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

Глава 2. ОТЛОЖЕНИЯ, ДИНАМИКА ЭРУПТИВНОГО ПРОЦЕССА И МЕХАНИЗМ ИЗВЕРЖЕНИЙ ТИПА <НАПРАВЛЕННЫЙ ВЗРЫВ>.

Термин <направленный взрыв> был предложен Горшковым и Богоявленской (1965), которые изучили катастрофическое извержение вулкана Безымянный в 1955 -1956 гг. Это извержение (VEI 5) относится к числу наиболее сильных эксплозивных извержений XX века не только в Курило-Камчатском регионе, но и в мире. Понимание механизма направленных взрывов является очень важным для оценки вулканической опасности, так как, несмотря на сравнительно небольшой объем изверженной магмы (обычно доли кубического километра), область разрушений может достигать площади в сотни квадратных километров. Несмотря на ряд работ, посвящённых этому типу извержений, следующие ключевые вопросы оставались нерешёнными:
- Что служит <зарядом> направленного взрыва, и почему происходит взрыв?
- Что делает направленный взрыв направленным?
- Какой материал откладывается и как?
- Какие диагностические признаки у отложений направленных взрывов?
- Для каких вулканов характерны направленные взрывы?

Для решения этих вопросов автор изучил отложения и провёл сравнительный анализ последовательностей событий извержений вулканов Безымянный (1956 г.), Сент-Хеленс (1980 г.) и Монтсеррат (1997 г.), в ходе которых имели место направленные взрывы. Также было проведено сравнение с другими историческими извержениями с похожей последовательностью эруптивных событий, но без направленных взрывов (Харимкотан 1933 г., Шивелуч 1964 г.). Это позволило выявить ключевые закономерности образования пирокластических отложений этого типа извержений, а также определить механизм направленного взрыва (Белоусов и Белоусова 1995, 1998, 2000; Belousov 1996; Belousov et al. 2002, 2004, 2005).

Направленный вулканический взрыв можно определить как взрыв, происходящий под углом, отличающимся от вертикального, в результате которого формируется <палящая туча> - разрушительная пирокластическая волна с аномально высокой концентрацией частиц. Высокая концентрация проявляется в особом режиме течения такой пирокластической волны и в специфических характеристиках её отложений. Направленность взрыва приводит к резко ассиметричному (по отношению к кратеру) распространению пирокластической волны.

Сравнение последовательностей событий и отложений направленных взрывов вулканов Безымянный, Сент-Хеленс и Монтсеррат показало, что все они были вызваны быстрым снятием литостатического давления с близповерхностных магматических тел (куполов и/или криптокуполов) андезитового или дацитового составов, которые внедрились в постройки вулканов на докульминационной стадии извержений. Снятие давление являлось следствием крупномасштабных оползней вулканической постройки с объемом 0,5 км3 (Безымянный), 2,5 км³ (Сент-Хеленс) и 0.05 км³ (Монтсеррат).

Отложения направленного взрыва

Отложения направленного взрыва выделены автором в особый генотип пирокластических отложений: отложения перегруженных пирокластических волн направленного взрыва. Предложен стандартный стратиграфический разрез отложений направленного взрыва, принятый международным вулканологическим сообществом (рис. 1). Ювенильный материал в отложениях составляет больше 50%, что говорит о преимущественно магматическом характере механизма направленных взрывов. При взрывах происходила фрагментация магмы близповерхностных магматических тел, которые имели большой градиент вязкости, кристалличности и содержания летучих, что определило бимодальное рапределение плотности и вспененности ювенильных обломков. Тесная связь взрывов с обрушениями и эродирующий характер облаков взрывов привели к обогащению их отложений резургентным материалом. Толщина отложений в ближней зоне сильно колеблется, но, в целом, закономерно уменьшается с расстоянием от вулкана. Отложения взрыва в ближней зоне состоят из трех основных слоев, названных А, В и С (снизу вверх) (рис. 1).

Слой А - гравийно-песчаный, толщиной до 1 м, имеет сильно эрозионный контакт с подстилающими отложениями, очень плохо сортирован и содержит многочисленные необугленные фрагменты растений и примесь почвы. Различный характер поверхности, на которую был отложен материал взрывов, существенно влиял на характер отложений слоя А. На вулкане Безымянном почва была мерзлой и покрыта мощным снеговым покровом, поэтому слой А - относительно гомогенный: в нем отсутствует внутренняя слоистость, а примесь почвы распределена равномерно по всей толщине слоя. На вулканах Сент-Хеленс и Монтсеррат слой А более гетерогенный, содержит куски почвы и вытянутые линзы, обогащённые ювенильным материалом. Характеристики слоя А показывают, что его отложение происходило очень быстро в условиях высокоэнергичной турбулентной среды, вероятно, из фронтальной части (<головы>) облака пирокластической волны направленного взрыва (рис 2).

Слой В, слагающий среднюю часть стратиграфической последовательности отложений направленного взрыва, гравийный, толщиной до 1 м, во всех случаях относительно хорошо сортирован, обеднен мелкообломочным материалом и содержит некоторое количество обугленных растительных фрагментов. Литологические параметры слоя В во всех рассматриваемых случаях очень сходны, и, в целом, этот слой является наиболее типичным для отложений направленного взрыва. В этом слое может присутствовать градационная слоистость разных типов. Характеристики слоя показывают, что его отложение происходило в условиях высококонцентрированной, слабо турбулентной или ламинарной среды.

Слой С, образующий верхнюю часть разреза отложений направленного взрыва, представлен плохо сортированным, массивным слоем гравелистого песка толщиной до 2,5 м (в верхней части с слабовыраженной слоистостью), сильно обогащенным мелкооболомочным материалом. Растительные фрагменты очень редки и всегда обуглены. На вулкане Сент-Хеленс верхняя часть слоя С имеет волнистую слоистость, а на вулканах Безымянный и Монтсеррат обычна параллельная слоистость, что связано с воздействием на процесс отложения сильно расчленённого рельефа. Процесс отложения слоя С происходил при полном подавлении турбулентности в основании пирокластической волны направленного взрыва и протекал очень быстро и лавинообразно.

Во всех изученных случаях в глубоких каньонах, расположенных в пределах ближних зон направленных взрывов, выделяются грубообломочные долинные фации, которые связаны с блокировкой высококонцентрированной базальной зоны пирокластической волны поперечными хребтами, а также с конседиментационным стеканием отложений взрыва вниз по склону.

Во всех случаях в дальних зонах отложения взрыва состоят из одного слоя косослоистого, плохосортированного песка с некоторой примесью гравия и фрагментов необугленной древесины. Процесс отложения направленных взрывов в дальних зонах был сходен с процессом отложения обычных, относительно слабых пирокластических волн, когда выпадение частиц происходит в сильно турбулентных суспензиях с низкой концентрацией частиц, и перед окончательной остановкой они некоторое время транспортируются вдоль поверхности перекатыванием и сальтацией (traction sedimentation).

Большое сходство между рассматриваемыми тремя извержениями и их отложениями позволяет предположить, что во всех этих случаях мы имеем дело с одним и тем же природным явлением - вулканическим направленным взрывом, который образовал пирокластическую волну с аномально высокой концентрацией частиц.

Механизм направленных взрывов.

Последовательности событий, воздействия и отложения направленных взрывов на Безымянном, Сент-Хеленсе и Монтсеррате имеют большое сходство. Во всех трёх случаях мы имеем дело со специфическим типом вулканического извержения (из-за комплексности явления лучше назвать его эруптивным сценарием) - <тип Безымянногo> (Горшков, 1959; Seibert, 1987). Основным элементом извержения этого типа являются крупномасштабный оползень и немедленно следующий за ним направленный взрыв. В 20-ом веке произошло, по крайней мере, три таких события. Это означает, что извержения <типа Безымянного> не являются исключительно редкими, а представляют собой довольно распространенное природное явление. Полученные автором данные показывают, что для того чтобы оползень вызвал направленный взрыв необходимо 2 основных условия:

1. Внутри постройки вулкана должен существовать <заряд> взрыва: магматическое тело с определёнными параметрами магмы. Имеющиеся данные показывают, что это должна быть вязкая, частично закристаллизованная магма, содержащая газовые пузырьки с достаточно большим избыточным давлением.

2. Оползень постройки должен вызвать резкую декомпрессию магматического тела. Имеющиеся данные показывают, что необходимая степень декомпресии достигается, когда плоскость отрыва оползня или пересекает магматическое тело или проходит ненамного выше его кровли (рис. 3).

В 20-ом веке такое развитие событий имело место в трех случаях, в то время как во время двух других обрушений (Харимкотан в 1933 г. и Шивелуч в 1964 г.) направленных взрывов не произошло. Можно грубо оценить количество направленных взрывов как равное или несколько меньшее, чем 50% от количества крупномасштабных обрушений на стратовулканах и куполах. Обрушения вулканов, в большинстве случаев, провоцируются внедрением магмы в постройку, так как такое внедрение имеет огромный дестабилизирующий эффект. Поэтому, глубина магматического тела в момент обрушения зависит от степени изначальной (до извержения) гравитационной неустойчивости постройки вулкана. Гравитационная устойчивость определяется формой постройки вулкана и прочностными свойствами слагающих пород.

Для реализации сценария извержения <типа Безымянного> (направленного взрыва) у вулкана перед извержением должна существовать некоторая промежуточная степень гравитационной неустойчивости. Если вулканическая постройка очень неустойчива, первые слабые деформации и другие возмущения, связанные с поднимающейся магмой, спровоцируют обрушение слишком рано - когда магма будет еще находиться слишком глубоко. Такая ситуация часто имела место при многократных обрушениях вулканов Шивелуч и Харимкотан: за обрушениями постройки непосредственно следовали только слабые фреатические выбросы - результат декомпрессии небольших приповерхностных гидротермальных систем вулканов. После фреатических выбросов магме требовалось время, чтобы достигнуть поверхности, и поэтому она начинала извергаться с некоторой задержкой (для Шивелуча в 1964 г. задержка составила около 7 минут) в форме плинианских извержений с образованием пирокластических потоков (Belousov, 1996). Направленный взрыв в этом случае не происходит. Автор предлагает такой сценарий выделить в особый тип извержений - <тип Шивелуча>, так как он повторялся по крайней мере 7 раз в голоценовой истории вулкана (Belousov et al. 1999).