ВОДОРОДНАЯ ДЕГАЗАЦИЯ ПЛАНЕТЫ: Анализ вулканических структур

Общие аспекты  водородной дегазации.

В атмосфере Земли содержится 2 500 000 000 тонн водорода, который улетает в космическое пространство “со скоростью” примерно 250000 тонн в год (Белов, 2003). Очевидно, что раз содержание водорода в атмосфере не меняется, то должен существовать постоянно действующий источник водорода той же мощности. Что же  это за источник? Этим источником без сомнения является дегазация Земли. Возможно вулканы? Действительно, например газ  вулкана Этна  состоит из СН₄ -1,0%, СО₂ – 28,8%, СО – 0,5%, Н₂ – 16,5%, SO₂ – 34,5%, остальное приходится на азот и инертные газы. Вклад вулканов Курильской дуги в содержание водорода в атмосфере оценивается приблизительно в 100 тонн водорода, за год,  т.е. это лишь 0,04% от 250 000 тонн, поставляемых всеми источниками. Достаточно редко, хотя и  встречаются  зоны водородного  обогащения  и  на  нефтегазовых  месторождениях.  В  Швеции,  при  бурении  скважины Гравберг-1 глубиной 6770 м, ниже 4 км отмечено существенное повышение содержания водорода. «Газят» водородом и участки литосферы, где в прошлые геологические эпохи происходили  внедрения  ультраосновных щелочных магм. Так в шахтном газе  глубоких подземных  выработок  Хибин  повышено  содержание  водорода.  Например,  кимберлитовая  трубка "Удачная" в республике Саха-Якутии, ежедневно выбрасывает наружу до 100 тыс. кубометров газа. То есть, процесс водородной дегазации из недр существует, однако,  каковы главные каналы и причины его поступления?

Очевидно,  что  водород  —  глубинный  газ  планеты.  Еще  в  70  годах  прошлого  века  В.Н.Ларин предложил гипотезу гидридного ядра Земли. В отличие от классической точки зрения о железо-никелевом ядре планеты, он высказал мысль о том, что ядро содержит сверхсжатый  водород,  оставшийся  от протопланетной стадии формирования Земли. Формы  нахождения  водорода  неясны.  Не  исключено,  что  здесь  содержится  протонная  плазма,  при  «обрастании» которой электронами возникают атомы водорода и выделяется огромная тепловая энергия. В ядре газовая фаза сверхсжатого атомарного водорода жидкого ядра находится в равновесии  с  водородом,  окклюдированным  в    железо-никелевом  ядре.  Возможно,  превращения протонов в атомарный водород происходят в жидком ядре планеты – ниже мантии, а также в астеносферных слоях мантии. Слияние двух атомов водорода в молекулу Н₂ при уменьшении давления сопровождается значительным выделением тепла и может, помимо энергии радиоактивного  распада,  объяснить  энергию  глубинных  геологических  процессов  на  уровне  верхней мантии.    Мы  полагаем,  что  тепловой  поток  мантийных  разломных  и  диапировых  структур, идущих от жидкого ядра Земли и представленных тепловыми аномалиями срединноокеанических хребтов, «горячими точками» Гавайских островов, Йелоустона в Северной Америке, Килиманджаро  в  Африке  и  др.,  может  объясняться  процессом  «молекуляризации»  атомов  водорода. По-видимому,  значительное количество водорода выделяется в процессе серпентинизации оливина мантии в зонах субдукции за счет гидролиза воды океана, поступающего в мантию  по  зонам  Беньофа  (Дмитриев,  1999).  Этот  водород,  по  нашему  мнению,  формирует,  при поверхностном  окислении, тепловой  режим  вулканов  островных  дуг,  в  частности,  Курило-Камчатской  островной  дуги.  Таким  образом,  водород  поступает  к  вулканам:

1)  по  рифтовым зонам  срединноокеанических  хребтов;

2)  по  диапировым  структурам  горячих  точек;

3)  по флюидно-водородным  диапирам,  возникающим  над  зонами  Беньофа  островных  дуг.

О  справедливости такого заключения  свидетельствует состав газовых включений в минералах;  при переходе от пород коры к породам мантии он резко меняется. Если в гранитах в составе газов преобладают  соединения  кислорода  -  углекислота  и  вода,  то  в  породах  мантии    кислорода почти  нет,  здесь  преобладают  водород  и  метан.  Важно  отметить,  что  базальты  —  выплавки мантии  —  резко  отличаются  от  мантии  высокой  магнитностью  за  счет  появления  магнетита.

По нашей модели, «магнетитизация» базальтов — свидетельство диссоциации воды, уходящей в  мантию  в  зонах  субдукции.  При  этом  происходит  геохимическое  разделение  кислорода  и водорода. При диссоциации воды в верхней части мантии кислород окисляет железо оливина и  пироксена.  За  счет  глубинных  высокомагнезиальных    форстеритовых  и  гиперстеновых  дунитов  формируются  малоглубинные  железистые  оливинпироксеновые  ультрабазиты,  а  часть железа силикатов уходит в оксидную фазу - магнетит базальтов. Водород верхней мантии отделяется  от  кислорода  и  создает  диапировые  флюидные  структуры  (Портнов,  1996):  кимберлитовые  трубки  под  газонепроницаемыми  структурами  платформ  или  формируя  конусы  вулканов  в  зонах  субдукции.    Здесь  за  счет  энергии  окисления  водорода  на  уровне  базальтового или гранитного слоя земной коры возникают лавовые расплавы соответствующего состава.

        Вулканы - зоны концентрации водорода

        Водород  и  метан  являются  характерными  газами  газовых  включений  в  алмазах  кимберлитовых  трубок,  этих    глубинных  диапировых  структур,  связанных  с  верхней  мантией.  По нашему  мнению  (Портнов,  1979,  1996),  кимберлитовые  трубки  возникают,  как  водородно-метановые диапиры. Они формируются при концентрации мантийных газов в виде огромных «пузырей» под газонепроницаемыми структурами континентальных плит с повышенной мощностью земной коры. Мы считаем, что кимберлиты являются не магматическими породами, а типичными  флюидизитами,  аналогами  вулканического  пепла,  но  мантийного  состава,  оставшимися в структурах мантийных диапиров. Эволюция водородно-метанового флюида при понижении  давления  выражалась  в  самоокислении  (глубинном  горении)  водорода  и  метана  в системе  С-Н-О  с  образованием  алмазов,  воды,  и  СО.  Налаженное  за  рубежом  производство алмазных пленочных покрытий и ювелирных алмазов весом до 4 карат из флюидной системы С-Н-О  является  подтверждением  нашей  точки  зрения.  Однако  не  лишним  будет  напомнить, что  член-корреспондент  АН  СССР  Б.Дерягин  первым  получил  алмазы  из  водородно-метановой  смеси  при  давлении  ниже  атмосферного  еще  в  1969  году.  Следует  отметить,  что иногда при разработке кимберлитовых трубок отмечалось мощное выделение газовых потоков преимущественно водородного состава.

Вероятно, вулканы являются потенциальными месторождениями водорода. Обычно изучаются  разнообразные  вулканические породы, но гораздо меньше внимания обращают на газы,  сопровождающие  извержения,  поскольку  раскаленные  газы  собирать  и  анализировать трудно. Объем выброшенного за одно извержение силикатного расплава редко превышает 0,5 кубического километра, тогда как объем газовой фазы в десятки, сотни и тысячи раз превышает объем твердой фазы. А. Риттман (1964) указал, что вулканы следует рассматривать,  прежде всего, как структуры дегазации планеты. При извержениях газы смешиваются с пепловым материалом и формируют нагретые до 1000 С «палящие тучи». Очевидно, что процессы окисления  газа  при  его  выходе  на  поверхность  полностью  изменяют  его  первичный  глубинный  состав,  приводя  к  формированию  вторичных  продуктов,  возникших  при  сгорании  водорода  и метана. Газы, нагретые от 200 до 1000 С состоят из соляной и плавиковой кислот, нашатыря, поваренной  соли;  в  низкотемпературных газах  преобладают сероводород, сернистый газ, углекислота. Очевидно, что все они являются продуктами вторичных химических реакций.

Известный вулканолог Гарун Тазиев на поверхности кипящей лавы в кратере Эрта-Але в Афарской  впадине  Эфиопии   наблюдал  «…завораживающий  танец  тысяч  бледноголубых и синеватых полупрозрачных язычков пламени. Это был газ, пробивавшийся к поверхности сквозь раскаленную лаву». Он пишет: «Все, кто наблюдал базальтовые извержения, видели пузыри до метра в поперечнике, а те, кому приходилось видеть близко лавовое озеро, встречали пузыри в десять раз больше». На вулкане Эребус в Антарктиде Тазиев со своим спутником увидел  «…  вылезший  из  кратера  чудовищный  горящий  пузырь  диаметром  в  200  метров.  За ним  последовала  раскаленная  полусфера  высотой  в  двенадцатиэтажный  дом  и  площадью  в футбольное поле». Сделать анализ первичного глубинного газа было невозможно. Поскольку в составе  выброшенного  вулканами  газа  пары  воды  составляют  98%,  мы  делаем  вывод,  что главным  первичным  газом  в  структурах  вулканов  является  водород.  Вторым  по  распространенности газом является углекислота, что указывает на присутствие глубинного метана.

В.Н.Ларин (2005) отмечает, что на вулканах Гавайских островов при повышении уровня лавы  в  кратерных  лавовых озерах возникает «большое пламя» («large flame») высотой до 180 м. Вулканологи считают, что это горит водород. «Большое пламя» держится несколько суток, затем  постепенно  уменьшается  и  исчезает.  Вулканологи  предполагают,  что  выделение  водорода  при  этом  не  прекращается,  а  лишь  ослабевает,  а  окисление  водорода  продолжается  под поверхностью жидкой лавы. Очевидно, что процесс этот – экзотермический. Выделение тепла в  глубинных  структурах  вулкана  может  сопровождаться  плавлением  пластичных  горных  пород,  всплывающих  из  мантии  к  поверхности.  Геофизические  исследования  показывают,  что под  вулканами  Гавайских  островов  находятся  столбы  нагретого  пластичного  вещества  диаметром  в  десятки  и  сотни  километров,  поднимающиеся  к  поверхности  планеты  с  границы жидкого ядра и нижней мантии. Видимо, они содержат водород ядра Земли. Крайне высокая активность водорода дает ему мало шансов на выделение в атмосферу в чистом виде. Очевидно,  что  при  окислении  водород  превращается  в  пары  воды.  По  нашему  мнению,  тепловая энергия  столбов  разогретых  мантийных  пород,  поднимающихся  от  границы  жидкого  ядра  в виде диапиров и формирующих на поверхности Земли «горячие точки» и магматические расплавы,  связана  с  процессом  молекуляризации  водорода:  Н+Н=Н2  +  Q  (тепловая  энергия).  В свою очередь, окисление водорода с образованием паров воды в жерловинах вулканов формирует расплавы вулканических извержений: 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О + Q (энергия).

Источником  глубинного  водорода  может  являться  также  астенсфера,  квазижидкое  состояние  которой,  возможно,  обусловлено  присутствием  газа,  скорее  всего  водорода.  Водород может  подниматься  вверх  из  астеносферы  в  зонах  субдукции,  когда  погружающаяся  литосферная плита «прорезает» астеносферу на глубине около 100 км. Сейсмические графики показывают,  что  на  этой  глубине  над    астеносферой    возникают  многочисленные  очаги  землетрясений, фиксирующие подъем флюидного и расплавного материала (Селивёрстов, 2009).

Существенным источником  водорода вулканических структур  зон субдукции безусловно  является  также  процесс  освобождения  водорода  при  диссоциации  воды  в  процессе  гидратации  мантии.  Модель  дегидратации  океанических  осадков,  уносящих  в  мантию  массу  океанической воды, впервые предложена    Б.А.Дмитриевым и др. (1999). Авторы  указывают, что при этом происходит серпентинизация оливина, которая сопровождается выделением свободного  водорода.  По  нашему  мнению,  водород  возникает  в  результате  различных  реакций  гидратации  оливин-пироксеновых  пород  с  образованием  гидроксил-содержащих  минералов,  в том числе амфиболов, хлоритов, серпентина.  Для оливина преобладающая реакция:

2(Mg,Fe)[SiO₄](оливин) + 22H₂O = 3Mg₆[Si₄O₁₀](OH)₈ (серпентин) + 6Mg(OH)₂ (брусит) + 4H₂

Закисное железо оливина, видимо, входит в состав амфибола и хлорита. Гидратация пироксенов также сопровождается амфиболизацией и хлоритизацией. Все эти процессы способствуют возникновению свободного водорода.

 Разрезы  зон  субдукции  к  востоку  от  полуострова  Камчатка,  по  данным Н.И.Селиверстова  (2009),  отражающие  плотности  распределения  энергии  землетрясений  на глубинах  от  300  км  до  поверхности    показывают  подъем  к  жерлам  вулканов  значительных масс,  вызывающих  слабые  землетрясения  (дрожание  вулканов),  которые  Н.И.Селиверстов считает расплавом вместе с водным «флюидом». По нашему мнению,  главную роль в поднимающемся  глубинном  материале  имеет  водород,  возникающий  при  гидратации  мантийных минералов (оливина и пироксена). Плотности распределения энергии землетрясений отчетливо  показывают,  что с глубины 100-200 км от зоны Беньофа отделяется флюидная фаза, которая  поднимается  вверх,  к  основанию  вулкана.  Водород  сгорает  в  кратере  вулкана  задолго  до извержения  и  создает  тепло  для  плавления  лавы.  Для  вулкана  Карымского  основная  масса флюидной фазы поднимается с глубины 130 - 100 км, для Жупановского — в интервале 150-100  км  (рис.1.).Сходную  картину  можно  проследить  и  для  других  камчатских  вулканов.  По нашему мнению, флюидная фаза здесь представлена водородом, возникающим, главным образом, при серпентинизации оливина мантии.

Рис.1. Особенности распределения землетрясений над активными вулканами Камчатки.

       Обычно  вопрос о происхождении жидкого силикатного расплава в вулканах остаётся за  рамками.   Почему  лава  нагрета  до  1200  С?  Ведь  давно   (Ботт,1974),  установлено,  что верхняя  мантия  Земли  –  твердая  и  нагрета  всего  до  600.  Откуда  берется  огромная  дополнительная  энергия,  создающая  кипящий  силикатный  расплав?  70%  радиоактивных  элементов, отвечающих, как считается, за плавление, содержатся в земной коре, тогда как породы мантии практически лишены тория, урана, калия. Например, содержание тория в мантийных породах составляет всего 5 мг/т, урана 3 мг/т, тогда как кларки этих элементов в земной коре 12 г/т и 2,5 г/т соответственно. Тем не менее, главная масса интрузивных и вулканических расплавов связана  с энергией мантии, стерильной по содержанию радиоактивных элементов. Видимо, плавление пород  связано  с  мощными  экзотермическими реакциями окисления железа, водорода и метана.  Нагрев  пород  сопровождается  концентрацией  рассеянного  газа,  т.е.  водорода  и  метана.  В виде  огромных  легких  пузырей  эта  потенциально  горючая  и  взрывчатая  смесь,  устойчивая  в глубинах  земли  при  отсутствии  свободного  кислорода,  опережает  пластическое  движение горных пород и прокладывает им путь к поверхности планеты. Поэтому вулканы иногда долгие  годы  «дымятся»  –  без  лавовых  извержений.  Гигантские  многокилометровые  конусы  вулканов состоят из пепла и лавы которые вынесли и насыпали газовые потоки. Извергающиеся вулканы - это глубинные трубы, по которым идет мощный поток газов, а «заодно» выбрасывается относительно немного расплавленной магмы.

Таким образом,  поверхностные окислительные процессы связаны с горением водорода и метана на глубине 5-6 км и непосредственно в жерлах вулканов. Грандиозные вулканические взрывы,  уходящие  под  облака  огненные  столбы,    рев  газовых  потоков  –  все  эти  явления  поверхностные. Они  аналогичны авариям мощных метановых скважин и принципиально от них не отличаются.

 Классификация вулканов по газонасыщенности извержений

Предлагаемая  классификация  базируется на типах извержений, которые в значительной мере  зависят  от  объема  выброшенных  газов.  Мы  предлагаем    классифицировать  вулканы  по количеству газовой составляющей при извержениях и выделять вулканы, для которых характерны:

1) малая газонасыщенность;

2) средняя газонасыщенность и

3) высокая  газонасыщенность.

       К первому типу вулканов с малой газонасыщенностью относятся гавайские вулканы. Для  них  характерна  жидкая  базальтовая  лава,  весьма  текучая,  образующая  лавовые  озера  в кратере,  бедная газами. Этот тип характерен для океанической коры, вулканов океанических островов,  в  том  числе,    гавайских  вулканов,    типа  Мауна  Лоа,  расположенных  над  «горячей точкой».  К  этому  типу  относятся  также  вулканы  Исландии,    приуроченные  к  рифтовой  зоне Атлантического  океана.    Вулканы  с  извержениями  этого  типа  расположены  над  «горячими точками»  или  над  рифтами  на  маломощной  океанической    базальтовой  коре  (мощность  8-10 км). Мантия расположена очень близко. Тем не менее, лавы ультраосновного состава отсутствуют.  Почему?  Отсутствие ультрабазитового расплава видимо свидетельствует о том, что источник  тепла,  формирующего  базальтовый  расплав,  расположен  в  коре,  выше  мантии  и  воздействует  исключительно  на  базальтовый  слой  океанического  дна.  Источник  тепла  должен быть в этом случае локальным и высокоактивным, чтобы расплавить огромный объем базальтов. По  нашему  мнению,  расплавление  базальтов  океанического  дна  происходит  за  счет окисления водорода при снижении давления в вулканическом канале или в структуре океанических  рифтов,  при  увеличении  активности  кислорода.  Хорошо  известная  текучесть  лав  гавайских вулканов, возможно, отражает их обогащение водой, возникшей при глубинном окислении  водорода.  Расходование  энергии  окисляющегося  водорода  на  расплавление  огромных объемов  базальтов,  создавших,  например,  грандиозный  подводный  Императорский  хребет Тихого  океана,  делает  этот  тип  вулканов  малопереспективным  с  практической  точки  зрения концентрации водорода в прижерловом пространстве.

     Вулканы  второго,  среднегазонасыщенного  типа  приурочены  к  зонам  субдукции  и островным  дугам,  к  границе  океанической  и  континентальной  коры.  Наряду  с  базальтами здесь  широко  развиты  андезитовые,  дацитовые,  риолитовые  лавы,  туфы,  туфобрекчии.  Водород здесь возникает или за счет диффузии из астеносферы или, что вероятнее, за счет гидролиза воды при серпентинизации мантийных пород в зоне субдукции. Лава жидкая, но богатая газами.  Обычно  возникают  высокие  конусообразные  вулканы,  сложенные  чередующимися слоями лавы, вулканических туфов и туфобрекчий. Строение таких вулканов имеет слоистый характер,  отчего  их  называют  стратовулканами.  Состав  лавы  –  андезитодацитовый  и  риолитовый.  К  этому  типу  в  России  относятся  камчатские    вулканы  -  Ключевская  сопка  (4850 м),  Кроноцкая сопка (3730 м), Плоский Толбачик (4030 м); вулкан Алаид (2334 м) на Курильских островах;  Фудзияма  (3778  м)  в  Японии,  Стромболи  на  Липарских  островах  около  Италии  и многие другие.

Самый северный на Камчатке вулкан Шивелуч в 1954 году выбросил столб огня высотой 20 км. Его видели жители селений, расположенных в 500 км от вулкана. Взрывная волна дважды  обошла  земной  шар.  Глыба  весом  2800  тонн  была  выброшена  взрывом  на  расстояние  2 км,  а  вулканические  бомбы  весом  500-700  тонн  летели  на  10-12  км!  Поскольку  газ  горел,  то состав его был водородный. Выброс водорода можно оценить в десятки тысяч куб. км водорода.    Аналогичное  извержение  вулкана Шивелуч повторилось 19 мая 2004 г (рис.2). Вулкан Безымянный молчал три столетия, а в 1955 году проснулся и начал извергать пепел, камни и лаву (рис.2).  Так продолжалось полгода, пока не раздался страшный взрыв. Пепел взлетел на высоту  до  40  км,  пепловые  тучи  уничтожили  все  живое  на  площади  500  кв.км.  Видимо,  по газонасыщенности водородом,   взрыв Безымянного аналогичен взрыву вулкана Шивелуч.

Рис. 1.2. Извержение вулкана Шивелуч 19 мая 2004 г. Снимок сделан из  поселка Ключи – 43 км от вулкана.

Вулкан Толбачик в 1975 году извергался целый год.  Тучи пепла поднялись на высоту 18 км  и  протягивались  по  ветру  на  1000  км.  Видимо,  здесь  были  выброшены  и  сгорели  в  атмосфере  десятки  тысяч  куб.  км  водорода.  Таким  образом,    можно  полагать,  что  концентрация газов и водорода,  в вулканах рассматриваемого может быть весьма значительной.  Как указывалось  выше  в    составе  газов  вулкана  Этна  содержится  –  16,5%  Н₂.  Среднегазонасыщенные извержения  в  принципе  аналогичны  весьма  газонасыщенным с той разницей, что при весьма большой  газонасыщенности  извержения  превращаются  в  глобальные  катастрофы.  Поэтому технические  решения  по  добыче  водорода  предпочтительнее  решать  на  базе  вулканов  с  извержениями второго типа.

К  третьему  типу  с  высокой    газонасыщенностью  относятся  вулканы,  приуроченные  к зонам «активной субдукции», где процессы взаимодействия континентальной и океанической коры  проявлены  особенно  интенсивно.  Извержения  здесь сопровождаются настоящими катастрофами. Объем выброшенного газа составляет десятки и сотни тысяч куб. км. При извержениях  возникают  игнимбриты  –  отложения  «палящих туч», взвеси вулканической пыли («пепла») в раскаленном газе. Состав лав – от андезито-дацитового до риолитового. Самые сильные извержения характеризуют вулканы, расположенные в области островных дуг, где происходит поглощение  дифференцированной континентальной коры с мощным гранитным слоем. Такие области  характерны  для  Индокитая  и  юго-западной  части  Тихого  океана  в  районе  Зондского архипелага.  Именно  там  (Белов  и  др.,  2009)    путём  анализа  мировых  статистических  данных выявлен абсолютный центр эндогенной активности Земли,  к которому тяготеет  крупнейшая в мире  кальдера  супервулкана  Тоба,  а  также  вулканы  Тамбора  и  Кракатау,  известные  своими катастрофическими извержениями. Именно здесь отмечается максимальное поднятие поверхности геоида. Наибольшая активизация мантийных газов происходит в районе сочленения Евразийской Тихоокеанской и Австралийской плит. Взрывы весьма газонасыщенных вулканических  извержений    унесли  за  последние  200  лет  жизнь  сотен  тысяч  человек  и  отразились  на климате  всей  планеты.        Что  является  причиной таких взрывов аналогичных Кракатау? Возможно,  они представляют собой выброс мантийных газов, сохранивших сверхвысокое давление  мантии  (не  менее  100  кбар)  до  поверхности  Земли.  Возможно,  что  это  был  сверхсжатый раскаленный мантийный водород, мгновенно окислившийся в атмосфере.  В случае Кракатау объем  выброшенного  газа  оценивается  ориентировочно  в  100  тысяч  кубических  километров, что в 50 раз превышает объем газа, добываемого ежегодно на Земле.

   Таким образом,  история изучения вулканов хранит сотни случаев грандиозных выбросов лавы, пепла и газов. Но состав газов является наименее изученной составляющей извержений.  В  то  же  время,    очевидно,  что  газы  –  главная  причина  катастрофических  извержений. Также очевидно, что вулканологи имеют дело со вторичными окисленными газами, а первичный  состав  газов  недоступен  изучению  и  практически  неизвестен.  Однако  факты  указывает, что ведущим глубинным газом является водород. Обычно мощность извержений объясняется повышенной  вязкостью  лавы:  базальтовая  лава  жидкая,  риолитовая  с  высоким  содержанием кремнезема  –  вязкая.  Видимо,  следует  учитывать,  что  жидкая  лава  растворяет  водяные  пары, возникающие при окислении водорода. Вязкая лава кислого состава растворяет меньше газов и способствует концентрации газовой фазы. В свою очередь, вязкая лава среднего или кислого состава  возникает  за  счет  переработки  дифференцированной  континентальной  коры  с  мощным гранитным слоем. Следует обратить внимание, что андезит-дацит-риолитовый состав лавы  рассмотренных  газонасыщенных  вулканов  указывает,  что  расплавлению  подвергаются лишь гранитный и только отчасти – базальтовый слои земной коры. Иначе говоря, плавятся не породы мантии, а верхняя часть земной коры. Этот факт – индикатор УРОВНЯ ПЛАВЛЕНИЯ ГОРНЫХ  ПОРОД  ПРИ  ВУЛКАНИЗМЕ.  По  нашему  мнению,  такой  высокий  стратиграфический  уровень  плавления  гранитов  и  контаминация  базальтов  с  формированием  андезито-дацитов  –  свидетельство  влияния  водорода,  как  БЛИЗПОВЕРХНОСТНОГО  ИСТОЧНИКА ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ. Возможно, что на этом уровне заканчивается экзотермическая «молекуляризация»  поднимающегося  глубинного  атомарного  водорода  и    начинается  процесс  его окисления. Возникающие при этом пары воды усиливают взрывной характер извержений.

То есть по составу лав вулканов можно делать выводы о глубинности окислительных процессов: андезит-базальтовые  лавы  указывают  на  глубинность  окислительного  очага;  риолит-дацитовые — на приповерхностный характер окисления водорода. На глубинных сейсмических разрезах через камчатские вулканы Карымский, Кроноцкий, Безымянный  и  др.  (см.  рис.1)  прослеживаются  наклоненные  по  углом  около  45  градусов  зоны  Беньофа  и  отделяющиеся  от них на глубине от 200 до 100 км вертикальные структуры, которые  прослеживаются  очагами  землетрясений  к  оканчиваются  на  поверхности  жерлами вулканов.  По  нашему  мнению,  эти  вертикальные  структуры  не  связаны  с  расплавом,  а  отражают  формирование  флюидных  диапировых  структур  дегазации,  т.е.  водородсодержащих каналов,  пробивающихся  к  поверхности.  Разрезы  свидетельствуют  о  том,  что  сейсмические волны возникают не повсеместно, а формируют локальные «узлы» на определенных глубинах.

Постепенно  сейсмические  «узлы»  перемещаются  вверх,  к  жерлам  вулканов.  Так  наблюдения за  Ключевским  вулканом  показали,  как  сейсмические  «узлы»    неоднократно  перемещались  с глубины 30 км вверх к жерлу с периодом от 6 месяцев до одного  года и вызывали извержения при  достижении  вершины  вулкана.  Например,  глубинная  сеймичность  наблюдалась  здесь  в сентябре-октябре  2003  года.  В  ноябре  2003  года  сейсмичность  переместилась  к  жерлу  и  сопровождалась свечением (горением газа) над кратером. С января 2004 года до января 2005 года  резко  выросла  прижерловая  сейсмичность,  сопровождаемая  ярким  свечением  на  вершине вулкана.  Н.И.Селиверстов  (2009)  связывает  эту  прижерловую  сейсмичность  с  выделением водного флюида, т.е. паров воды.  Но в этом случае не наблюдалась бы связь активизации  выбросов  газов и их яркого свечения. По нашему мнению, яркое свечение при отсутствии лавы объясняется горением газов, в первую очередь, водорода. С конца января 2005 года на вулкане началось  извержение  лавы,  продолжавшееся  до  апреля.  Таким  образом,  сжатый  горючий  газ поднимался с глубины 30 км к жерлу в течение 1-2 месяцев. Затем газ выходил в атмосферу в течение года. В дальнейшем для Ключевского вулкана аналогичный цикл глубинной сейсмической    активности  повторился  с  июня  по  декабрь  2005  года.  Затем  сейсмический  «узел» переместился  к  жерлу,  началось  выделение газа, которое завершилось мощным лавовым извержением в марте 2007 года. Следующий цикл глубинной сейсмичной активности начался в январе 2008 года и сменился извержением лавы в интервале с ноября 2008 года по январь 2009 года.  В  феврале  2009  года  под  Ключевским  вулканом  вновь  возник  «узел»  глубинной  сейсмичности,  т.е.  началось  накопление  новой  порции  глубинного  газа.  Таким  образом,  порции лавы  и  флюида  накапливаются  на  глубине  30  км  и  за    1-2  месяца  поднимаются  к  его  жерлу.

Этот  водородсодержащий  флюид  может  быть  перехвачен  скважинами  на  глубине  5-6  км,  за полгода или год  до начала извержения лавы.

Выводы

1. Вулканизм  обусловлен  глубинной  дегазацией  Земли  в  рифтовых  зонах,  горячих точках и в зонах субдукции островных дуг.

2. Ведущим глубинным газом в указанных структурах является водород.

3. Возможные источники водорода:  а) жидкое ядро Земли; б) астеносфера; в) процессы гидролиза океанической воды при амфиболизации, хлоритизации, серпентинизации пород мантии  в  зонах  субдукции  по  преобладающей  схеме:

2Mg₂SiO₄  (оливин)  +  22H₂O  = 3Mg₆{Si₄O₁₀}(OH)₈ (серпентин) + 6Mg(OH)₂ (брусит) + 4H₂.

4. Формирование базальтов сопровождается диссоциацией воды с разделением кислорода и водорода. Кислород окисляет железо силикатов мантии и поглощается новообразованным магнетитом базальтов; водород формирует диапировые структуры под вулканами.

5. Лавовые  расплавы  в  вулканоструктурах  возникают:  а)  за  счет  глубинной  энергии молекуляризации  водорода  по  схеме  Н+Н=Н₂  +  Q;    б)  за  счет  приповерхностной  энергии окисления водорода в вулканоструктурах с образованием паров воды. Состав лав указывает на глубинность  окисления  водорода:  андезито-базальтовые  лавы  возникают  в  глубинных  зонах окисления,  риолит-дацитовые  —    в  поверхностных.  Информацию  о глубине очага окисления водорода  может  дать  также  изотопно-гелиевая  съемка:    повышенное  ₄Не/₃Не  относительно фона является благоприятным фактором для выявления запасов неокисленного водорода.

6. Наиболее  благоприятными  для  добычи  водорода  представляются  газонасыщенные вулканы  над  зонами  субдукции  с  преобладанием  риолит-дацитовых  лав.  В  России  практический  интерес  представляют  вулканы  Курило-Камчатской  островных  дуг:  Ключевской,  Карымский, Жупановский, Кроноцкий и др.

По материалам Отчёта в рамках программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 14 за 2009 год 
Раздел 1.3.1 «Оценка перспектив выявления промышленных скоплений эндогенного водорода в литосфере» . Руководитель проекта: директор ГГМ РАН,  доктор г.-м.н. Белов С.В.