Keywords
water-rock interaction
Shchapinsky graben
Kamchatka
Section
Statistic
How to Cite
Abstract
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.
References
Арсанова Г.И. Редкие щелочи в термальных водах вулканических областей. Новосибирск: Наука, 1974. 101 с. [Arsanova G.N. Rare alkalies in thermal waters of volcanic areas. Novosibirsk: Nauka, 1974. 101 р. (in Russian)].
Вакин Е.А., Пилипенко Г.Ф. Гидротермы Карымского озера после извержения 1996 г. // Вулканология и сейсмология. 1998. № 2. С. 3–27 [Vakin E.A., Pilipenko G.F. Hydrothermal activity in Lake Karymskoe after the 1996 underwater eruption // Volcanology and Seismology. 1998. № 19. P. 737–767]
Виноградов В.И., Вакин Е.А. Изотопный состав стронция термальных вод Камчатки // ДАН. 1983. Т. 273. № 4. С. 965–968 [Vinogradov V.I., Vakin E.A. Isotopic composition of strontium in thermal waters of Kamchatka // Doklady Akademii nauk SSSR. Geochemistry. 1983. V. 273. № 4. Р. 965–968 (in Russian)].
Войткевич Г.В., Мирошников А.С., Повареных А.С., Прохоров В.Г. Краткий справочник по геохимии. М.: Недра, 1977. 184 с. [Vojtkevich G.V., Miroshnikov A.S., Povarenyh A.S., Prohorov V.G. Kratkij spravochnik po geohimii. Moscau: Nedra, 1977. 184 p. (in Russian)].
Галимов Э.М. Геохимия стабильных изотопов углерода. М.: Недра, 1968. 226 с. [Galimov E.M. Geohimiya stabil’nyh izotopov ugleroda. Moscow: Nedra, 1968. 226 p. (in Russian)].
Есиков А.Д. Изотопная гидрология геотермальных систем. М.: Наука, 1989. 208 с. [Esikov A.D. Izotopnaya gidrologiya geotermal’nyh sistem. Moscow: Nauka, 1989. 208 p. (in Russian)].
Калачева Е.Г., Кузьмина А.А. Верхне-Щапинские термальные источники: условия формирования и химический состав // Материалы Всероссийской научной конференции «100-летие Камчатской экспедиции Русского географического общества 1908–1910 гг.» 22–27 сентября 2008 г. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РАН, 2009. С. 124–129 [Kalacheva E.G., Kuz’mina A.A. Verhne-Shchapinskie termal’nye istochniki: usloviya formirovaniya i himicheskij sostav // Materialy Vserossijskoj nauchnoj konferencii «100-letie Kamchatskoj ekspedicii Russkogo geograficheskogo obshchestva 1908–1910 gg.» September 22–27, 2008. Petropavlovsk-Kamchatsky: IVS FEB RAS, 2009. P. 124–129 (in Russian)].
Кирсанова Т.П., Юрова Л.М. Термальные источники Щапинского грабена // Вопросы географии Камчатки. 1982. № 8. С. 59–66 [Kirsanova T.P., Yurova L.M. Termal’nye istochniki Shchapinskogo grabena // Voprosy geografii Kamchatki. 1982. № 8. P. 59–66 (in Russian)].
Комкова Л.А. Вулканогенное образование фосфатов // Вулканология и сейсмология. 1983. № 2. С. 44–52. [Komkova L.A. Volcanogenic Formation of Phosphates // Volcanology and Seismology. 1983. V. 5. № 2. P. 165–174].
Кудрявцева Е.И. К вопросу о гидрогеологических критериях перспектив нефтегазоносности Камчатки // Труды ВНИГРИ. 1973. № 338. С. 123–141 [Kudryavtseva E.I. On hydrogeological criteria of the perspectives of the oil-gas potential for Kamchatka // Trudy VNIGRI. 1973. № 338. Р. 124–128 (in Russian)].
Лаврушин В.Ю. Подземные флюиды Большого Кавказа и его обрамления. М.: ГЕОС, 2012. 348 с. [Lavrushin V.Yu. Subsurface fluids of the Greater Caucasus and its surrounding. Moscow: GEOS, 2012. 348 p. (in Russian)].
Лебедев В.Н. Камчатская экспедиция Ф.Н. Рябушинского. Зоологический отдел, том II, вып. 2. Текущие воды. 1918. Приложения, с. 490–500 [Lebedev V.N. Kamchatskaya ekspediciya F.N. Ryabushinskogo. Zoologicheskij otdel, tom II, vyp. 2. Tekushchie vody. 1918. Prilozheniya, s. 490–500 (in Russian)].
Мелекесцев И.В. Вулканизм и рельефообразование. М.: Наука, 1980. 212 с. [Melekestsev I.V. Volcanism and Relief-Formation. Moscow: Nauka, 1980 (in Russisn)].
Пашкевич Р.И., Середкин И.Н. Новые данные о химическом составе теплоносителя Нижне-Дзензурского геотермального месторождение // Камчатка-2: Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2015. Специальный выпуск № 63. С. 155–162 [Pashkevich R.I., Seredkin I.N. New data about chemical composition of Nizhne-Dzenzurskoe geothermal field heat-carrier // Kamchatka-2: Mining informational and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2015. Special Issue № 63. Р. 155–162 (in Russian)].
Пийп Б.И. Термальные ключи Камчатки. Л.: Изд. Ак. Наук СССР, 1937. С. 183–190 [Piip B.I. The thermal springs of Kamchatka. Leningrad: Izdatel’stvo Akademii Nauk SSSR, 1937 (in Russian)].
Рожков A.M., Верховский A.Б. Геохимия благородных газов высокотемпературных гидротерм. М.: Наука, 1990. 167 с. [Rozhkov A.M., Verkhovsky A.B. Noble gas geochemistry in high-temperature hydrothermal systems. Moscow: Nauka, 1990. 167 p. (in Rusian)].
Селиверстов В.А., Осипенко А.Б. Петрология родингитов Камчатки. Владивосток: Дальнаука, 1999. 152 с. [Seliverstov V.A., Osipenko A.B. Petrology of the Kamchatka rodingites. Vladivostok: Dal’nauka, 1999. 152 p. (in Rusian)].
Трухин Ю.П. Геохимия современных геотермальных процессов и перспективные геотехнологии. М.: Наука, 2003. 376 с. [Trukhin Yu.P. Geochemistry of modern hydrothermal processes and perspective technologies. Moscow: Nauka, 2003. 403 p. (in Russian)].
Хефс Й. Геохимия стабильных изотопов. М.: Мир, 1983. 200 с. [Hefs J. Geohimiya stabil’nyh izotopov. Moscow: Mir, 1983. 200 p. (in Russian)]
Чешко А.Л. Формирование основных типов термальных вод Курило-Камчаткого региона по данным изотопных исследований (D, 18O, 3He/4He) // Геохимия. 1994. № 7. С. 988–1001 [Cheshko A.L. The formation of the main types of thermal waters of the Kuril-Kamchatka region based on the isotopic studies (D, 18O, 3He/4He) // Geochemistry. 1997. № 7. P. 988–1001 (in Russian)].
Шанцер А.Е. Некоторые позиции позднекайнозойского вулканизма и тектоники Восточной и Центральной Камчатки. Дис. ... к.г.-м.н. Петропавловск-Камчатский, фонды ИВ ДВНЦ АН СССР, 1968 [Shantser A.E. Nekotorye pozicii pozdnekajnozojskogo vulkanizma i tektoniki Vostochnoj i Central’noj Kamchatki. Dis. ... k.g.-m.n. Petropavlovsk-Kamchatskij, fondy IV DVNC AN SSSR, 1968].
Шанцер А.Е. О вулканогенной и терригенной формациях мелового (!) возраста Восточного хребта Камчатки // Стратиграфия вулканогенных формаций Камчатки. Труды Института вулканологии СО АН СССР. 1966. Вып. 23. С. 10–14 [Shantser A.E. O vulkanogennoj i terrigennoj formaciyah melovogo (!) vozrasta Vostochnogo hrebta Kamchatki // Stratigrafiya vulkanogennyh formacij Kamchatki. Trudy Instituta vulkanologii SO AN SSSR. 1966. V. 23. P. 10–14 (in Russian)].
Шанцер А.Е., Краевая Т.С. Формационные ряды наземного вулканического пояса (на примере позднего кайнозоя Камчатки). М.: Наука, 1980. [Shantser A.E., Kraevaya T.S. Formation series of a terrestrial volcanic belt (with examples from the late Cenozoic of Kamchatka) Moscow: Nauka, 1980. 162 р. (in Russian)].
Шанцер А.Е., Кутыев Ф.Ш., Петров В.С. Вулкан Кизимен // Бюллетень вулканологических станций. 1973. № 49. С. 29–36 [Shantser A.E., Kutyev F.S., Petrov V.S. Kizimen volcano // Byulleten’ vulkanologicheskih stancij. 1973. № 49. Р. 29-36 (in Russian)].
Юрова Л.М., Кирсанова Т.П. Геохимические особенности и оценка глубинных температур термальных вод Щапинского грабена // Тезисы докладов Всесоюзного совещания по подземным водам Востока СССР (ХII совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока). Иркутск–Южно-Сахалинск. 1988. С. 53–54 [Yurova L.M., Kirsanova T.P. Geohimicheskie osobennosti i ocenka glubinnyh temperatur termal’nyh vod Shchapinskogo grabena // Tezisy dokladov Vsesoyuznogo soveshchaniya po podzemnym vodam Vostoka SSSR (XII soveshchanie po podzemnym vodam Sibiri i Dal’nego Vostoka). Irkutsk–Yuzhno-Sakhalinsk. 1988. P. 53–54 (in Russian)].
Aiuppa A., Bellomo A., Brusca L. et al. Natural and anthropogenic factors affecting groundwater quality of an active volcano (Mt. Etna, Italy) // Applied Geochemistry. 2003. V. 18. № 6. P. 863–882.
Arnorsson S. The use of mixing models and chemical geothermometers for estimating underground temperatures in geothermal systems // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 1985. V. 23. № 3. Р. 299–335. https://doi.org/10.1016/0377-0273(85)90039-3
Chiodini G., Cioni R., Guidi M., Marini L. Chemical geothermometry and geobarometry in hydrothermal aqueous solutions: A theoretical investigation based on a mineral-solution equilibrium model // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1991. V. 55. Iss. 10. P. 2709–2727. https://doi.org/10.1016/0016-7037(91)90438-B
Churikova T., Dorendorf F., Wörner G. Sources and Fluids in the Mantle Wedge below Kamchatka, Evidence from Across-arc Geochemical Variation // Journal of Petrology. 2001. V. 42. № 8. Р. 1567–1593. https://doi.org/10.1093/petrology/42.8.1567
Farley K.A., Neroda E. Noble gases in the Earth’s mantle // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 1998. V. 26. P. 189–218.
Fournier R.O., Potter R.W. Magnesium correction to the Na-K-Ca chemical geothermometer // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1979. V. 43. № 9. P. 1543–1550.
Giggenbach W.F. Chemical techniques in geothermal exploration. In: F. D’Amore (Ed.) Application of geochemistry in Geothermal Reservoir Development. Rome, 1991. P. 252–270.
Giggenbach W.F. The origin and evolution of fluids in magmatic-hydrothermal systems. In: H.L. Barnes (Ed.) Geochemistry of Hydrothermal Ore Deposits. John Wiley, Hoboken, N. J., 1997. P. 737–796.
Giggenbach W.F. Geothermal solute equilibria. Derivation of Na–K–Mg–Ca geoindicators // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1988. V. 52. № 12. P. 2749–2765.
Hilton D.R., Fischer T.P., Marty B. Noble gases and volatile recycling at subduction zones. In Noble Gases in Cosmochemistry and Geochemistry (eds. D. Porcelli, C.J. Ballentine, R. Wieler) // Mineralogical Society of America. 2002. V. 47. № 1. P. 319–370.
Kalacheva E., Taran Y., Kotenko T. Geochemistry and solute fluxes of volcano-hydrothermal systems of Shiashkotan, Kuril Islands // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2015. V. 296. P. 40–54.
Kharaka Y.K., Mariner R.H. Chemical geothermometers and their application to formation waters from sedimentary basins. In: Naeser, N.D., McCollon, T.H. (Eds.), Thermal History of Sedimentary Basins. Springer-Verlag, New York, 1989. P. 99–117.
Kutyrev A.V., Kamenetsky V.S., Park J.-W. et al. Primitive high-K intraoceanic arc magmas of Eastern Kamchatka: Implications for Paleo-Pacific tectonics and magmatism in the Cretaceous // Earth-Science Reviews. 2021. V. 220. 103703. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2021.103703
Mook W.G., Bommerson J.C., Staverman W.H. Carbon isotope fractionation between dissolved bicarbonate and gaseous carbon dioxide // Earth and Planetary Science Letters. 1974. V. 22. № 2. P. 169–176.
Pang Z.-H., Reed M.H. Theoretical chemical thermometry on geothermal waters: problems and methods // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1998. V. 62. № 6. P. 1083–1091.
Spycher N., Peiffer L., Sonnenthal E.L. et al. Integrated multicomponent solute geothermometry // Geothermics. 2014. V. 51. P. 113–123.
Taran Y.A. A method for determination of the gas-water ratio in bubbling springs // Geophysical research letters. 2005. V. 32. l23403. https://doi.org/10.1029/2005GL024547
Taran Y.A., Fischer T.B., Pokrovsky B.G., Sano Y. Geochemistry of the volcano-hydrothermal system of El Chichon volcano, Chiapas, Mexico // Bulletin of Volcanology. 1998. V. 59. № 6. P. 436–449.
Taran Y., Kalacheva E., Inguaggiato S. et al. Hydrothermal systems of the Karymsky Volcanic Centre, Kamchatka: Geochemistry, time evolution and solute fluxes // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2017. V. 346. P. 28–39. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2017.05.023
Taran Y.A. Geochemistry of volcanic and hydrothermal fluids and volatile budget of the Kamchatka–Kuril subduction zone // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2009. V. 73. Iss. 4. P. 1067–1094. https://doi.org/10.1016/j.gca.2008.11.020
Taran Y.A., Ryabinin G.V., Pokrovsky B.G. et al. Methane-rich thermal and mineral waters of the Avachinsky Depression, Kamchatka // Applied Geochemistry. 2022. V. 145. 105414.
Zeebe R.E. Kinetic fractionation of carbon and oxygen isotopes during hydration of carbon dioxide // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2014. V. 139. P. 540–552. https://doi.org/10.1016/j.gca.2014.05.005
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Copyright (c) 2023 Н.А. Малик, Ю.А. Таран, И.Ю. Свирид, А.Р. Цховребова