4800, Si – 15000, Ca – 2700, Fe – 2100, Zn – 72, As – 3700, Se – 388, Br – 3800, Cd – 117, Te – 120, I – 350, Hg – 47, Tl – 87, Pb – 115, Bi – 46. Изотопный состав проб (d D –81,6…-64,0; d ¹⁸O –3,53...+0,95) соответствует линии смешения локальных метеорных вод с магматическими. Значение d ¹⁸O для локальных чисто метеорных вод с учетом изотопного сдвига, вызываемого взаимодействием вода-порода, можно считать приблизительно равным –11,5. Среднее значение d ¹⁸O для чисто магматических вод базальтовых и андезитовых вулканов по мнению ряда исследователей составляет +7,5. Исходя из этого, анализируемые газы содержат 37…63% магматического флюида. Интересно, что газы наиболее горячей фумаролы (507° С) содержат лишь 37% флюида, тогда как фумарола с максимальным содержанием флюида (63%) имеет температуру 450° С.

На основании полученных данных проведено термодинамическое моделирование равновесных условий осаждения твердых фаз из газа при различных давлениях и составах флюида с помощью программного комплекса “Селектор”. Отмечается хорошее совпадение наблюдаемой минеральной зональности с теоретической. Основными формами существования рудных элементов в газах являются хлориды и фториды, а также оксохлориды о оксофториды. Количество микроэлементов, а также содержание водорода и окиси углерода возрастает с температурой по закону, близкому к экспоненциальному. Среди расчетных твердых фаз преобладают окислы, сульфиды и галогениды. Элементы As, Se, Te, Cd, Tl, Pb, Bi обладают высокой летучестью. Именно из них более чем на 99% состоят сублиматы. Эти элементы поступают с магматическим флюидом непосредственно из дегазирующей магмы (жидкой) или остывающего горячего интрузива. При резком охлаждении в зоне разгрузки фумарол газ становится пересыщенным. Условия разгрузки не способствуют накоплению элементов, лишь небольшая часть элементов осаждается в виде сублиматов, однако подавляющее количество поступает в виде аэрозоля в атмосферу.

Элементы Mg, Ca, Al и в меньшей степени Fe, K в диапазоне температур 400 – 700^оС обладают низкой летучестью и миграционной способностью. В то же время летучесть соединений кремния, в основном SiF₄ возрастает с понижением температуры. Это приводит к тому, что при высоких температурах эти элементы существуют преимущественно в виде силикатов, а при более низких – в виде сульфатов и сульфидов (Fe). Соответственно силикатные породы более подвержены газовому метасоматозу в области низких температур. Таким образом, процессы газового метасоматоза более интенсивно протекают при снижении температуры газа. Источником летучих элементов (As, Se, Te, Cd, Tl, Pb, Bi), по всей вероятности, служит дегазирующая магма. Для элементов Mg, Ca, Al, Fe, K в диапазоне температур 400 – 700^оС концентрации в газе низкие и недостаточны для транспорта их в заметных количествах. Наиболее вероятным источником их происхождения являются мелкие частицы породы.

Вынос элементов в атмосферу относительно невелик в связи с невысокими концентрациями их в газе при температурах наиболее интенсивных фумарол 410 - 507° С. Для Cd, Tl, Pb, Bi суточный вынос составляет сотни граммов в сутки, для Se, Te – 1-2 килограмма, для As около 40 кг и для B – 140 кг в сутки. Валовая разгрузка вулкана Мутновский в виде фумарольных газов составляет около 8 – 10 тыс. тонн в сутки, что несколько меньше ранее существовавших оценок.