litosphereЛитосфераLITHOSPHERE (Russia)1681-90042500-302XA.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry10.24930/2500-302X-2024-24-5-886-910litosphere-2149Research ArticleСтатьиArticlesРудная сера вулкана Головнина, о-в КунаширOre sulfur of Golovnin Volcano, Kunashir IslandМалышевА. И.MalyshevA. I.

620110, г. Екатеринбург, ул. Академика Вонсовского, 15

15 Academician Vonsovsky st., Ekaterinburg 620110

МалышеваЛ. К.MalyshevaL. K.

620110, г. Екатеринбург, ул. Академика Вонсовского, 15

15 Academician Vonsovsky st., Ekaterinburg 620110

Институт геологии и геохимии им. академика А.Н. Заварицкого УрО РАНРоссияA.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, uB RASRussian Federation202407112024245886–910Copyright © Малышев А.И., Малышева Л.К., 20242024Малышев А.И., Малышева Л.К.Malyshev A.I., Malysheva L.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.lithosphere.ru/jour/article/view/2149

Объект исследования. Гидротермальные отложения кальдеры Головнина. Цель. Изучение эпитермального вулканогенного рудообразования. Общие положения. До сих пор существовал консенсус об экзогенно-осадочном (коллоидном) генезисе серы в вулканических озерах. Наши наблюдения и исследования микроструктуры указывают на присутствие расплава серы на дне оз. Кипящее. Капли этого расплава выносятся на поверхность озера в составе светло-серой пены. Существенные различия серных шариков в концентрации сульфидной минерализации, в ее составе, а также в наличии или отсутствии многочисленных опаловых включений наиболее просто объясняются захватом капель в различных частях серного расплава и их последующим перемещением потоком газа, проходящим через расплав. Конденсат элементарной серы образуется в донных отложениях в результате принудительного охлаждения потоков эндогенного газа озерной водой. Здесь происходит основная конденсация серы (96% и более от общего потенциала флюидной серы). Остаточная конденсация серы происходит в водной среде. Тонкодисперсный конденсат серы в смеси с водой неустойчив и с течением времени разрушается с выделением сероводорода и образованием сернистой и серной кислот. Активность донных гидротерм и прибрежное волнение препятствуют образованию на дне озер осадка коллоидной серы. В кратерных впадинах на дне озер кальдеры Головнина одновременно с конденсацией самой серы происходит сульфидизация ее расплава. Гравитационное осаждение сульфидов в расплаве серы приводит к обогащению ими корневых частей кратерных впадин, где в режиме реального времени формируются колчеданные рудные тела. Наземные отложения серы вместе с перекрывающими их измененными породами демонстрируют полный профиль эндогенного апикального окисления под газогидротермальным воздействием: сера и серно-опаловые породы вверх по разрезу сменяются гипс-ярозитовыми породами и далее “железной шляпой” сцементированных лимонитом брекчий купольной мантии. Выводы. Наблюдения, исследования микроструктуры и молекулярно-химическое моделирование свидетельствуют об эндогенно-конденсатном происхождении рудной серы в кальдере Головнина и исключают ее экзогенно-осадочный генезис. 

Research subject. Hydrothermal deposits of Golovnin Caldera. Aim. To study the epithermal volcanogenic ore formation. Key points. Until now, there has been a consensus on the exogenous sedimentary (colloidal) genesis of sulfur in volcanic lakes. Our observations and microstructure studies indicate the presence of sulfur melt at the bottom of Kipyaschee Lake. Drops of this melt are carried to the surface of the lake as part of a light gray foam. The significant differences of sulfur spherules in the concentration of sulfide mineralization, in its composition, as well as in the presence or absence of numerous opal inclusions are most simply explained by the capture of droplets in various parts of the sulfur melt and their subsequent movement by a gas stream passing through the melt. Elemental sulfur condensate is formed in bottom sediments as a result of forced cooling of endogenous gas flows by lake water. The main condensation of sulfur occurs here (96% or more of the total potential of fluid sulfur). Residual condensation of sulfur occurs in the aquatic environment. Finely dispersed sulfur condensate in a mixture with water is unstable and breaks down over time with the release of hydrogen sulfide and the formation of sulfurous and sulfuric acids. The activity of bottom hydrotherms and coastal unrest prevents the formation of colloidal sulfur sediment at the bottom of lakes. In the crater depressions at the bottom of the lakes of the Golovnin Caldera, sulfidization of its melt occurs simultaneously with the condensation of sulfur itself. Gravitational deposition of sulfides in the sulfur melt leads to their enrichment of the root parts of crater depressions, where pyrite ore bodies are formed in real time. Terrestrial sulfur deposits, together with the modified rocks overlying them, demonstrate the full profile of endogenous apical oxidation under gas-hydrothermal action: sulfur and sulfur-opal rocks up the section are replaced by gypsum-jarosite rocks and, further, by an “iron hat” of limonite-cemented breccias of the dome mantle. Conclusions. Observations, microstructure studies and molecular chemical modeling indicate the endogenous condensate origin of ore sulfur in the Golovnin Caldera and exclude its exogenous sedimentary genesis.

самородная серасульфидыгазогидротермальный процессрудообразованиевулкан Головнинаnative sulfursulfidesgas-hydrothermal processore formationGolovnin VolcanoИсследование выполнено в рамках государственного задания ИГГ УрО РАН № 124020400013-1 с использованием оборудования ЦКП “Геоаналитик” ИГГ УрО РАН. Дооснащение и комплексное развитие ЦКП “Геоаналитик” ИГГ УрО РАН осуществляется при финансовой поддержке гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации на 2021–2023 гг., Соглашение № 075-15-2021-680The studies were carried out as part of the IGG uB RAS State assignment (state registration No. 124020400013-1) using the “Geoanalitik” shared research facilities of the IGG uB RAS. The re-equipment and comprehensive development of the “Geoanalitik” shared research facilities of the IGG uB RAS is financially supported by the grant of the Ministry of Science and higher Education of the Russian Federation for 2021-2023 (Agreement No. 075-15-2021-680)ReferencesАверьянов И.П. (1981) Баланс серы в поствулканическом процессе и проблемы промышленного серонакопления. М.: Наука, 179 с.Averʼyanov I.P. (1981) The sulfur balance in the post-volcanic process and the problems of industrial sulfur accumulation. Moscow, Nauka Publ., 179 p. (In Russ.)Брайцева О.А., Мелекесцев И.В., Пономарева В.В., Сулержицкий Л.Д., Литасова С.Н. (1994) Возраст действующих вулканов Курило-Камчатского региона. Вулканология и сейсмология, (4-5), 5-32.Belousov A., Belousova M., Kozlov D. (2017) Strong hydrothermal eruption 600 BP inside Golovnin Caldera, Kunashir Island, Kurile arc. Geophys. Res. Abstracts, 19, EGU2017-7596.Виноградов В.И. (1980) Роль осадочного цикла в геохимии изотопов серы. М.: Наука, 192 с.Braitseva O.A., Melekestsev I.V., Ponomoreva V.V., Sulerzhitsky L.D., Litasova S.N. (1994) The ages of active volcanoes of the Kuril-Kamchatka region. Vulkanologiya i seismologiya, (4-5), 5-32 (In Russ.)Вулканические серные месторождения и некоторые проблемы гидротермального рудообразования. (1971) (Под ред. Г.М. Власова). М.: Наука, 360 с.de Ronde C.E.J., Chadwick Jr. W.W., Ditchburn R.G., Embley R.W., Tunnicliffe V., Baker E.T., Walker S.L., Ferrini V.L., Merle S.M. (2015) Molten Sulfur Lakes of Intraoceanic Arc Volcanoes. Volcanic Lakes. Advances in Volcanology. (Ed. by D. Rouwet, B. Christenson, F. Tassi, J. Vandemeulebrouck). Berlin; Heidelberg, Springer, 261-288. https://doi.org/10.1007/978-3-642-36833-2_11Горшков Г.С. (1967) Вулканизм курильской островной дуги. М.: Наука, 288 с.Delmelle P., Bernard A. (2015) The Remarkable Chemistry of Sulfur in Hyper-Acid Crater Lakes: A Scientific Tribute to Bokuichiro Takano and Minoru Kusakabe. Volcanic Lakes. Advances in Volcanology (Ed. byЖарков Р.В. (2014) Термальные источники Южных Курильских островов. Владивосток: Дальнаука, 378 с.D. Rouwet, B. Christenson, F. Tassi, J. Vandemeulebrouck). Berlin; Heidelberg, Springer, 239-259. https://doi.org/10.1007/978-3-642-36833-2_10Зотов А.В. (1967) Современное образование алунита в кратерном озере Кипящее (вулкан Головнина, о. Кунашир). Докл. АН СССР, 174(3), 671-674.Fazlullin S.М., Batoyan V.V. (1989) Bottom sediments in the crater lake of Golovnin Volcano: their formation and geochemistry. Vulkanologiya i seismologiya, (2), 44-55 (In Russ.)Калачева Е.Г., Таран Ю.А., Волошина Е.В., Тарасов К.В., Мельников Д.В., Котенко Т.А., Эрдниева Д.Ю. (2023) Кратерное озеро Кипящее в кальдере вулкана Головнина: геохимия воды и газов, вынос магматических летучих (о. Кунашир). Вулканология и сейсмология, (1), 3-20.Fedorchenko V.I. (1962) The main stages of the post-caldera period of Golovnin Volcano formation (Kunashir Island). Tr. Sakhalinskogo kompleksnogo NII, 12, 127-142 (In Russ.)Козлов Д.Н. (2015) Кратерные озера Курильских островов. Южно-Сахалинск: Сахалинский областной краеведческий музей; ИМГиГ ДВО РАН, 112 с.Gorshkov G.S. (1967) Volcanism of the Kuril Island arc. Moscow, Nauka Publ., 288 р. (In Russ.)Козлов Д.Н., Жарков Р.В. (2010) Морфология и генезис озер кальдерных комплексов Головнина и Заварицкого (Курильские острова). Вестн. ДВО РАН, (3), 103-106.Kalacheva E., Taran Yu., Voloshina E., Inguaggiato S. (2017) Hydrothermal system and acid lakes of Golovnin caldera, Kunashir, Kuril Islands: Geochemistry, solute fluxes and heat output. J. Volcanol. Geotherm. Res., 346, 10-20. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2017.06.001Мархинин Е.К. (1983) О состоянии вулканов острова Кунашир (март 1974 – май 1982 г.). Вулканология и сейсмология, (1), 43-51.Kalacheva E.G., Taran Yu.А., Voloshina Е.V., Tarasov К.V., Melnikov D.V., Kotenko Т.А., Erdnieva D.М. (2023) Crater Lake K ipyashchee of Volcan Golovnin Caldera: Geochemistry of Water and Gases, Output of Magmatic Volitatives (Kunashir Island). Vulkanologiya i seismologiya, (1), 3-20. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0203030622700018Набоко С.И. (1958) Об образовании озерной серы на вулкане Головнина. Бюллетень вулканологических станций, 27, 43-50.Kozlov D.N. (2015) Crater lakes of the Kuril Islands. Yuzhno-Sakhalinsk, Sakhalinskii oblastnoi kraevedcheskii muzei; IMGIG DVO RAN, 112 p. (In Russ.)Набоко С.И. (1959) Вулканические эксталяции и продукты их реакций. Тр. Лабор. вулканол. АН СССР, 16, 303 с.Kozlov D.N., Zharkov R.V. (2010) Morphology and genesis of the lakes of Golovnin and Zavaritsky calderal complexes (Kuril Islands). Vestnik DVO RAN, (3), 103-106. (In Russ.)Набоко С.И., Сильченко В.Г. (1957) Образование силикагеля на сольфатарах вулкана Головнина на острове Кунашир. Геохимия, (3), 253-255.Low P.F. (1961) Physical chemistry of clay-water interaction. Advances in Agronomy, 13, 269-327. https://doi.org/10.1016/S0065-2113(08)60962-1Наумов В.Б., Дорофеева В.А., Коваленко В.И. (1997) Магматические летучие и их участие в формировании рудообразующих флюидов. Геология рудн. месторождений, 39(6), 451-460.Malyshev A., Malysheva L. (2022) Sulfur in ore formation. Ore Geol. Rev., 150С, 105199. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2022.105199Фазлуллин С.М., Батоян В.В. (1989) Донные осадки кратерного озера вулкана Головнина (их формирование и геохимия). Вулканология и сейсмология, (2), 44-55.Malyshev A., Malysheva L. (2023) Sulfur melt in Golovnin Caldera, Kunashir Island, Russia. J. Volcanol. Geotherm. Res., 443, 107933. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2023.107933Федорченко В.И. (1962) Основные этапы послекальдерного периода формирования вулкана Головнина (о. Кунашир). Тр. Сахалинского комплексного НИИ, 12, 127-142.Markhinin E.K. (1983) On the state of the volcanoes of Kunashir Island (March 1974 – May 1982). Vulkanologiya i seismologiya, (1), 43-51 (In Russ.)Belousov A., Belousova M., Kozlov D. (2017) Strong hydrothermal eruption 600 BP inside Golovnin Caldera, Kunashir Island, Kurile arc. Geophys. Res. Abstracts, 19, EGU2017-7596.Mora Amador R.A., Rouwet D., Vargas P., Oppenheimer C. (2019) The Extraordinary Sulfur Volcanism of Poás from 1828 to 2018. Poás Volcano. Active Volcanoes of the World (Ed. by F. Tassi, O. Vaselli, R. Mora Amador). Cham, Springer, 45-78. https://doi.org/10.1007/9783-319-02156-0_3de Ronde C.E.J., Chadwick Jr. W.W., Ditchburn R.G., Embley R.W., Tunnicliffe V., Baker E.T., Walker S.L., Ferrini V.L., Merle S.M. (2015) Molten Sulfur Lakes of Intraoceanic Arc Volcanoes. Volcanic Lakes. Advances in Volcanology. (Ed. by D. Rouwet, B. Christenson, F. Tassi, J. Vandemeulebrouck). Berlin; Heidelberg: Springer, 261-288. https://doi.org/10.1007/978-3-642-36833-2_11Naboko S.I. (1958) On the formation of lake sulfur on the Golovnin volcano. Byulletenʼ vulkanologicheskih stancii, 27, 43-50. (In Russ.)Delmelle P., Bernard A. (2015) The Remarkable Chemistry of Sulfur in Hyper-Acid Crater Lakes: A Scientific Tribute to Bokuichiro Takano and Minoru Kusakabe. Volcanic Lakes. Advances in Volcanology (Ed. by D. Rouwet, B. Christenson, F. Tassi, J. Vandemeulebrouck). Berlin; Heidelberg: Springer, 239-259. https://doi.org/10.1007/978-3-642-36833-2_10Naboko S.I. (1959) Volcanic exhalations and products of their reactions. Tr. Labor. vulkanol. AN SSSR, 16, 303 p. (In Russ.)Kalacheva E., Taran Yu., Voloshina E., Inguaggiato S. (2017) Hydrothermal system and acid lakes of Golovnin caldera, Kunashir, Kuril Islands: Geochemistry, solute fluxes and heat output. J. Volcanol. Geotherm. Res., 346, 10-20. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2017.06.001Naboko S.I., Silchenko V.G. (1957) Silica gel formation on solfatars of Golovnin volcano on Kunashir Island. Geohimiya, (3), 253-255. (In Russ.)Low P.F. (1961) Physical chemistry of clay-water interaction. Advances in Agronomy, 13, 269-327. https://doi.org/10.1016/S0065-2113(08)60962-1Naumov V.B., Dorofeeva V.A., Kovalenko V.I. (1997) Magmatic volatile components and their role in the formation of ore-forming fluids. Geol. Rudn. Mestorozhd., 39, 451-460. (In Russ.)Malyshev A., Malysheva L. (2022) Sulfur in ore formation. Ore Geol. Rev., 150С, 105199. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2022.105199Rau H., Kutty T.R.N., Guedes de Carvalho J.R.F. (1973) High temperature saturated vapour pressure of sulphur and the estimation of its critical quantities. J. Chem. Thermodyn., (5), 291-302. https://doi.org/10.1016/S0021-9614(73)80089-8Malyshev A., Malysheva L. (2023) Sulfur melt in Golovnin Caldera, Kunashir Island, Russia. J. Volcanol. Geotherm. Res., 443, 107933. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2023.107933Vinogradov V.I. (1980) The role of the sedimentary cycle in the geochemistry of sulfur isotopes. Moscow, Nauka Publ., 192 p. (In Russ.)Mora Amador R.A., Rouwet D., Vargas P., Oppenheimer C. (2019) The Extraordinary Sulfur Volcanism of Poás from 1828 to 2018. Poás Volcano. Active Volcanoes of the World (Ed. by F. Tassi, O. Vaselli, R. Mora Amador). Cham: Springer, 45-78. https://doi.org/10.1007/978-3-319-02156-0_3Volcanic sulfur deposits and some problems of hydrothermal ore formation (1971) (Ed. by G.M. Vlasov). Moscow, Nauka Publ., 360 p. (In Russ.)Rau H., Kutty T.R.N., Guedes de Carvalho J.R.F. (1973) High temperature saturated vapour pressure of sulphur and the estimation of its critical quantities. J. Chem. Thermodyn., (5), 291-302. https://doi.org/10.1016/S0021-9614(73)80089-8Zharkov R.V. (2014) Thermal springs of the Southern Kuril Islands. Vladivostok, Dalnauka Publ., 378 p. (In Russ.)Zotov A.V. (1967) Modern formation of alunite in Kipyaschee Crater Lake (Golovnin Volcano, Kunashir Island). Dokl. AN SSSR, 174(3), 671-675. (In Russ.)Zotov A.V. (1967) Modern formation of alunite in Kipyaschee Crater Lake (Golovnin Volcano, Kunashir Island). Dokl. AN SSSR, 174(3), 671-675. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.