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

Глава 3. ПИРОКЛАСТИЧЕСКИЕ ОТЛОЖЕНИЯ И ДИНАМИКА ЭКСПЛОЗИВНЫХ ИЗВЕРЖЕНИЙ, СВЯЗАННЫХ С ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСТРУЗИЕЙ КИСЛОЙ МАГМЫ.

Формирование кислых экструзий - один из наиболее распространённых типов островодужного вулканизма. Эксплозии, происходящие на растущих куполах, как правило, сопровождаются образованием разнообразных гравитационных потоков раскалённого пирокластического материала - пирокластических потоков и пирокластических волн, которые представляют большую опасность. В главе приведены результаты изучения отложений и выполнена реконструкция последовательности событий эксплозивных извержений вулкана Безымянный в 1993 и 1997 гг., относящихся к классу сильных извержений (2 VEI). Анализ полученных данных и сравнение с подобными извержениями других вулканов позволил автору предложить механизм эксплозивных извержений, происходящих на длительно формирующихся экструзиях кислого состава (Белоусов и др., 1998; Belousov et al., 2002).

Формирование экструзивного купола "Новый" началось после сильного эксплозивного извержения вулкана Безымянный в 1956 г. и продолжается по настоящее время. Формирование купола на протяжении всей его истории сопровождается умеренными и сильными эксплозивными извержениями.

Извержение вулкана Безымянный в 1993 г.

Динамика и механизм извержения реконструированы автором по данным мониторинга (визуальные наблюдения и сейсмические данные) и пирокластическим отложениям (Белоусов и др.,1998).

Пирокластические отложения извержения представлены тремя основными типами: потоками глыбово-пеплового типа, волнами пепловых облаков пирокластических потоков и тефрой.

Пирокластические потоки, относящиеся к глыбово-пепловому типу, образовали у восточного подножья вулкана сложнопостроенное поле, состоящее из трех ветвей: северной (пройденное расстояние 2 км), центральной (пройденное расстояние 8 км) и южной (пройденное расстояние 4 км). Общий объем пирокластических потоков оценивается в 0,02 км³. Образование трех ветвей было связано с разделением изверженного пирокластического материала в процессе течения по расчленённому подножью вулкана. Каждая ветвь в свою очередь состоит из наложения нескольких порций пирокластических потоков, отложенных последовательно и имеющих свои литологические особенности.

Первая порция пирокластических потоков сложена преимущественно ювенильным материалом (80%). Гистограммы гранулометрического состава одномодальны с максимумом 0,5 - 0,25мм. Коэффициент сортировки Инмана 2,4 фи. Размер крупных обломков на поверхности потока не превышает 1 м. Пирокластические потоки первой серии характеризовались крутыми фронтальными и боковыми границами и большой толщиной (до 10 м). В составе центральной ветви материал первой порции образовал узкий язык, который распространился на расстояние 7 км.

Вторая порция пирокластических потоков содержала значительно меньший процент ювенильного материала - 40%. Значительная примесь окисленного резургентного материала придала характерный малиновый оттенок заполнителю этих потоков. Большая доля резургентного материала объясняет полимодальность гистограмм гранулометрического состава второй порции пирокластических потоков и их плохую сортировку: коэффициент сортировки Инмана 3,2 фи. На поверхности отложений потоков второй порции много крупных глыб относительно плотного, часто окисленного резургентного андезита размером до 5 - 7 м. Толщина отложений потоков второй серии не превышает 1-2 м при ширине до 300 м и длине 8 км.

Характер материала третьей порции пирокластических потоков близок материалу первой порции. Ювенильный материал составляет более 80 %. Коэффициент сортировки Инмана 2,2 фи. Протяженность потоков 5 км.

Объём первой, второй и третьей порций оценивается соответственно в 0,007; 0,01 и 0,003 км³. С учётом процентного содержания резургентного материала общий объём ювенильного материала в пирокластических потоках составляет 0,013 км³.

Отложения пирокластических волн встречены в виде покровов гравийно-песчаного материала толщиной менее 10 см вокруг отложений пирокластических потоков. Особенности распространения, залегания и гранулометрии отложений позволяют классифицировать их как отложения волн пепловых облаков пирокластических потоков.

Тефра извержения 1993 г. представлена тонкозернистыми пеплами, обычными для извержений, сопровождающих рост купола "Новый". Толщина слоя пепла максимальна вокруг отложений пирокластических потоков и не превышает 5-10 см.

Реконструкция динамики извержения 1993 г. Полученные данные позволили автору восстановить процесс извержения. В ходе извержения выделяются два периода, когда уровень вулканического дрожания резко возрастает до 30 дБ, что указывает на значительный расход пирокластического материала из кратера вулкана. Наиболее протяженные (первая и вторая) серии пирокластических потоков были извергнуты в эти периоды (21 октября в 16-20 часов и 23 октября в 0-3 часа). Вероятная высота подьема эруптивного облака для первого периода извержения по спутниковым данным составляла около 13 км. По номограмме С.А.Федотова (1982), расход пирокластики для подъема на такую высоту эруптивной колонны должен составлять 5х10³ т/с. Оценка длительности этой стадии сделана по сейсмическим данным (~3,5 часа). Количество выброшенной пирокластики - 0,04 км³. Несколько меньше было выброшено пирокластики во второй период. Суммарное количество пирокластики не менее 0,05 км³. Отложения второй порции пирокластических потоков сильно обогащены окисленным резургентным материалом, что совместно с данными об изменении морфологии купола, позволяет сделать вывод об обвале части старой постройки купола на этом этапе извержения. Так как резургентный материал составил около 60 % от объёма отложений второй порции (около 0,01 км³), то объём обвалившейся части купола составил около 0,006 км³. Отложения пирокластических потоков последней, третьей порции имеют малый объем и, вероятно, были сформированы во время слабых эксплозий после 3 часов 23 октября. С учётом объёма пирокластических потоков (0,02 км³) общий объём пирокластических продуктов извержения составил около 0,07 км³. На заключительной стадии извержения произошло излияние лавового потока.

Новый генотип: глыбово-пепловые обвально-пирокластические потоки. События 1993 г. подтвердили тенденцию, которая наметилась в 1984 г.: обрушение старых частей купола вулкана Безымянный во время эксплозивных извержений. По данным автора, за последние 20 лет обвалы происходили в ходе многих других извержений вулкана. Наиболее крупный обвал произошёл в 1985 г. (Алидибиров и др. 1988). Разнородный материал обвалов, смешиваясь с пирокластическими потоками, в некоторых случаях составляет более 50% их объёма, что существенно меняет их внешний облик и гранулометрические характеристики. Поверхность таких потоков характеризуется большим количеством разнообразных по цвету, пористости и текстуре обломков андезитов, слагавших ранее купол вулкана и отражающих длительную историю его формирования. Размер обломков может достигать 10 м. Многие из этих обломков имеют относительно низкую вспененность, что характерно для материала куполов. Заполнитель потоков приобретает красноватый оттенок из-за примеси окисленных резургентных обломков, а гистограммы гранулометрического состава становятся полимодальны и по форме приближаются к гистограммам обломочных лавин, имеющих чисто обвальный генезис. В связи с ярко выраженной спецификой, автор предлагает выделять вышеописанную разновидность потоков в отдельный новый генотип - глыбово-пепловые обвально-пирокластические потоки. Эталоном этих отложений предлагается считать отложения второй порции пирокластических потоков извержения 1993 г. Образование аналогичных обвально-пирокластических потоков, хотя и в меньшем объёме, наблюдалось на куполе вулкана Шивелуч, формирование которого началось в 1980 г. и продолжается до настоящего времени (Белоусов и др., 1996) и на куполе вулкана Монтсеррат (неопубликованные данные автора). Эти примеры показывают, что отложения глыбово-пепловых обвально-пирокластических потоков характерны для длительно развивающихся сложнопостроенных куполов, сложенных вязкими лавами кислого состава.

Извержение вулкана Безымянный 8-10 мая 1997 г.

Реконструкция эруптивных событий выполнена автором на основе сопоставления данных визуальных наблюдений, спутниковых снимков, сейсмических данных и результатов изучения отложений. Характер и последовательность событий эксплозивной деятельности предопределялись тем, что перед извержением подводящий канал и жерло вулкана были полностью запечатаны лавой, которая внедрилась туда после предыдущего эксплозивного извержения 1995 г. (Озеров и др, 1996). Под раскристаллизованной пробкой находилась очень вязкая, обогащенная фенокристаллами магма с большим количеством летучих, находящихся под давлением в крупных пузырьках. Магма, находившаяся глубже в канале, была менее раскристаллизована, остаточный расплав был относительно богат летучими и, следовательно, его вязкость была меньше. В процессе извержения последовательно извергалась магма более глубоких частей канала. Это изменение вязкости привело к последовательной смене стиля извержения и характера пирокластических продуктов.

Извержение началось с медленного выжимания затвердевшей лавовой пробки из жерла в верхней части купола. Серия обвалов, вызванная этим внедрением, вызвала декомпрессию сильно кристаллической, почти затвердевшей магмы, заполнявшей верхнюю часть вулканического канала. Это вызвало мощный вертикальный взрыв вулканского типа 9 мая в 13 час 12 мин. Выброшенный взрывом материал коллапсировал с образованием пирокластической волны, распространившейся на юго-восток. Направление движения пирокластической волны фокусировалось крутыми бортами подковообразного кратера 1956 г. Отложения пирокластической волны, толщиной до 30 см, простирались на расстояние 7 км от кратера. Они покрыли область эллиптической формы площадью больше 30 км². Расстояние, которое прошла эта пирокластическая волна сопоставимо с пройденными расстояниями знаменитых, наиболее разрушительных пирокластических волн 20-го века - вулканов Мон-Пеле в 1902 г. и Эль Чичон в 1982 г., и только в 2 раза меньше, чем у вулкана Ламингтон в 1951 г. (рис. 4).

Отложения пирокластической волны (объем 5-15х106 м³) представлены одним массивным слоем гравелистого песка. Ювенильный материал - слабовспененные андезиты (средняя плотность 1,82 г/см³; степень вспенивания 30 объемных %, содержание SiO₂ - 58%). Отложения с расстоянием становятся более мелкообломочными и лучше сортированными; максимальный размер ювенильных обломков уменьшается от 46 до 4 см. Температура пирокластической волны, судя по необугленным растительным остаткам, была около 200^о С. Отложение горячего материала волны на покрытое снегом подножье купола привело к формированию лахаров длиной больше 30 км.

За образованием волны последовало извержение серии глыбово-пепловых пирокластических потоков, длина которых достигла 4,7 км. Компонентный анализ показал, что по сравнению с отложениями волны, пирокластические потоки обогащены резургентным материалом, который составляет 25 - 60 %.

Обогащение резургентным материалом, связано с небольшими обвалами купола во время извержения. Ювенильный материал каждого нового потока в этой серии последовательно становился менее раскристаллизованным, более кислым (содержание SiO₂ увеличилось с 59 до 59,9%) и более вспененным (плотность уменьшилась с 1,64 до 1,12 г/см³, степень вспенивания возросла с 37 до 57 объемных %). Самые последние пирокластические потоки сложены пемзовидным андезитом. Их образование сопровождалось субплинианской колонной высотой до 14 км. Из этой колонны была отложена тефра гравийной размерности с характерной уплощенной формой обломков (содержание SiO₂ 59,7%, плотность 1,09 г/см³; степень вспенивания 58 %). Эксплозивная активность продолжалась 37 минут со средним расходом магмы около 1,2х10⁴м³/с. Было извергнуто около 0,026 км³ андезитовой магмы. Извержение завершилось излиянием лавового потока длиной 200 м.

3.3. Механизм эксплозивного извержения на длительно формирующемся куполе.

Данные мониторинга извержений вулканов с кислым составом магм показывают, что для экструзивных куполов, формирование которых длится десятилетия, характерно многократное чередование относительно спокойных периодов (полный покой или медленное выжимание магмы без эксплозивной деятельности) и активизаций, сопровождающихся эксплозивными извержениями. Примерами таких куполов служат современные купола вулканов Безымянный и Шивелуч (Камчатка) и Монтсеррат (Малые Антильские острова).

Полученные автором данные позволяют предложить следующий механизм извержения этого типа: в активный период роста купола часть поднявшейся из вулканического очага магмы извергается, а часть остаётся в канале вулкана и извергается в начале следующего периода активизации. При таком характере активности начальный этап каждого извержения во многом определяется характеристиками магмы, заполняющей канал вулкана (оставшейся после предыдущего извержения). Характеристики этой магмы зависят от режима остывания и дегазации, который существует в канале, и от времени, прошедшего после предыдущего извержения. При этом в магме, заполняющей канал, возникает вертикальный градиент многих параметров: температуры, степени кристалличности, вязкости, газонасыщенности, величины и характера вспененности и др. В начальный момент извержения эксплозивному разрушению подвергается самая верхняя, наиболее остывшая, закристаллизованная часть магматического тела. Потом в эруптивный процесс последовательно вовлекаются всё более глубокие, более горячие и газонасыщенные порции магмы, заполняющие канал вулкана. При таком извержении вязкость магмы настолько высока, что магматический очаг практически не участвует в процессе извержения, т.е. динамика и механизм начальной стадии извержения определяются только характеристиками приповерхностной порции магмы. Только по мере выброса этой магмы, на последней стадии извержения, участвует <новая> магма, поступающая непосредственно из магматического очага.

Изменение свойств магмы, участвующей в извержении, приводит к существенным изменениям механизма извержения и изменениям характеристик выбрасываемой пирокластики. Так верхняя, относительно остывшая и закристализованная часть магматического тела может подвергаться эксплозивной фрагментации по механизмам <волны дробления>, изученным в работах Алидибирова (1994, 1996, 1999). Внешне это выражается в выбросах вулканского типа. Более глубокие, более горячие и менее вязкие части магматического тела могут извергаться в дисперсионном режиме, изученным Слёзиным (1984, 1998). Внешне это проявляется в субплинианском-плинианском режиме активности.

Вторым важным фактором, влияющим на динамику и механизм извержения, служит гравитационная неустойчивость самого экструзивного купола. Обрушения купола снижают литостатическое давление на магматическую систему вулкана и резко интенсифицируют процесс извержения.