Дипломная работа: Сейсмичность Ключевского вулкана как отражение его современной магматической деятельности
В статье изложены результаты исследования сейсмичности Ключевского вулкана в зависимости от его состояния за период с марта 1987 г. по 1996 г. включительно. Использованы данные нового, созданного авторами, машиночитаемого каталога землетрясений района Северной группы вулканов, содержащего сведения о землетрясениях с глубиной очага менее 40 км. Для локализации землетрясений применялся местный годограф сейсмических волн. Анализ данных имеющегося в настоящее длинного временного ряда сейсмологических наблюдений (1978-1996 гг.) позволяет уточнить и дополнить сведения о магматической деятельности Ключевского вулкана в пределах земной коры. В земной коре под вулканом выделены четыре горизонта с различным уровнем и характером сейсмичности -4-5 км; 5-12 км; 12-20 км; 20-40 км В первых трех горизонтах происходят, главным образом, вулкано-тектонические землетрясения, возникающие в твердой среде под действием непрерывно меняющегося поля напряжений, создаваемого вокруг магматических каналов, очагов, систем даек и силлов, внедряющихся в вулканическую постройку. В нижних горизонтах земной коры и переходном от коры к мантии слое (интервал глубин 20-40 км) выявлена зона с аномальными физическими свойствами, в которой генерируется множество глубоких длиннопериодных землетрясений. Предполагается, что природа этих землетрясений связана с процессами, происходящими в магме.
Введение
 |
| Рис.1 |
Предыдущими исследованиями [8,9,14,26,29] было показано, что сейсмичность Ключевского вулкана, связанная с его магматической деятельностью в последние десятилетия (1977 - 1987 гг.), сосредоточена в Центральной сейсмоактивной области. Эта область представляет собой зону трещиноватости, круто уходящую вниз от дневной поверхности до переходного от коры к мантии слоя до глубин не менее 20 - 30 км, отождествляемую с питающей магматической системой. Диаметр зоны в наиболее широкой части около 20 км, центр ее несколько смещен относительно кратера на северо-восток (рис.1, А,Б). Предполагалось, что все происходящие в этой зоне землетрясения возникают в упругой среде при изменении в ней поля напряжений [26]. Внутри зоны не было обнаружено значительных асейсмичных областей диаметром более 3 км, которые могли бы свидетельствовать о наличии крупных магматических тел в земной коре под вулканом. В ряде случаев отмечалась миграция очагов землетрясений с глубин ~ 25 км до дневной поверхности перед усилениями активности центрального кратера или побочными извержениями, что свидетельствует о существовании в земной коре под вулканом непрерывного магмоподводящего канала (или системы каналов).
В настоящей работе продолжено детальное изучение коровой сейсмичности питающей магматической системы Ключевского вулкана. В статье приводятся неопубликованные данные о сейсмической активности вулкана в зависимости от его состояния в период с 14 марта 1987 г. (после завершения побочного извержения 22.02.-13.03.1987 г.) до 1997 г. Анализируются результаты исследования данных длинного ряда сейсмологических наблюдений за период 1977 - 1996 гг. В отличие от предыдущих работ [19,20,29], нами использовались данные нового машиночитаемого каталога землетрясений района Северной группы вулканов, являющегося составной частью базы данных "Вулканические землетрясения Северной группы вулканов Камчатки" (база данных создавалась под руководством О.С.Чубаровой при участии В.Т.Гарбузовой, В.И.Горельчик и М.Я.Малкиной). Каталог содержит сведения о землетрясениях с глубиной очага менее 40 км, координаты которых можно было определить. Для локализации землетрясений применялся местный годограф сейсмических волн [11], рассчитанный для шестислойной скоростной модели земной коры, полученной по данным ГСЗ [1]. Рутинная обработка землетрясений (1993 - сент.1996 гг.) проводилась по модернизированной программе MINIMALM [22] на PC IBM. Для получения однородного фактического материала по этой программе было выполнено переопределение координат гипоцентров и энергетических характеристик землетрясений, обработка которых ранее производилась вручную (1977 - 1992 гг.). За период с конца сентября 1996 г. по 1 января 1997 г. использовались данные каталога землетрясений района Северной группы вулканов, составленного при обработке цифровых сейсмограмм в лаборатории телеметрических станций Камчатской опытно-методической сейсмологической партии (ОМСП) Геофизической службы РАН (заведующий лабораторией В.В.Ящук.). Самые общие (в том числе и предварительные) представления о сейсмичности Ключевского вулкана за 1997 - 2000 гг. также почерпнуты из каталога КОМСП. Приводимые в статье сведения об уровне вулканического дрожания получены из бюллетеней, составленных при обработке сейсмограмм радиотелеметрических сейсмических (РТС) станций PDK и ZLN.
Район исследований (Центральная сейсмоактивная зона), в котором за последние десятилетия произошло большинство вулканических землетрясений, связанных с деятельностью Ключевского вулкана, мы ограничили координатами: 56,00o - 56,155o c.ш. и 160,55o - 160,755o в.д. (прямоугольник на рис.1). Все последующие рисунки и оценки параметров сейсмичности выполнены для землетрясений, заключенных внутри Центральной сейсмоактивной зоны в обозначенных выше границах в интервале глубин от 4 км выше уровня моря (-4 км) до 40 км. В пределах этой зоны расположено около 75% всех известных с 1932 г. современных центров побочных извержений (рис.1, А). За период 1977 - 1996 гг. в земной коре под Ключевским вулканом в пределах показанного на рис.1 прямоугольника были определены координаты более 3700 землетрясений. Из них около 72% событий, зарегистрированных четырьмя и более сейсмическими станциями, локализованы с ошибкой, не превышающей 5 км по эпицентру и глубине, при этом координаты примерно 45% землетрясений из числа последних (или 33% от общего числа) определены с ошибкой 3 и менее км.
Использованные для сопоставления с сейсмичностью сведения о деятельности вулкана за 1987 - 1996 гг. получены из соответствующих публикаций (см. ссылки в тексте), а также из отчетов группы KVERT (Kamchatkan Volcanic Eruption Response Team), объединяющих сообщения сотрудников КОМСП, Камчатской вулканологической обсерватории ИВГиГ и Камчатской вулканологической станции ИВ РАН.
Состояние и сейсмичность Ключевского вулкана в 1987-1996 гг.
1987 г. 14.03. - 27.07.1987 г. Заметная эксплозивная деятельность центрального кратера Ключевского вулкана прекратилась одновременно с окончанием извержения побочного прорыва Предвиденный 13 марта 1987 г. Состояние "затишья" продолжалось до конца июля [19]. В этот период на вершине внутрикратерного шлакового конуса образовался колодцеобразный провал диаметром около 260 м [16].
В течение всего этого времени вокруг вершинного кратера Ключевского вулкана происходили единичные неглубокие (с глубиной очага не более 3 - 5 км) слабые (Ks< 7,0) вулкано-тектонические (ВТ) землетрясения и тоже единичные еще более слабые (Ks1 < 5,0) сейсмические события, координаты которых определить было невозможно, но которые по виду записи, на основании опыта работ, были отнесены нами к средним (10 - 20 км) и нижним (20 - 40 км) горизонтам земной коры. В это же время на ближайших сейсмостанциях (на удалении 12 - 14 км от вершинного кратера) отмечались очень слабое (Amax < 0,2 мкм) непрерывное низкочастотное вулканическое дрожание (в.д.) и другие поверхностные длиннопериодные (ПДП) сигналы [19], связанные с процессами в магме. По-видимому, уровень стояния магмы в питающем канале вулкана оставался достаточно высоким, несмотря на образование провала в шлаковом конусе внутри кратера2.
28.07. - 11.10.1987 г. происходило вершинное эксплозивно-эффузивное извержение Ключевского вулкана, носившее в основном стромболианский характер [19]. До 10 августа над кратером наблюдалось только пульсирующее зарево и слабая парогазовая деятельность. Затем из кратера стали выбрасываться бомбы, увеличилась высота парогазовых выбросов, в начале сентября эксплозивная активность усилилась. После излияния лавы 11 - 12 сентября извержение стало ослабевать, и 11 октября оно прекратилось.
 |
| Рис. 2 |
Вершинное извержение этого периода сопровождалось сейсмической активизацией на всех интервалах глубин в земной коре под Ключевским вулканом. Карта эпицентров и распределение очагов землетрясений в вертикальных плоскостях, проходящих через вершинный кратер в направлениях СВ-ЮЗ и СЗ-ЮВ за 1987 г., представлены на рис.2, А-Г. Подобные рисунки типичны для всех последующих лет. Для остальных периодов мы будем приводить лишь распределение очагов землетрясений в земной коре под Ключевским вулканом по глубине и во времени (рис.3, А-Д). Как видно на рис.2, А, эемлетрясения с глубиной очага менее 5 км располагались вокруг центрального кратера, образуя область протяженностью порядка 12 - 14 км, вытянутую в направлении ССЗ - ЮЮВ. В начальную фазу извержения в этой области происходили слабые единичные неглубокие землетрясения. За неделю до усиления эксплозивной деятельности вершинного кратера, с 24.08. до 1.09.1987 г., в постройке Ключевского вулкана и непосредственно под ней возник рой (1)3(рис.3, А) ВТ землетрясений (Ksmax = 8,2), после которого лава начала изливаться через край кратера в северо-восточный желоб.
 |
| Рис. 3 |
Более глубокие землетрясения происходили в течение всего вершинного извержения в виде единичных событий (Н = 5 - 20 км) и небольших групп (Н = 20 - 40 км), которые располагались под юго-восточной частью эпицентральной области неглубоких землетрясений (см. рис.2, А). Землетрясения в нижних горизонтах земной коры и переходном от коры к мантии слое (глубины 20 - 40 км) характеризовались низким предельным энергетическим классом (6,5), одинаковой формой записи и более длинными видимыми периодами колебаний (0,6 - 0,8 с) при максимальной амплитуде. Будем называть в дальнейшем такие землетрясения глубокими длиннопериодными (ГДП) землетрясениями. Увеличение сейсмической активности на глубинах 5 - 20 км отмечалось в начале извержения (самое сильное c 1978 г. землетрясение зарегистрировано 28.07.1987 г., Ks=9,3, H=16 км), а также после его окончания 11 октября, когда, как и в предыдущие годы в подобных случаях [26], сейсмичность под Ключевским вулканом стала перемещаться с глубин 3 - 5 км к подошве земной коры, на глубины 20 - 30 и более км (см. интервалы времени "б" и "д" на рис.3, А).
12.10. - 31.12.1987 г. С 12 октября до конца ноября в деятельности вершинного кратера Ключевского вулкана наблюдалось "затишье", во время которого сейсмическая активность под вулканом проявлялась преимущественно в самых нижних горизонтах коры (25 - 40 км, см. рис.3, А, период "д" ). Однако уже в последней декаде ноября в Центральной зоне наметилась тенденция к уменьшению глубины очагов землетрясений (см. вторую половину интервала "д" на рис.3, А ). С 1 декабря над вершинным кратером появились пепловые выбросы, затем бомбы, 13 - 26 декабря на склоны вулкана излились короткие лавовые потоки [19]. С возобновлением эксплозивно-эффузивного извержения центрального кратера подъем сейсмической активности в средние и верхние горизонты земной коры продолжался ("е",рис.3, А). С конца декабря 1987 г. на вулкане преобладала поверхностная сейсмичность (ВТ землетрясения в постройке, ПДП сигналы: взрывные землетрясения, в.д. и др.).
В целом, в марте-декабре 1987 г. эпицентральная область неглубоких (до 5 км) землетрясений располагалась вокруг вершинного кратера и центров будущих побочных извержений, более глубокие события локализовались под восточным-юго-восточным склоном приблизительно в 5 км от кратера (см. рис.2, А).
1988 - 1990 гг. Эксплозивно-эффузивное извержение вершинного кратера, возобновившееся в декабре 1987 г., положило начало продолжительной и многообразной деятельности Ключевского вулкана в 1988 - 1990 гг. Особенностями этой деятельности явились сочетание почти непрерывных эксплозивно-эффузивных извержений и продолжительных побочных прорывов на склонах вулкана, а также интенсивное растрескивание вулканической постройки в восточном-юго-восточном секторе на абсолютных отметках от 2000 м выше уровня моря до вершины вулкана с образованием на трещинах локализованных эруптивных центров [20]. Пестрая картина вулканической активности сопровождалась разнообразными сейсмическими сигналами, общая характеристика которых дана в работе [20]. В настоящей статье основное внимание уделено детальному описанию особенностей прстранственно-временного развития сейсмичности в Центральной зоне в этот период.
1988 г. Вершинный кратер Ключевского вулкана не прекращал эксплозивную деятельность практически в течение всего года. Почти постоянно, с перерывами от 2-3 до 10-20 дней, происходило излияние лавы [20]. Наиболее интенсивная эффузивная деятельность вершинного кратера наблюдалась в октябре 1988г., когда лава стекала по трем желобам одновременно. Усиление эксплозивных явлений отмечалось в январе-феврале на фоне слабой, а в апреле-мае и сентябре-октябре на фоне усилившейся эффузивной деятельности. С 28 января по14сентября 1988 г., на фоне эксплозивно-эффузивного вершинного извержения, на юго-восточном склоне вулкана в диапазоне абсолютных отметок 4000-4300 м происходило побочное извержение имени ХХV-летия ИВ (Института вулканологии) [20], период "ж" на рис.3, А.
Несмотря на продолжительные побочное и вершинное извержения, с ноября 1988 г. процессы трещинообразования на склонах вулкана возобновились. Образование системы радиальных трещин на северо-восточном склоне в интервале высот 2200-4000 м наблюдалось 20 ноября, 14, 17, и 22 декабря. Из трещин в течение непродолжительного времени выжималась лава, вытекали грязевые потоки [20].
Кроме почти постоянно регистрировавшихся ПДП сигналов (непрерывное в.д., взрывные землетрясения [20]), сейсмическая активность в Центральной зоне под Ключевским вулканом в течение 1988 г. была сосредоточена, главным образом, в самых верхних горизонтах земной коры и вулканической постройке (выше 3 - 5 км), где происходило большое количество ВТ землетрясений, образовывавших группы и рои (периоды "ж" и "з" на рис.3, А). Продолжительность роев землетрясений колебалась от нескольких суток до 4-5 недель, число событий с Ks > 5 в роях - от 2-3 десятков до нескольких сотен (включая землетрясения, зарегистрированные одной станцией).
Наиболее сильным в энергетическом отношении роем был рой 19.01. - 2.02.1988 г., до 28.01 предварявший, а затем сопровождавший побочный прорыв им. ХХV-летия ИВ, порядковый номер роя (3) на рис.3, А. Большинство землетрясений роя происходило в постройке вулкана, (Кsmax = 9,0, H = -1 км, 21.01.1988 г.). Эпицентральная область вначале охватывала район вершинного кратера, а затем распространилась на юго-юго-западный склон и место будущего прорыва.
В 2-3 раза слабее роя, предварявшего побочное извержение им. XXV-летия ИВ, были рои, предварявшие и/или сопровождавшие усиление эксплозивно-эффузивной деятельности вершинного кратера: 27.12. 1987 г. . - 7.01.1988 г. (2); 6 . - 8.04.1988 г. (4); 7 . - 13.10.1988 г. (5), см. рис.3, А. Максимальный энергетический класс Ks землетрясений в этих роях составлял 8,2 - 8,9, эпицентральные области располагались вокруг кратера Ключевского вулкана и на его северном склоне.
Энергия каждого из роев ВТ землетрясений 25.10 - 31.10.1988 г. (6) ; 25.12 - 30.12.1988 г. (7) (см.рис.3, А), связанных с растрескиванием склонов Ключевского вулкана, была приблизительно на порядок слабее энергии перечисленных выше, максимальный энергетический класс Ksmax не превышал 7,5. В этих роях происходило множество слабых событий, координаты большинства которых определить существующей сетью наблюдений было невозможно. Пространственно эпицентральные области роев практически совпадали с зонами растрескивания. Время возникновения землетрясений и периоды появления трещин на склонах вулкана совпадали с разбросом несколько дней или недель (необходимо учитывать сложность проведения визуальных наблюдений).
В средних и нижних горизонтах земной коры под Ключевским вулканом в 1988 г. произошло всего несколько землетрясений (см. рис.3, А ).
1989 г. Высокий уровень эксплозивно-эффузивной активности вершинного кратера Ключевского вулкана сохранялся до конца июля 1989 г.[20]. Периоды усиления стромболианской деятельности вершинного кратера наблюдались в марте - апреле и июле - августе. Продолжалось растрескивание вулканической постройки с образованием эруптивных центров на возникающих трещинах. Излияние лавы из трещины на восточном склоне на высоте 3500 м, начавшееся в конце декабря 1988 г., наблюдалось до середины января 1989 г. Субтерминальые эруптивные центры действовали 6 - 22 февраля на юго-юго-восточном склоне и 23 февраля - 15 марта - из бокки в северо-западном основании внутрикратерного шлакового конуса. Сразу после прекращения привершинных извержений возросла эксплозивно-эффузивная активность центрального кратера. На фоне этой усилившейся стромболианской деятельности с 26 июля до конца августа 1989 г. происходило развитие нового побочного прорыва имени Скуридина. В течение месяца вдоль магистральной трещины восточного простирания от абсолютных отметок 4400-4300 м до высоты 4000 м происходило образование и перемещение сверху вниз цепочки небольших конусов, последний из которых действовал до конца извержения. Побочное извержение продолжалось 200 дней, до 10 февраля 1990 г.
После того, как последний эруптивный центр побочного извержения сформировался, с сентября по декабрь 1989 г. включительно, эксплозивная деятельность вершинного кратера Ключевского вулкана снизилась, а эффузивная прекратилась совсем.
Извержения Ключевского вулкана в 1989 г. сопровождались многочисленными ПДП сигналами, число и интенсивность которых возрастали во время усиления эксплозивной активности, и непрерывным в.д., средний уровень которого по сравнению с 1988 г. увеличился в 2 раза [20]. Особенно резкие колебания в изменении амплитуды в.д. (от 1 до 3 - 5 и более мкм) отмечались в периоды смены режимов эффузивной деятельности вершинного кратера или побочных центров.
Кроме поверхностной низкочастотной сейсмической активности, в 1989 г. практически на всех горизонтах земной коры под Ключевским вулканом происходили землетрясения с Ks > 5,5 , координаты большинства из которых были определены по данным сети станций (см. рис.3, Б). Наибольшее число землетрясений регистрировалось в вулканической постройке и непосредственно под ней (Н = - 4 - 5 км), а также в низах коры (интервал глубин 20 - 40 км).
Рой неглубоких ВТ землетрясений 1.01. - 16.01.1989 г., (рой (8) на рис.3, Б), предварял и сопровождал образование системы трещин на восточном склоне вулкана и был подобен аналогичным роям 1988 г. (Ksmax = 6,7). Эпицентральная зона землетрясений роя охватывала центральный кратер и восточный склон вулкана. Распространение очагов отмечалось с запада (от кратера) на восток, по-видимому, в направлении развития трещин, из которых 13 - 15 января происходило излияние лавы.
Эксплозивно-эффузивная деятельность субтерминальных эруптивных центров, действовавших 6 - 22.02 и 23.02 - 15.03.1989 г., предварялась и сопровождалась слабыми (Ks < 5) неглубокими ВТ землетрясениями в постройке вулкана и вулканогенно-осадочной толще, большинство этих землетрясений регистрировалось одной-двумя сейсмостанциями. Относительно более сильные (Ks = 5 - 7) сейсмические события 23.01. - 2.02, координаты которых удалось определить, происходили несколько восточнее вершинного кратера, в окрестности субтерминального эруптивного центра, начавшего извергаться 6 февраля. Приблизительно с середины января 1989 г., во время прекращения излияния лавы из трещины на восточном склоне вулкана, появились первые ГДП в нижних, а со второй половины февраля и ВТ землетрясения в средних горизонтах земной коры под Ключевским вулканом (начало периода "и" нарис.3, Б ), что практически совпало по времени с началом излияния лавы из бокки в северо-западном основании внутрикратерного шлакового конуса (впервые излияние лавы было замечено 23 февраля, [20]) и предшествовало усилению эксплозивно-эффузивной активности вершинного кратера. Группы, или растянутые во времени рои слабых (Ks = 5 - 6) ГДП землетрясений с глубиной очага 20 - 40 км, происходившие под Ключевским вулканом до середины июля, и единичные ВТ землетрясения в интервале глубин 5 - 20 км, регистрировавшиеся в апреле и мае, образовали эпицентральную область, общей протяженностью 10 - 12 км, вытянутую по обе стороны от центрального кратера в направлении с северо-запада на юго-восток.
После 15 - 16 июля уровень сейсмичности в низах коры под Ключевским вулканом упал, несмотря на неизменившуюся интенсивность в.д., взрывных землетрясений и прочих ПДП сейсмических сигналов [20]. С 22 по 30 июля в вулканической постройке и вулканогенно-осадочном слое был зарегистрирован рой ВТ землетрясений, предварявший начало, а с 26 июля сопровождавший развитие побочного прорыва имени Скуридина (рой (9) на рис.3, Б). В целом этот рой был подобен рою, предварявшему побочное извержение 1988 г. Эпицентры землетрясений роя располагались вокруг вершинного кратера и на северном, северо-западном (здесь произошли самые сильные землетрясения, Ksmax = 8,7), восточном и юго-восточном склонах. 02 - 16.08, на тех же глубинах, был зафиксирован следующий рой ((10), см. рис.3, Б), более слабый, чем предыдущий (Ksmax = 7,4), сопровождавший дальнейшее развитие побочного извержения - формирование вдоль трещины на восточном склоне вулкана цепочки новых эруптивных центров [20]. Во время возникновения неглубоких землетрясений роя (10) вновь появились единичные землетрясения в средних и нижних горизонтах земной коры (Ksmax = 6,0), эпицентры которых располагались на северо-северо-западном, юго-юго-восточном склонах вулкана и вблизи центрального кратера. С конца августа до начала декабря 1989 г. на Ключевском вулкане резко усилилось в.д. (до 5 и более мкм) и в два-три раза возросли число и интенсивность ПДП сигналов, связанных с взрывной деятельностью вершинного кратера и с эксплозивно-эффузивной активностью побочного прорыва. В декабре 1989 г. поверхностная низкочастотная сейсмическая активность на вулкане снизилась, ВТ и ГДП землетрясений на уровне энергетического класса 5,5 и выше зарегистрировано не было.
1990 г. В начале января 1990 г., как и в конце декабря 1989 г., вершинный кратер Ключевского вулкана был слабо активен. На побочном прорыве продолжалось излияние лавы с редкими выбросами раскаленных бомб над истоком. С 8 января высота парогазовых выбросов из вершинного кратера стала увеличиваться с одновременным увеличением расхода лавы на побочном прорыве [4]. 23.01. - 6.02.1990 г. произошло сильное эксплозивное извержение вершинного кратера (период "л" на рис.3, Б). Извержение характеризовалось выбросом раскаленных бомб и пепла на высоту до 1,5 и 6 км соответственно и образованием нового колодцеобразного кратера на месте внутрикратерных шлаковых конусов, возникших ранее в ходе предшествующих относительно слабых извержений. Диаметр нового кратера оценивался ~ 500 м, глубина превышала 300 м [4]. По опубликованным В.Н. Двигало данным аэрофотосьемки от 4 апреля 1993 г., глубина провала, сформировавшегося в вершинном кратере после извержений 1988 - 1990 гг., составляла 186 м [17].
Деятельность побочного прорыва во время вершинного извержения 1990 г. заметно активизировалась (увеличение расхода лавы, выбросы бомб, фонтанирование лавы), а после прекращения вершинного извержения снизилась. 9 февраля побочное извержение им. Скуридина закончилось. После окончания вершинного извержения 6 февраля до конца 1990 г. центральный кратер Ключевского вулкана находился в состоянии относительно слабого, растянутого во времени эксплозивного извержения вулканского типа [4].
--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--