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

Глава 5. ПИРОКЛАСТИЧЕСКИЕ ОТЛОЖЕНИЯ, ДИНАМИКА И МЕХАНИЗМ ПОДВОДНЫХ ЭКСПЛОЗИВНЫХ ИЗВЕРЖЕНИЙ.

Подводные извержения относятся к наименее изученным проявлениям вулканизма. В настоящее время нет единого мнения о том, как происходят подводные взрывы, какими способами переносится и откладывается образующаяся пирокластика, как проводить оценку их опасности (Малеев 1980; Kokelaar 1983). В тоже время, подводные извержения представляют существенную опасность для судоходства и населения прибрежных районов, и поэтому необходимость их изучения очевидна.

В главе приведены результаты выполненного автором детального изучения пирокластических отложений извержений Суртсейского типа в Карымском кальдерном озере в 1996 г. и 4800 л.н. (Белоусов и др., 1997; Belousov and Belousova, 2001). Полученные данные в совокупности с имеющимися уникальными наблюдениями процесса извержения, позволили автору реконструировать динамику и предложить механизм фрагментации магмы, переноса и отложения пирокластического материала при извержениях основной магмы на мелководье, относящихся к классу сильных извержений (3 VEI)..

Извержение 1996 г. в Карымском озере

Карымское озеро (диаметр 4 км и глубина до 65 м) заполняет кальдеру Академии Наук, которая образована 28000-48000 л.н. (Масуренков, 1980). Современная вулканическая активность в регионе связана, в основном, с Карымским стратовулканом, который расположен в 6 км севернее в Карымской кальдере возрастом 7800 л.н. (Брайцева и Мелекесцев, 1989). Извержение произошло на глубине 40-50 м. Подводные взрывы наблюдались каждые 4-12 мин; во время облета было зафиксировано 6 взрывов со средним интервалом 6 мин (Федотов, 1997). Продолжительность извержения в озере составила 10-20 час. Оценивая средний интервал между подводными взрывами в озере как 6 мин, можно оценить, что в озере произошло 100-200 взрывов.

В результате извержения была образована частично затопленная вулканическая постройка, которую мы называем туфовым кольцом из-за ее морфологического сходства с классическими туфовыми кольцами (Heiken, 1971). Кратер туфового кольца имеет диаметр 650 м, глубину 60 м. Диаметр основания туфового кольца составляет около 1,6 км, высота постройки 40-50 м, объем 0,047 км³.

Отложения 1996 г. включают 4 типа пирокластических отложений: (1) отложения туфового кольца; (2) отложения базисных пирокластических волн; (3) отложения тефры; (4) баллистический материал.

Туфовое кольцо сложено отложениями базисных пирокластических волн особого типа, которые выделены автором в новый генотип - отложения водонасыщенных базисных волн. Отложения представлены пачкой слоёв темно-серого песчанистого гравия базальтового состава. Залегание слоев почти субгоризонтальное. Каждый слой имеет толщину 10-60 см. В слоях наблюдается нормальная или обратная градационная слоистость. Крупные обломки имеют округленную форму.

Гранулометрическое распределение материала отложений туфового кольца, как правило, одномодальное с пиком в области крупно-среднезернистого песка. Для отложений характерно очень небольшое содержание мелкообломочных фракций. Отложения средне- плохосортированы. На диаграмме <гравий / песок / алеврит> можно отметить, что отложения с расстоянием становятся более мелкообломочными. Каждый слой туфового кольца представляет собой отложения одного подводного взрыва. Если общая толщина отложений в ближней зоне 50 м, а средняя толщина одного слоя 25 см, то весь разрез должен включать 200 слоёв - количество взрывов в ходе этого извержения. Количество материала, выброшенного одним взрывом, составляет около 2х10⁵ м³.

Автор предлагает следующий механизм образования туфового кольца: Туфовое кольцо было сформировано многочисленными периодическими потоками гиперконцентрированной водно-пирокластической смеси, которые растекались радиально от кратера. Эти потоки образовывались в основании очень водонасыщенных базисных волн. Гравитационное осаждение пирокластики и капель воды в движущейся водонасыщенной пирокластической волне формирует водно-пирокластический подпоток в его основании, который является системой осаждения для пирокластической волны. Отложение из такого потока похоже на отложение из гиперконцентрированного водного потока. Отложения водонасыщенных волн отличаются очень низким содержанием тонких фракций и не имеют волнистой слоистости, характерной для многих отложений базисных пирокластических волн.

Базисные пирокластические волны заплескивали на северный берег озера (борт кальдеры) с уклоном до 40^o и высотой до 150 м. На пологих участках склона, в 1-1,3 км от жерла, пирокластические волны сильно повредили заросли кустарника. Признаков обугливания древесины кустарника нигде не отмечается, только некоторые ветви приобрели коричневый оттенок. На этом основании, температуру базисной волны можно оценить как < 200^o. Материал базисных волн, отложенный на склоне кальдеры, представлен среднесортированным темно-серым гравелистым песком базальтового состава с большим количеством мелкой фракции. Отложения состоят из переслаивания параллельных слоев толщиной до 35 см. Контакты между слоями чёткие, слои или массивные, или со слабо развитой волнистой слоистостью. Гранулометрический состав отложений обычно одномодальный: мода между 0,25-2 мм, иногда с дополнительным пиком в области мелких фракций < 0,063 мм. Максимальная общая толщина отложений около 1 м, они быстро выклиниваются на крутых склонах и с расстоянием от кратера. Площадь, покрытая отложениями волны, около 0,4 км², и объем - около 10⁵ м³. Характер отложений, их небольшое площадное распространение и относительно слабое механическое и термическое воздействие показывают, что базисные волны подводных взрывов были довольно слабыми, холодными и слабоэрозионными.

Тефра отлагалась к юго-востоку от туфового кольца, где представлена одним массивным слоем, сложенным среднесортированным, средне-крупнозернистым песком с небольшой примесью мелкозернистого песка и гравия. В местах, где отложения базисных волн переходят в отложения пеплопада, тефра достигает максимальной толщины 5 см. Толщина тефры быстро уменьшается с расстоянием, и на южном берегу озера отложения имеют толщину около 1 см. Приблизительный объем тефры около 0,001 км³. Основным источником тефры были конвективно всплывающие облака, образующиеся после остановки пирокластических волн.

Баллистический материал составляет менее 2% от всего объема изверженной пирокластики. Максимальное расстояние, на котором найден этот материал, - 1,3 км от центра кратера. Выделяется 4 типа баллистического материала: (1) бомбы ювенильного базальта (преобладают); (2) блоки гидротермально-измененной брекчии (многочисленны); (3) блоки льда (мало); (4) бомбы переплавленного древнего риолита (очень мало). Больше 90% баллистического материала представлено бомбами ювенильного базальта. Размер базальтовых бомб составляет от 10 до 60 см, очень редко до 1 м. Измерения показали, что размер базальтовых бомб, в целом, уменьшается с расстоянием от кратера. Блоки гидротермально-измененной брекчии составляют меньше 10% баллистического материала. Диаметр блоков до 2-3 м. Самые крупные блоки найдены на наибольшем расстоянии от кратера (до 1,3 км). Блоки были выброшены во время первых взрывов извержения. Найдено также несколько десятков экзотических бомб пемзовидного риолита, заключенных в рубашку ювенильного базальта и/или частично перемешанных с ним, а также блоки озёрного льда, выброшенные по баллистическим траекториям.

Состав материала, выброшенного извержением 1996 г., представлен базальтом (ювенильный материал), риолитом (переплавленные старые породы), гидротермально-изменённой брекчией и другими породами фундамента (резургентный материал). Более 95% изверженного материала является ювенильным известково-щелочным базальтом 52-53% SiO₂. Степень вспенивания базальта составляет 7-63% (среднее значение 34%) (рис. 6). Этот диапазон значительно больше, чем для стромболианских извержений и свидетельствует о закалке магмы в процессе подъёма (прерванное вспенивание).

На снимках частиц ювенильных базальтов песчаной размерности, сделанных на сканирующем электронном микроскопе, видна очень разнообразная форма ювенильных частиц и разная степень их вспенивания. Слабовспененные частицы обычно имеют небольшие (5-90 микрон) сферические газовые пузурьки, изолированные друг от друга толстыми перегородками. Эти частицы имеют блоковую форму и ограничены плоскими поверхностями, секущими пузырьки и имеющими характерные следы сколов, и иногда рассечены тонкими искривленными трещинами.

Характер этих поверхностей указывает на то, что магматический материал был уже затвердевшим во время фрагментации. Сильновспененные частицы имеют много пузырьков разных размеров и неправильной формы, разделенных тонкими перегородками, которые часто прорваны, и пузырьки соединены между собой. В целом, форма таких частиц пемзовидная, связанная, в основном, с процессами вспенивания магмы. Морфология поверхности базальтовых ювенильных частиц 1996г. типична для фреатомагматических базальтовых извержений, в которых фрагментация жидкой магмы происходит в результате сложного наложения процессов вспенивания магмы и взаимодействия вода - магма.

Белый пемзовидный риолит представляет собой древние породы, переплавленные или вспененные в результате контакта с горячей базальтовой магмой. Блоки зеленоватой гидротермально-измененной брекчии преобладают среди резургентного материала извержения и представляют собой тектоническую брекчию ССВ разлома, вдоль которого происходило внедрение питающей дайки извержения.

Цунами: воздействие и отложения. В настоящее время под термином цунами понимается любая волна в любом естественном водоёме, образование которой не связано с метеорологическими факторами. Отложения вулканогенных цунами изучены очень слабо (единичные, краткие упоминания в иностранной литературе). Уникальное извержение в оз. Карымское позволило автору впервые провести детальное изучение таких отложений и выделить новый генотип: отложения цунами от подводных взрывов. Территория, на которую оказало воздействие цунами 1996 г., маркируется сильной эрозией берега, поврежденным водой кустарником и характерными отложениями. Отложения цунами представлены блоками слабосцементированного древнего туфа и отложениями песка. Блоки туфа (размером 0,1-4 м) эродированы, отторгнуты цунами от берегов озера и перенесены волнами от своего источника вглубь суши на расстояние до 60 м. Отложения песка залегают в виде изолированных пятен поперечником до десятков метров и толщиной до 35 см. Песок, с небольшим количеством гальки, остатками растений и кусками почвы, имеет хорошую сортировку. Выделяется до 4 параллельных слоев, толщиной 2-6 см, отложенных прямыми и обратными волнами цунами. Состав и гранулометрические характеристики отложений зависят от материала, перемещенного цунами: в зоне рядом с центром извержения они сложены свежей базальтовой пирокластикой, а дальше от кратера - песком с пляжей, существовавших до извержения.

Характерная полоса разрушений и отложения цунами дали возможность измерить высоту заплеска цунами в 24 точках вокруг озера. Самый высокий заплеск (20-30 м) отмечен на берегу рядом с туфовым кольцом, в 700 м от кратера. Для самых дальних точек высота заплеска составляет 2-3 м. Полученные данные позволили автору впервые установить эмпирический закон затухания высоты волны <эксплозивного> цунами с расстоянием от источника (рис.7)

Для ближней зоны (1,3 км от центра кратера) высота заплеска показывает быстрое затухание с расстоянием и выражается формулой: R= -1,98 log r + 2,6, где r - расстояние от центра кратера. Для дальней зоны (расстояние больше 1,3 км) заплеск затухает медленней, как R= -0,56 log r + 1,9.

Полученный эмпирический закон является очень важным для оценки вулканической опасности от подводных эксплозивных извержений.

Последовательность событий и механизм извержения 1996 г.

Автором предлагается следующий механизм и реконструкция последовательности событий извержения: Предварявший извержение рой землетрясений был связан с внедрением базальтовой дайки шириной около 2,5 м вдоль северо-северо-восточного регионального разлома (Федотов, 1997; Магуськин и др., 1997). Когда дайка приблизилась к земной поверхности, раскрытие эруптивной трещины привело сначала к быстрой декомпрессии вмещающих пород с повышенным поровым давлением (гидротермальный флюид, существующей вдоль разлома гидротермальной системы, подогретый дайкой). Это вызвало взрывную фрагментацию вмещающих пород вдоль раскрывающейся трещины. Обломки вмещающих пород, образованные в результате фрагментации, выносились вверх струей газа, выходящей из раскрывающейся трещины. Сочетание этих событий привело к первым фреатическим взрывам, которые сформировали канал извержения. Свежая магма на этом этапе не извергалась. Обломки породвмещающих пород, вероятно, были вынесены с высокой скоростью с относительно глубокого уровня, так как самые крупные блоки были выброшены на наибольшие расстояния (Штейнберг, 1975; Self et al., 1980). Фреатические взрывы расширили эруптивную трещину, создав канал, через который началось извержение базальтовой магмы.

Основная стадия извержения: суртсейская активность. Извержение магмы, началось вскоре после первого фреатического взрыва, когда газонасыщенная базальтовая магма достигла поверхности под Карымским озером. Извержение состояло из 100-200 взрывов суртсейского типа со средним расходом 10⁶ кг/с, которые происходили со средним интервалом 6 мин. Хотя сила взрывов была различной, они все были однотипны, и ниже раасмтривается модель для одного взрыва.

В промежутках между взрывами кратер туфового кольца был заполнен водой, а жерло извержения забито смесью воды и пирокластики от предыдущего взрыва. Магма находилась в глубине жерла, вероятно, поэтому значительного взаимодействия вода-магма в этот момент не происходило.

Как показывает морфология поверхности и степень вспененности частиц пирокластики этого извержения, фрагментация магмы была вызвана как выделением из неё летучих (вспенивание), так и взаимодействием магмы с водой (Heiken and Wohletz, 1986; Houghton and Wilson, 1989; Zimanowski, 1998). Полученные данные позволяют автору предположить, что во время каждого взрыва процесс фрагментации магмы проходил в 2 стадии. Первая стадия была в основном магматическая: быстрый рост и подъем пузырьков газа частично дробил магму в верхней части канала (что напоминает начальную стадию стромболианского выброса). Вторая стадия - в основном фреатомагматическая. Она начиналась, когда продукты первой стадии выбрасывались вверх в водно-пирокластическую смесь, заполнявшую жерло и кратер. Контакт с водой и резкое охлаждение приводили к дополнительной фрагментации магмы. В результате, форма пирокластических частиц отражает как процессы магматического, так и фреатомагматического дробления.

В начальный момент взрыва образовавшаяся газо-пирокластическая смесь выталкивала воду и водно-пирокластическую смесь, заполняющую кратер. Внешне это выражалось в быстром вспучивании водной поверхности озера. Высота типичного вздутия воды достигала несколько сотен метров над поверхностью озера. Через несколько секунд газо-пирокластическая смесь пробивала верхнюю часть вздутия в виде многочисленных радиальных струй (по Торарpинсону: выброс типа <петушиного хвоста>). Прорыв пирокластики через слой воды образовывал относительно холодный эксплозивный фонтан, имеющий высокое содержание воды и пара, и слишком тяжелый, чтобы образовалось конвективно всплывающее облако извержения. Поэтому эксплозивный фонтан подводного взрыва, после достижения высоты 1 км, начинал оседать к поверхности озера, подобно тому как под действием сил гравитации опускается (коллапсирует) перегруженная эруптивная колонна (Wilson et al., 1980). В результате радиального растекания коллапсирующего материала образовывалась очень водонасыщенная базисная волна, состоящая в основном из капель воды и пирокластики. Автор предлагает называть эту смесь базисной волной с добавлением определения <водонасыщенная> для отличия ее от обычной более сухой газо-пирокластической базисной волны.

В то время как базисная пирокластическая волна распространялась радиально от кратера, в ней возникала вертикальная стратификация под действием гравитационного осаждения пирокластики и капель воды. Это приводило к образованию специфической зоны в основании волны - подпотока (underflow), состоящего из воды, в которой суспендированы частицы пирокластики и пузырьки газа. Осаждение частиц из нижней части волны было похоже на осаждение из гиперконцентрированного водного потока.

Пирокластические волны распространялись радиально от кратера вдоль поверхности туфового кольца, пока не теряли большую часть пирокластики, становились легче окружающего воздуха и начинали всплывать вверх (Belousov et al.,1998).

После каждого взрыва часть выброшенного пирокластического материала падала обратно в кратер и находилась там до тех пор, пока не происходил новый взрыв. Часть пирокластики вовлекалась в процесс многократно, пока окончательно не выбрасывалась из кратера (Houghton and Smith, 1993). Это привело к заметному окатыванию обломков.

Доисторические извержения в оз. Карымское

Изучение почвенно-пирокластического чехла района показало, что извержение 1996г. были третьим эпизодом вулканической активности в кальдере Академии Наук в голоцене (Белоусов и др., 1997). Базальтовая-андезито-базальтовая тефра двух доисторических извержений обнажается вдоль берегов озера, достигая самой большой толщины в его северной части. Эти извержения произошли почти одновременно 4800 л.н.

Отложения первого извержения (4800 л.н.) по своим литолого-стратиграфическим характеристикам сходны с отложениями туфового кольца 1996 г. Видимая толщина отложений до 10 м, и они представлены монотонными, ритмично переслаивающимися, параллельными слоями толщиной 0,3-1 м с нормальной градационной слоистостью. Отложения сложены темно-серым среднесортированным песчанистым гравием и лишены тонкой фракции. Залегание слоёв очень пологое, в разрезах они выглядят горизонтальными. Слои четко выражены и выдержаны по простиранию, эрозионных контактов не найдено.

Гранулометрическое распределение материала отложений обычно одномодальное: от -4 до -2 фи (4-16 мм) с очень небольшим содержанием мелкообломочного материала. В изученных разрезах отложения первого извержения гораздо грубее, чем отложения туфового кольца 1996 г. Обломки ювенильных базальтов составляют до 95% . Степень вспенивания от 9 до 49% (в среднем 28%), и они менее вспененные, чем ювенильные обломки 1996 г. Обломки гравийной размерности в основном неправильной угловатой или полуокатанной формы. Морфология поверхности обломков песчаной размерности идентична отложениям 1996 г., из чего следует, что первое из доисторических извержений имело фреатомагматический характер.

Большая часть изученных отложений откладывалась в подводных условиях. Сходство отложений туфовых колец 4800 л.н. и 1996 г. свидетельствует о сходстве процессов отложения пирокластики и механизмов этих извержений.

Отложения второго извержения (4800 л.н.) не сформировали отдельную постройку, а покрыли чехлом туфовое кольцо, образованное 1-ым извержением. Отложения толщиной около 2 м представлены пирокластикой песчано-гравийной размерности и состоят из темно-серых или зеленоватых косослоистых отложений базисных волн, переслаивающихся с отложениями пеплопадов. В отложениях встречаются блоки андезито-базальта размером до 10 см, находящиеся внутри структур ударного проседания.

Отложения пирокластических волн имеют хорошо развитые дюнные структуры с амплитудой 10-40 см и длиной волны 1-5 м. Как отложения пирокластических волн, так и переслаивающиеся с ними отложения пеплопадов содержат многочисленные аккреционные лапилли размером до 1,5 см. Отложения волн имеют среднюю или плохую сортировку, одномодальное гранулометрическое распределение и гораздо меньше тонкого материала по сравнению с отложениями базисных волн 1996 г. Отложения пеплопадов очень мелкозернистые и хорошо сортированные. Ювенильные обломки характеризуются степенью вспенивания 18-65% ( в среднем 52%). Крупные лапилли имеют неправильную форму и, как правило, угловатые. Морфология частиц пирокластики песчаной размерности схожа с отложениями 1996г. Кровля отложений извержения маркируется 1-метровым слоем крупных шлаковидных бомб.

Характер отложений 2-ого извержения сильно отличается от отложений первого (4800 л.н.) и третьего (1996 г.) извержений в озере Карымское. Хорошо развитые косослоистые отложения базисных волн 2-ого извержения напоминают отложения базисных волн извержения вулкана Таал, где вулканические взрывы происходили в очень мелководной обстановке (Moore et al., 1966; Moore, 1967; Waters and Fisher, 1971). Пирокластические волны 2-ого извержения в озере Карымское были более газонасыщенными и сухими, чем волны 1996 г. Пемзовидные бомбы, выброшенные в конце 2-ого извержения, отмечают переход от фреатомагматического к чисто магматическому извержению.

Полученные автором данные наглядно демонстрируют, какое влияние оказывает даже небольшой слой воды над жерлом на характер базальтового эксплозивного извержения. Если бы извержение 1996 г. происходило в сухой обстановке, то, учитывая величину расхода и газонасыщенность магмы, произошло бы мощное стромболианское или даже субплинианское извержение, по стилю похожее на извержение вулкана Толбачик в 1975-76 гг. (Федотов, 1984) или Михара Яма в Японии 21-22 ноября 1986 г. (Earthquake Research Institute, Tokyo, 1986). Присутствие нескольких десятков метров воды над жерлом коренным образом изменили характер извержения 1996 г. Вместо образования мощной эруптивной колонны облако извержения с высоким содержанием пара, воды и пирокластики периодически коллапсировало обратно в озеро. В этой ситуации более 95% всех пирокластических продуктов извержения было отложено из базисных пирокластических волн, распространявшихся радиально от кратера. Чтобы подчеркнуть их происхождение из коллапса очень водонасыщенного выброса суртсейского типа, автор называет их водонасыщенными базисными волнами и выделяет в особый генотип, который можно рассматривать как конечный член ряда влажных базисных пирокластических волн. Эталоном отложений этого типа волн предлагается считать отложения туфового кольца извержения 1996 г. в оз. Карымское. Предложенный автором механизм извержений в озере Карымское хорошо согласуются с данными об извержениях Суртсейского типа других районов мира, и может быть принят как универсальный.