Эксплозивные извержения вулканов Курило-Камчатского региона: механизм, динамика, закономерности образования отложений.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Настоящая работа направлена на решение одной из приоритетных фундаментальных проблем современной геологии - познание процесса вулканизма Земли.

Актуальность исследования определяется необходимостью пpогноза и оценки опасности вулканических извеpжений, потребностью в генетической интерпретации вулканогенных отложений, а также значением палеовулканологических и палеогеографических реконструкций.

Эксплозивные извержения относятся к числу самых pазpушительных природных явлений. Рост населения Земли приводит к постоянному увеличению числа людей, проживающих в потенциально опасных областях современного вулканизма. Для прогноза и оценки степени вулканической опасности необходимо знание закономерностей протекания процессов извержений разных типов и понимание их механизмов. К настоящему времени накоплен достаточно большой объём информации о динамике относительно слабых и распространённых типов эксплозивных извержений. О динамике более сильных (особенно катастрофических извержений), а также об относительно редких типах извержений известно очень мало, хотя такие извержения представляют наибольшую опасность для населения. Сильнейшие из эксплозивных извержений не только чрезвычайно разрушительны, но и оказывают глобальное негативное воздействие на климат Земли.

Эксплозивные извержения поставляют огромное количество пирокластического материала, который встречается во всех обстановках осадконакопления - как древних, так и современных. Вместе с тем генезис многих типов пирокластических отложений остается невыясненным, или о нём имеются только самые общие представления. Практически единственным способом решения проблемы детальной генетической интерпретации пирокластических отложений является сопоставление данных наблюдений процесса извержения с литолого-стратиграфическими характеристиками отложенной пирокластики.

Курило-Камчатский регион, которому посвящена данная работа, является областью проявления активной вулканической деятельности. Это единственный регион России, где возможно наблюдать и изучать современные геологические процессы, формирующие вулканогенные отложения.

Цели и задачи pаботы. Цель работы - познание механизмов вулканических извержений, выяснение закономерностей образования пирокластических отложений.

Для этого решались следующие задачи: (1) Систематизация имеющихся данных о силе, механизмах, динамике и отложениях эксплозивных извержений Курило-Камчатского региона в XX веке; выявление наиболее разрушительных, а также наиболее распространенных типов эксплозивной деятельности с целью определение круга изучаемых типов извержений. (2) Сбор максимально полной визуальной, геологической и геофизической информации о процессе изучаемых извержений. (3) Количественная реконструкция характера и последовательности событий изучаемых извержений. (4) Обобщение полученных данных: выявление общих закономерностей в динамике извержений каждого изучаемого типа, установление его механизма, выработка модели формирования отложений.

Объекты и методы исследования. Основными объектами исследования являлись наиболее активные вулканы Курило-Камчатского региона (Шивелуч, Ключевской, Безымянный, Карымский и кальдера Академии наук, Авачинский, Харимкотан, Чикурачки, Тятя), а также ряд вулканов других районов мира.

Методика исследования включала мониторинг активных вулканов, в ходе которого собиралась разнообразная визуальная, геологическая и геофизическая информация о процессах извержений, и последующий анализ данных, в сочетании с экспедиционными и лабораторными работами, направленными на изучение пирокластики этих извержений. В поле проводилось крупномасштабное каpтиpование отложений с детальным изучением их литолого-стратиграфических характеристик (структура и текстура, последовательность напластования, характер контактов между слоями и др.), а также производился отбор образцов пирокластики для лабораторного исследования. В лаборатории образцы изучались методами гранулометрического анализа (ситовой, лазерный анализатор), использовались сканирующая электронная и оптическая микроскопия, определялся объёмный вес и состав пирокластических частиц. Ключевым элементом применяемой методики являлось сопоставление литолого-стратиграфических характеристик отложений с данными мониторинга извержений, что позволяло устанавливать принадлежность отдельных слоёв пирокластики к конкретным стадиям извержений и с высокой степенью точности определять хронологию их отложения. Такое сопоставление давало возможность достоверно устанавливать процессы образования, транспортировки и отложения пирокластического материала, с большой степенью детальности реконструировать динамику извержений и определять их механизм. Закономерности образования пирокластических отложений, выявленные при изучении современных извержений, проверялись при изучении отложений древних пирокластических накоплений.

Фактический материал и личный вклад автора. Работа написана на основе данных мониторинга извержений, полученных автором за период работы на Камчатской вулканологической станции им. Левинсона-Лессинга (г. Ключи) в 1984 - 1997 гг., и геологических материалов, собранных автором в ходе полевых сезонов 1985 - 2005 гг. на вулканах Курило-Камчатского региона. Часть материалов собрана автором в международных вулканологических экспедициях (вулканы Сент-Хеленс, Мон-Пеле, Монтсеррат, Усу и др.).

Данные мониторинга извержений представлены длительным рядом визуальных наблюдений и разнообразных геофизических данных (сейсмика, акустика, спутниковые данные), полученных автором совместно с сотрудниками Института вулканологии и Института вулканической геологии и геохимии ДВО РАН, а также Камчатской опытно-методической сейсмологической партии Геофизической службы РАН. Для ряда извержений использованы данные наблюдений эруптивного процесса из литературных источников.

Геологические материалы включают обширную авторскую коллекцию образцов вулканокластики (более 2000), многочисленные детальные описания и фотографии разрезов, карты и схемы распространения пирокластических отложений.

Научная новизна pаботы. В работе изложены новые результаты детальных исследований эксплозивного процесса и пирокластических отложений 10 современных извержений Курил и Камчатки, представляющих пять главных типов эксплозивных извержений региона. Одно из изученных извержений (подводное извержение 1996 г. в Карымском озере) уникально как по характеру самого извержения, так и по объёму полученных данных. Автором выполнена количественная реконструкция характера и последовательности событий всех стадий эруптивного процесса изученных извержений, а также установлены способы образования, транспортировки и отложения выброшенной пирокластики. В результате обобщения полученных результатов, и их сравнения с данными о подобных извержениях других районов мира, удалось решить важную научную проблему: выяснить механизм катастрофических направленных взрывов, выделить стандартный разрез отложений направленного взрыва и предложить модель их формирования. Обосновано выделение нового класса эксплозивных извержений: <извержения, спровоцированные крупномасштабными оползнями вулканических построек>. Предложен оригинальный механизм подводных базальтовых извержений в озере Карымское; получены уникальные данные об отложениях волн вулканогенного цунами в озере, и на этой основе открыт эмпирический закон затухания высоты волны <эксплозивного> цунами с удалением от источника. Широкое использование разнообразной геофизической и спутниковой информации в сочетании с геологическими методами, позволило автору выявить ряд новых, ключевых закономерностей эруптивного процесса эксплозивных извержений, сопровождающих формирование кислых экструзий. Открыт феномен высокоэксплозивных плинианских базальтовых извержений стратовулканов с расходом пирокластики до 107 кг/с. Впервые установлено воздействие климатических факторов, таких как количество атмосферных осадков, на механизм извержений моногенных вулканов Камчатки. Выделено 5 новых генотипов пирокластических отложений, детально изучены их литолого-стратиграфические характеристики и предложены модели формирования. Полученные автором результаты открывают возможность новых подходов к оценке опасности эксплозивных извержений, а также выводят на новый уровень генетическую интерпретацию некоторых типов современных пирокластических отложений.

Пpактическая ценность. Результаты работы необходимы для оценки опасности вулканических извержений, при картировании вулканитов, а также при палеовулканологических и палеогеографических реконструкциях.

Публикации и апpобация pаботы. По теме диссеpтации опубликовано 79 работ (1 коллективная монография, 30 статей в отечественных и международных реферируемых научных журналах, 44 тезисов и трудов конференций, 3 научно-популярные статьи в журнале Природа). Часть работы вошла в кандидатскую диссертацию автора, защищённую на геологическом факультете МГУ в 1993 г. Результаты работы использовались на практике при оценке вулканической опасности извержения вулкана Монтсеррат (Антильские острова) в 1997 г.

Основные положения диссеpтации докладывались на многочисленных российских и международных конференциях, симпозиумах и конгрессах, основные из которых следующие: междунаpодный симпозиум по геодинамике глубоководных желобов Тихого океана (Южно-Сахалинск, 1987), междунаpодные вулканологические конфеpенции (Кагосима, 1988; Майнц, 1990; Турция, 1994; Мексика, 1994, 1996, 1998), конференция по крупномасштабным обвалам на вулканах (Лондон, 1994); конгресс по крупномасштабным оползням (Норвегия, 1996), Генеpальные ассамблеи международной ассоциации вулканологии и химии земных недр IAVCEI (Санта-Фе, 1989; Канберра, 1992; Бали, 2000; Чили, 2004), 2-ая pабочая встpеча по исследованию дальнопpобежных лавин Института динамики геосфеp АН СССР и Калифоpнийского технологического института (Москва, 1990), 29-й междунаpодный геологический конгpесс (Киото, 1992), симпозиум в рамках международного проекта "Глобальные изменения климата" (Москва, ИГЕМ, 1992), 1-ая и 2-ая конференции по маарам (Германия, 2000; Венгрия, 2004), международная конференция Американского геофизического союза по эксплозивным подводным извержениям (Новая Зеландия, 2002), международные конференции <Города на вулканах> (Рим, 1995; Гонолулу, 2003; Кито, 2006), 1 - 5-ая Камчатско-Аляскинско-Японские вулканологические конференции (Петропавловск, 1998 и 2004; Саппоро, 2000 и 2006; Фэрбенкс, 2002), конференция по природным опасностям в Тихоокеанском регионе "Pan Pacific Hazard" (Ванкувер, 1996), конференции Европейского союза геонаук (Страсбург, 1997; Ницца, 1998, 2001), конференция <Вулкан Мон Пеле 1902-2002> (Мартиника, 2002), конференции Американского геофизического союза AGU (Сан-Франциско, 1995, 1999, 2005), конференция геологического общества США GSA (Сиэтл, 1994), XXIII Генеральная ассамблея международного союза геологии и геофизики IUGG (Саппоро, 2003), международная конференция <Проблемы сейсмичности - 2005> (Южно-Сахалинск), международная конференция, посвящённая 50-летию извержения вулкана Безымянный (Петропавловск, 2006), международная рабочая встреча по научному бурению вулкана Мутновский (Петропавловск, 2006).

Объем и стpуктуpа pаботы. Диссеpтация состоит из Введения, 7 глав и Заключения, изложенных на стpаницах машинописного текста, включает pисунка, таблицы и список литеpатуpы из наименований.

Благодарности. Данная работа выполнена, в основном, на Камчатке, где автор работает с 1984 г. Большая часть исследований проведена в институте, который переживая сложные перестроечные времена, то делясь, то объединяясь, в разные годы именовался различно, а сейчас называется Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН. Коллективу этого института и его директорам С.А. Федотову, Б.В. Иванову и действующему Е.И. Гордееву автор выражает большую признательность. Наибольшее влияние на формирование автора как вулканолога оказала работа в коллективе Камчатской вулканологической станции им. Левинсона-Лессинга в г. Ключи. Работа на извержениях проходила в тесном сотрудничестве с Лабораторией активного вулканизма, руководимой А.П. Хреновым и Г.Е. Богоявленской. Понимание физической основы механизма извержений автор получил в результате совместной работы с сотрудниками Лаборатории физической вулканологии - Ю.Б. Слёзиным, М.А. Алидибировым, П.П. Фирстовым. С 2004 г. автор работает на Сахалине, в Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН, который, во главе с Б.В. Левиным, оказал поддержку на финальном этапе подготовки дисcертации. Определения радиоуглеродного возраста выполнены Л.Д.Сулержицким и М.М. Певзнер (ГИН РАН). Научным консультантом автора по вопросам генезиса пирокластических отложений на протяжении многих лет является профессор кафедры литологии и морской геологии Геологического факультета МГУ В.Т.Фролов. Отдельная благодарность - моей жене и постоянному соавтору М.Г. Белоусовой, которая помогала на всех этапах данной работы.

Часть материала диссертации была собрана, когда автор работал приглашенным исследователем в Пенсильванском Университете (США), Морском геолого-геофизическом институте GEOMAR (Германия) и Университете Паскаля (Франция) в сотрудничестве с профессорами Барри Войтом, Гансом Шминке и Тимом Друитом.

Базовое финансирование работы осуществлялось за счёт средств Российской академии наук. Отдельные этапы работы поддерживалось грантами Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ), Национального научного фонда США (NSF), Международного научного фонда Сороса (ISF), Фонда гражданских исследований и развития (CRDF), Фонда Александра фон Гумбольдта (Германия), Фонда национального географического общества США.