Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский

Изменения высоты действующего вулкана карымский (камчатка) в период 1971-2007 гг.

В.И. Андреев, М.А. Магуськин

2008

Основное содержание исследования

Систематические измерения высоты кромки вершинного кратера действующего вулкана Карымский показали, что во время его последнего извержения, продолжающегося с небольшими перерывами с 01.01.1996 г. до настоящего времени (октябрь 2007 г.), вариации этого параметра были более значительны по сравнению с прошлыми извержениями. Периодическое увеличение высоты вулкана Карымский было обусловлено эксплозиями рыхлого пирокластического материала, большая часть которого выпадала на его конус. Повышенная сейсмичность Карымского вулкана усиливала обвально-оползневые склоновые процессы, вследствие чего на кромке кратера периодически формировалась сравнительно плоская площадка и в течение отдельных не продолжительных периодов увеличение высоты вулканического конуса происходило дискретно и быстрее. Периодическое уменьшение высоты Карымского вулкана происходит в связи с уплотнением пирокластического материала и, в гораздо большей степени, после сильных эксплозий, вызывающих расширение кратера за счет сноса его привершинного обрамления, а также в связи с просадками магматической колонны, обусловленными частичным опустошением периферического магматического очага, что вызывает увеличение крутизны внутренних склонов кратера, и, как следствие, обрушение и уменьшение высоты конуса. Эти явления, в общих чертах, аналогичны процессам кратеро - и кальдерообразования, описанным ранее предыдущими исследователями на других вулканах Мира.

вулкан карымский сейсмичность камчатка

Введение

Объем вулканической постройки является обязательным главным параметром, характеризующим любой вулкан. Постройка вулкана Карымский представляет собой сложенный преимущественно рыхлым материалом типичный вулканический конус со срезанной вершиной и углами склонов от 30 до 35⁰ [3]. Объем конуса прямо связан с его высотой. Как показано предыдущими исследователями, отложение материала во время продолжительной эксплозивной деятельности Карымского вулкана, например, за время нескольких предыдущих извержений в 1977-1988 гг. вызвало увеличение высоты конуса и соответственно его диаметра на разных уровнях при сохранении почти неизменного угла естественного откоса [15].

При извержениях объем вулканической постройки обычно увеличивается, хотя для крупных вулканов, таких, как Плоский Толбачик или Ключевской, объем материала одного, даже крупного извержения несоизмеримо мал в сравнении с объемом вулканической постройки. Например, объем постройки Ключевского вулкана более 250 км³, а объем вулканитов отдельных извержений этого вулкана за период детальных исследований варьировал от 0.01 до 1.6 км³ [17]. В этом отношении Карымский вулкан отличается от выше названных гигантских вулканов небольшим объемом - 0.8 км³ [7], соизмеримым с объемом нескольких средних, по количеству изверженного материала, извержений. Так, в работе [7] приведены данные, согласно которым всего за несколько лет (1962-1965 гг.) этим вулканом было извергнуто 0.32 км³. В работе [8] приведен такой же объем конуса Карымского вулкана - 0.8 км³, что и в [7], хотя в период между написанием указанных работ произошло несколько извержений этого вулкана [16]. Объемы лавовых потоков во время извержения Карымского вулкана в период 1970-1980 гг. определялись современными инструментальными методами и составили 0.122 км³ [10]. Следует учесть, что большинство известных вулканологов, начиная с В.И. Влодавца [3], для Карымского вулкана отмечают преимущественно вулканский, реже - стромболианский тип извержений с индексом эксплозивности не менее 80 %, откуда суммарный объем извергнутого за период 1970-1980 гг. материала сопоставим с объемом конуса вулкана (0.122 + 0.488 = 0.610 км³)

ИЗМЕНЕНИЯ ВЫСОТЫ КОНУСА ВУЛКАНА КАРЫМСКИЙ В 1996-2007 ГГ. И ВИЗУАЛЬНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ЕГО ИЗВЕРЖЕНИЯ В 2005-2007 ГГ.

Систематические периодические измерения высоты конуса вулкана производятся с точки 9, расположенной в 3.6 км к юго-востоку от вершины вулкана, около стационарной полевой базы вулканологов (рис.1 а)

Рис.1. а - схема наблюдений за изменением кромки кратера вулкана Карымский с точки 9: 1 - граница кальдеры; б - вид на конус вулкана Карымский с точки 9. Фото К.М. Магуськина.

При этом горизонтальный биссектор теодолита наводится на самое высокое, проектируемое на горизонте, место вершины кратера и оно не всегда определяет максимальную высоту конуса, так как северо-западная часть края кратера не видна с точки 9 (рис.1 б). Тем не менее, место визирования - наведения трубы теодолита в 1971-2006 гг. было примерно одинаковым и представляло собой кромку юго-восточной части кратера. Горизонтальное отклонение наивысшей точки кратера, видимой с точки наблюдения 9, не превышало первых десятков метров, что практически не влияло на измеряемую с расстояния в 3.6 км высоту вулканического конуса. Применялся теодолит 2-х секундной точности, зенитное расстояние измерялось тремя приемами, расстояние до места наведения теодолита считалось постоянным (3.6 км). При этих условиях погрешность определения "высшей" отметки, с учетом влияния рефракционных неоднородностей, составляет не более 20 см.

При исследовании предыдущих извержений вулкана Карымский была отмечена общая тенденция увеличения его высоты со скоростью до 10 м в год при активном извержении и уменьшении этого параметра до 2 м в год в состоянии покоя [15]. Во время последнего извержения вариации высоты были значительно больше (табл., рис.2). В ряде случаев, особенно в начале извержения, изменение высоты было связано с интенсивными эксплозиями, частично разрушающими конус [12], и тогда общая тенденция, отмеченная предыдущими исследователями, нарушалась.

В первые 10 месяцев с момента извержения, начавшегося 02.01.1996 г., высота вулкана уменьшилась на 11.3 м и оставалась примерно на том же уровне в течение 1.5 лет, несмотря на постоянные выбросы пирокластики, большая часть которой выпадала на конус. С 28.05.98 г. по 13.10.1998 г., всего за 3.5 месяца высота вулкана увеличилась на 10.3 м. На 30.04.1999 г. было зафиксировано увеличение высоты вулкана еще на 5.4 м.

По визуальным наблюдениям и сейсмической активности выделяются два эруптивных цикла извержения Карымского вулкана. Первый эруптивный цикл, начавшийся с момента извержения 02.01.96 г., продолжался до середины 2000 г. Этот цикл характеризовался высокой сейсмической активностью - до 600, иногда больше эксплозий в сутки [18]. В конце первого эруптивного цикла - с середины 1999 г. до начала 2000 г. высота уменьшилась на 9.7 м. Затем, в перерыве между эруптивными циклами, с середины 2000 г. до конца 2001 г. на вулкане происходила лишь слабая фумарольная деятельность, с редкими незначительными выбросами пепла, и его высота почти не изменялась. Второй эруптивный цикл, начавшийся 10.05.2002 г., сопровождался активизацией извержения. При этом было зафиксировано сравнительно быстрое увеличение высоты - почти на 12 м за полгода и далее 14.09.2002 г. - продолжение увеличения высоты, затем 17.04.2003 г. и 12.08.2003 г. снова наблюдалось снижение, сменившееся с 11.09.2003 г. стабильным состоянием с незначительным повышением. Через полгода, 14.04.2004 г. зафиксировано понижение на 1.6 м при продолжающемся извержении, 17.10.2004 г. установлено дальнейшее понижение еще на 2.2 м. С 20 апреля по 5 мая 2005 г. продолжалось медленное понижение высшей отметки конуса Карымского вулкана. С мая по октябрь 2005 г. высота вулкана вновь увеличилась на 5 м, а в апреле 2007 г. его высота уменьшилась более чем на 10 м (табл, рис.2).

Результаты определения отметки кромки кратера вулкана Карымский по наблюдениям с точки 9

Примечание. Место расположения точки 9 показано на рис.1 а. С начала ХХ в. высота конуса Карымского вулкана предположительно возросла ~ на 300 м [15]. В 1971-1995 гг. условная отметка точки 9 принята равной 607.25 м. В 1996-2003 гг. ее отметка равна 607.34 м. Условная отметка повысилась на 9 см после сильного (М=6.9) землетрясения 31.12.1995 г. в Карымском вулканическом центре и последовавших за ним одновременного извержения вулкана Карымский, которое началось 01.01.1996 г., и в кальдере Академии Наук 02-03.01.1996 г. Высота установки теодолита на точке 9 равна 0.22 м, визирование выполнено на видимый срез вершины вулкана, следовательно, высота визирования равна нулю; горизонтальное расстояние до вершины вулкана принято равным 3520 м; поправка за кривизну Земли и рефракцию в измеренное превышение равно +0.84 м. Следует подчеркнуть, что с точки 9 не всегда видна наивысшая точка вершины вулкана.

Стабильное состояние высоты конуса вулкана сопровождалось периодическим извержением пирокластики - пепла и бомб. Так, в октябре 2004 г. за 6 дней наблюдений у южного подножья конуса на высотной отметке 850 м выпало 2 г/см² пепла. Бомбы размером до 1.5 м, редко - больше, в среднем в пределах 0.3 м периодически (во время наблюдения несколько раз в сутки) выбрасывались на расстояние до 1 км от центра извержения. При этом наблюдалась умеренная фумарольная деятельность - периодическое, с интервалом в 3-15 мин, выделение светлого вулканического газа, иногда сопровождаемое продолжительным "реактивным гулом". В таком режиме вулкан работал большую часть времени наблюдений (апрель-май 2005 г). Иногда наблюдались выбросы пепла и вулканических бомб, взлетающих над кратером на высоту порядка 200 м, редко - выше.

Во время полевых наблюдений, проводившихся в апреле, июле, октябре 2005 г., извержение Карымского вулкана сопровождалось умеренной фумарольной деятельностью с эксплозиями незначительных количеств пепла, в большинстве случаев поднимавшихся на высоту не более 300 м над кромкой кратера. В темное время суток над кратером временами наблюдалось слабое свечение. Сравнительно редко, с интервалом порядка 3 и более часов, происходили более сильные эксплозии с выбросами пепла и бомб. Начальная скорость таких эксплозий достигала 100 м/сек, а высота выбросов над кромкой кратера превышала 1 км. Интервал между моментом начала подобных эксплозий и падением крупных бомб составлял иногда не менее 10 сек, откуда, по известной формуле H = gt²/2, можно было оценить высоту выброса H м, составляющую при вышеуказанных параметрах 125 м (g - ускорение свободного падения = 9.8 м/сек, t - время падения бомб = 5 сек).

Рис.2. а - график изменения высоты конуса вулкана Карымский в 1971-2007 гг.; б - активность вулкана: I - фазы покоя, II - фазы эксплозивного извержения, III - фазы эффузивно-эксплозивного извержения; в - ежесуточное число взрывных землетрясений (тип N₄ по [14]) и по данным Камчатского филиала Геофизической службы РАН.

Одна из наиболее мощных эксплозий была зафиксирована автоматической сейсмостанцией в начале апреля 2005 г. и материал ее обнаружен при полевых работах. Пирокластика, выброшенная эксплозией на юго-запад, достигла края кальдеры вулкана на расстоянии в 1.5 км от кратера. Мощность отложений у края кальдеры на высоте 800-1000 м не превышала 2 м. Отложения этой эксплозии покрыли сектор склона в плане, представляющий собой треугольник площадью ~ 100000 м² с вершиной у кромки кратера. При средней мощности отложений порядка 1 м объем извергнутой пирокластики составил около 100000 м³, что согласуется с данными авторов и предыдущих исследователей о количественных оценках отдельных эксплозий Карымского вулкана [1,7].

В июле-октябре 2005 г. от вулкана почти постоянно слышался гул, подобный шуму реактивного двигателя, что было обусловлено сверхзвуковой скоростью истечения газа из кратера. В конце сентября в кратере на фоне заметной просадки был обнаружен купол (рис.3). На снимке видны три концентрические просадки, соответствующие трем стадиям последовательного опускания прикратерной зоны. В середине октября купол увеличился, прижерловая область приподнялась, и просадки стали почти незаметны. В конце октября купол стал разрушаться, в нем появились трещины и обособились отдельные блоки (рис 4).

В конце декабря 2005 г. материал купола в кратере Карымского вулкана был выброшен мощными эксплозиями и купол исчез. Следует отметить, что купол, объем которого по нашим оценкам к концу октября 2005 г. составлял порядка 4 х 10⁶ м³, не возвышался над кратером и не был виден с точки наблюдения 9.

В июле 2006 г. в 3.6 км южнее кратера вулкана Карымский, вблизи точки наблюдения 9, была зафиксирована необычно большая мощность отложений пепла - до 5 см, что, по нашим наблюдениям, было сопоставимо с величиной этого параметра в 1996 г. и превышало на порядок обычную мощность этих отложений в 1997-2005 гг. На склонах вулкана, обращенных к югу, наблюдались многочисленные пирокластические потоки, мощностью в первые метры, спускавшиеся до высотных отметок 900 - 850 м.

Рис 3. Купол в кратере вулкана Карымский 25.09.2005 г. На снимке видны три последовательно возникшие просадки. Фото М.Е. Зеленского.

Рис.4. Купол в кратере вулкана Карымский почти сравнявшийся с кромками кратера 28.10.2005 г. Фото А.Ю. Озерова.

В апреле 2007 г. режим извержения Карымского вулкана характеризовался редкими мощными эксплозиями, происходившими с интервалами от нескольких часов до нескольких суток. В сентябре 2007 г. сравнительно редкие, с интервалом в несколько часов, мощные эксплозии, выбрасывающие вулканические бомбы на расстояние до 1.6 км от кратера, чередовались с периодами длительного, продолжавшегося иногда до одного часа, спокойными бесшумными извержениями пепла.

На снимке вершины Карымского вулкана, сделанном 28.09.2007 г. (рис.5.), видны неровные острые кромки сравнительно глубокого кратера, свидетельствующие о продолжении активного обрушения.

Обсуждение результатов

При общей тенденции к увеличению высоты вулкана представляют интерес заметные вариации этой величины. По данным предыдущих исследователей [2, 3, 7, 16] и нашим наблюдениям тип извержения Карымского вулкана соответствует вулканскому или вулкано-стромболианскому с индексом

Рис.5. Кратер Карымского вулкана 28.09.2007 г. Видно активное обрушение. Фото А.Ю. Озерова эксплозивности Е ~ 80 %, то есть вулкан извергает преимущественно пирокластику, большая часть которой выпадает на конус вулкана и наращивает его. Таким образом, главная причина увеличения высоты вулкана при извержении такого типа совпадает по инструментальным наблюдениям с представлениями предыдущих исследователей [15].

Ранее предполагалось, что факторы, приводящие к уменьшению высоты вулкана, сводятся к уплотнению вулканогенных пород под действием их собственного веса и вышележащей нагрузки [15]. Представленные данные позволяют существенно дополнить приведенные факты и их интерпретацию.

Одна из предпосылок возможного уплотнения вулканических пород - соотношение объемного и удельного веса. Объемный вес (отношение веса твердой, жидкой и газообразных фаз вещества к его объему) может быть меньше удельного веса вещества (отношения его твердой фазы к ее объему) [4]. Объемный вес рыхлых отложений последнего извержения Карымского вулкана, начавшегося в 1996 г., по нашим определениям составляет около 1 г/см³. Удельный вес этих пород составляет 2.5 г/см³, что предопределяет возможность значительного уплотнения таких пород [1].

Конус Карымского вулкана достраивается преимущественно рыхлым материалом, а лава, доля которой в продуктах извержения не превышает 20 %, скапливается у подножья конуса. При обычном режиме чередования периодов извержений и покоя скорость уплотнения и, соответственно, уменьшения высоты вулкана находится в пределах 2 м в год [15].

Значительное уменьшение высоты вулкана Карымский после начала извержения его 1 января 1996 г. до мая 1998 г. и с весны до осени 2003 г., вероятно, имеет и другую причину. Общее погружение площади, включающей вулкан Карымский, со скоростью в пределах первых см в год зарегистрированно в период 1972-1993 гг. [10]. Возможно, одновременное извержение в кальдере Академии Наук, произошедшее 02.01.1996 г., значительно активизировало это погружение. Рассмотрим причины интенсивных уменьшений высоты вулканов на примерах некоторых изученных действующих вулканов мира.

За 50 лет форма кратера действующего вулкана Везувий неоднократно изменялась, особенно, после извержений. При общей тенденции к увеличению высоты вулкана аккумуляция чередовалась с деструкцией, вследствие взрывов и просадок [9,13]. На вершине древнего вулкана Катмаи крупный провал сопутствовал катастрофическому извержению в расположенном на расстоянии 10 км кратере Новорупта в 1912 г. [19]. В кратере вулкана Плоский Толбачик проседание последовало в 1975 г. после извержения Новых Толбачинских вулканов, начавшегося в 18 км от провала [6]. Образование провалов продолжалось на Плоском Толбачике и на Катмаи в течение нескольких лет после окончания извержений. На Катмаи и Плоском Толбачике центры извержений и места провалов территориально разобщены, и потому изменения, происходящие в провалах, были достаточно хорошо видны. Провалы и просадки могут происходить и одновременно с извержением. Расширение и углубление кратеров может происходить как во время, так и после извержения. Так, расширение и обвалы стенок кратера вулкана Везувий представляют собой мелкомасштабную копию процесса образования кальдер обрушения [9, 13].

Существенный фактор, сравнительно быстро изменяющий высоту вулкана - повышенная сейсмичность его постройки. Действие этого фактора может проявляться при общем усилении сейсмичности, что имело место в преддверии и в начале извержения Карымского вулкана в 1996 г. [5]. Повышенная локальная сейсмичность постройки была связана с мощными вулканическими эксплозиями, происходившими в начале извержения и в период с апреля 1999 г. до начала 2000 г. [18]. Во время этого периода интервалы между взрывами и, соответственно, их мощность возрастали. Результатом усиления сейсмичности, а также мощности взрывов было уменьшение углов склона вулканического конуса, выполаживание его вершины и уменьшение высоты. При продолжающемся извержении эксплозивного материала, сопровождающимся периодическим воздействием сейсмичности, в продолжении определенных стадий увеличение высоты конуса происходит быстрее, так как рыхлый материал ложится не на сравнительно узкую кромку кратера, а на выположенную, как бы подготовленную, площадку.

Профили вулканических конусов определяются углом естественного откоса, зависящего от типа материала, слагающего конус. В общем случае крутизна склона, сложенного не спекшимся рыхлым вулканогенным материалом, преимущественно шлаком и пеплом, может составлять 30-35⁰ [3, 11].

Повышенная сейсмичность постройки вулкана и сильные эксплозии усиливают склоновые экзогенные процессы - обвалы, оползни, осыпи, особенно, если cклоны сложены преимущественно рыхлым материалом. В результате склоновых процессов и эксплозий часть материала попадает в кратер и способствует закупориванию жерла вулкана. При увеличении вязкости магмы, происходящем в процессе извержения [16], в кратере вулкана может сформироваться купол, подобный описанным предыдущими исследованиями на заключительных стадиях прошлых извержений [7,16]. Выделяющиеся вулканические газы вызывают метасоматическое преобразование вмещающих пород, особенно рыхлых. Это приводит к закупорке трещин, каналов выхода газа и усиливает герметизацию "пробки", закрывающей канал вулкана. При активной вулканической деятельности, сопровождающейся постоянной продувкой и "прочисткой" жерла вулкана, образование такой пробки затруднено. Плавное ослабление вулканической деятельности, сопровождающееся умеренным выделением вулканического газа, обусловливает закупорку вулканического канала, что повышает давление под пробкой и вызывает сравнительно сильные эксплозии. Очевидно, подобная эксплозия образовала пирокластический поток в апреле 2005 г. Эксплозивная деятельность Карымского вулкана весной 2005 г. характеризовалась слабыми прерывистыми газовыми выбросами, иногда с небольшим количеством пепла. Сравнительно редко, не чаще одного раза в сутки, происходили многократно более мощные эксплозии, сопровождающиеся ударными волнами, ощутимыми в помещении обсерватории в 3.5 км от кратера вулкана и разлетом вулканических бомб на расстояние в 1.5 км. Одна из таких эксплозий, произошедшая в апреле (по данным КФ ГС РАН в начале апреля 2005 г.), была направлена на юго-запад и сформировала глыбово-пепловый поток объемом ~ 100000 м³. Отложения пирокластики достигли края кальдеры на расстоянии 1.5 км от кратера. Таким образом, при ослаблении вулканической активности ожидаемая площадь опасной области вокруг вулкана может значительно увеличиться, что безусловно имеет прямое отношение к оценке опасности вулкана при видимом ослаблении и даже затухании его деятельности.

Следует отметить, что различить просадки на конусе вулкана, сложенном рыхлым материалом, к тому же активно извергающемся, сложнее, чем на некоторых вышеназванных аналогах. Быстрому закрытию дислокаций в конусе вулкана, сопровождающих его просадки, способствуют также обильные атмосферные осадки (на конусе Карымского вулкана 2/3 года в виде снега), общее количество которых на действующих вулканах может значительно превышать среднюю норму [11].

Крупные опускания, компенсирующие появление значительного количества изверженного материала, известны [3, 9, 13]. Обычно опускания или обрушения с одной стороны и извержения с другой, разобщены во времени и в пространстве, характеризуются большими объемами, и взаимосвязь этих грандиозных явлений очевидна. На примере почти постоянно извергающегося Карымского вулкана опускания, периодически проявляющиеся преимущественно в кратерной зоне, не столь хорошо заметны, хотя по объему и геологическому эффекту сопоставимы с количеством изверженного материала. Карымский вулкан в этом отношении не является исключением. В работе [15] приведены данные о заметном, на 142 м уменьшении высоты Ключевского вулкана всего за несколько последних десятилетий (1950-1975 гг.). Мы полагаем, что, кроме уплотнения пород [15], причиной уменьшения высоты конуса Ключевского вулкана могли быть процессы обрушения, связанные с провалом магматической колонны, сходные с описанными в ряде работ предшествующих исследователей [3,13].

Следует отметить, что Карымский и Ключевской вулканы сложены преимущественно рыхлым не спекшимся пирокластическим материалом. В сложении построек этих вулканов, особенно Ключевского, имеется заметное количество захороненного снега, превращающегося последовательно в фирн и лед. При сравнительно быстром наращивании вулканических конусов в процессе извержений, попавший на некоторую глубину захороненный лед подвергается частичному плавлению. Перечисленные факторы могут предопределять относительно спокойное обрушение вулканических конусов. В этой связи показательно спокойное, без эксплозий, обрушение в конце 2007 г. шлако-лавового конуса, возникшего в кратере Ключевского вулкана в начале того же года во время его извержения (устное сообщение А.Ю. Озерова).

Выводы

1. Во время извержения Карымского вулкана, начавшегося 01.01.1996 г. и продолжающегося до настоящего времени (по состоянию на осень 2007 г), вариации изменения высоты его конуса достигали 25 метров.

2. Увеличение высоты вулкана обусловлено извержением пирокластического материала, значительная часть которого выпадает на его конус.

3. Установленное нами уменьшение высоты вулкана, кроме уплотнения вулканогенного материала, может быть связано с частичным опустошением некоторого объема магматического расплава, находящегося под вулканом Карымский на глубине 4-5 км [5].

Список литературы