Статья: Глубинное строение Южной Камчатки по геофизическим данным

Современные вулканы располагаются в районах, где наиболее активно протекают геодинамические процессы в литосфере, выраженные повышенной сейсмичностью, магматизмом и гидротермальной активностью. Изучение глубинного строения современных вулканов имеет важное значение для развития теоретической геологии и геодинамики. Практическое значение имеет поиск геотермальных месторождений, связанных с магматическими очагами, питающих вулканы. На Южной Камчатке геофизическими методами наиболее изучен район Авачинско-Корякской группы вулканов, расположенный ~ в 50км от г.Петропавловск-Камчатский. Действующими и наиболее крупными из вулканов этой группы являются Корякский и Авачинский. Вулканические постройки сложены четвертичными и современными эффузивно-пирокластическими образованиями. Они приурочены к Авачинской депрессии, выполненной палеоген-неогеновыми вулканогенно-осадочными породами. Депрессия является составной частью так называемой Петропавловск-Малкинской зоны поперечных дислокаций, имеющей северо-западное простирание. Большую роль в строении зоны играют разломы северо-западной ориентировки, определяющие ее блоковое строение [7]. В районе Авачинско-Корякской группы вулканов проведены гравиметрические [13], сейсмологические [2,8,9 и др.], и электромагнитные [12,14,17] исследования. К настоящему времени мы располагаем большим объемом геофизических данных, комплексный анализ которых с привлечением современных методик дает возможность разработать глубинную модель земной коры района Авачинско-Корякской группы вулканов и протекающих здесь геодинамических процессов.

Сейсмологические исследования

Рис. 6

Результаты сейсмологического "просвечивания" литосферы под Авачинско-Корякской группой вулканов позволили предположить существование на глубинах 20-90 км одной или двух неоднородностей, обусловивших затухание сейсмических волн от камчатских землетрясений [10,31,32 и др.]. В области границы М она предположительно имеет вытянутую форму, совпадающую по простиранию с вулканической группой. Согласно нашим построениям, изложенным выше, этот район приурочен к низкоскоростной мантии и располагается в зоне высоких градиентов скорости Vp в верхней коре. Эти данные не противоречат полученным ранее, так как значения скорости под вулканами практически совпадают и сохраняется простирание предполагаемых аномалий затухания и зон высоких градиентов Vp.

Рис. 7

В 80-90-е годы в районе Авачинско-Корякской группы вулканов выполнены сейсмические исследования с использованием землетрясений и взрывов [2,8,9,15 и др.]. На сейсмическом разрезе выделены зоны аномальных значений скорости (Vp)и поглощения Р-волн (рис.6). Зона А характеризуется повышенным поглощением высокочастотной части спектра сейсмических сигналов. Подошва этой зоны располагается не глубже, чем 3 км и, очевидно, представлена смесью твердой и расплавленной фаз глубинного вещества. Выделение зоны В обусловлено наличием в нижней части Авачинской депрессии мощного волновода с пониженными (~ на 6% относительно вмещающей толщи пород) значениями скорости Vp. Зона С характеризуется повышенными значениями Vp(до 6,6-6,7 км/c), что может быть связано с глубинной высокоскоростной интрузией. Зона D выделена как область относительно пониженных значений скорости Vpв средней части коры под конусом вулкана. Между зонами D и C отмечено отсутствие отражающих площадок. В целом, распределение отражающих площадок по разрезу различно. В верхней части они залегают согласно сейсмическим границам, а с глубины ~ 10 км - практически выполаживаются. Это соответствует существующим представлениям о природе сейсмических разделов в земной коре и может свидетельствовать о повышенной трещиноватости пород на этой глубине [9,20]. Возможно, выделенная на разрезе зона повышенной скорости в коре - это область, в которой трещины "закрыты" остывшим магматическим расплавом, поступившим сюда из корового магматического очага. На рис.6 также отмечены некоторые особенности сейсмичности района Авачинского вулкана в период его активизации в 1994 и 1997 гг. Из этих данных видно, что основная масса землетрясений происходит в конусе вулкана и в пределах Авачинского грабена до глубины ~ 10 км. Можно предположить, что грабен представляет собой разлом, в котором в настоящее время протекают активные тектонические процессы. Важно отметить, что за рассматриваемый период практически не отмечены землетрясения в нижней части Авачинского грабена. Их основная масса располагается в грабене до глубины ~ 3 км (в частности, за период 1997 г.) и глубже 5-6 км уже в кристаллической коре. Отсюда можно сделать вывод, что в основании грабена существуют какие-то специфические условия, в которых породы находятся либо в состоянии повышенной пластичности, либо трещиноватости с заполнением трещин жидким флюидом. Этим можно объяснить понижение скорости Vp в основании грабена.

Электромагнитные исследования

Рис. 8

По данным региональных исследований методами магнитотеллурического (МТЗ) и вертикального электрического (ВЭЗ) зондирований получено представление об обобщенном геоэлектрическом разрезе региона [15]. В верхней части разреза залегают четвертичные вулканогенные и осадочные образования сопротивлением сотни-первые тысячи Ом^. м и более, мощностью первые сотни метров. Ниже залегает кайнозойская толща со средним продольным сопротивлением от десятков до первых сотен Омм. Консолидированный фундамент имеет сопротивление тысячи Ом^. м. Глубинная часть разреза содержит коровый и астеносферный проводящие слои.

Рис. 9

В последние годы в районе Авачинско-Корякской группы вулканов выполнен большой объем более детальных площадных исследований МТЗ, позволяющих получить дополнительную информацию об электропроводности земной коры. Методика и результаты качественной интерпретации МТЗ рассмотрены в [14]. Для изучения глубинной электропроводности использовано около 1000 МТЗ. По данным интерпретации кривых МТЗ получена карта интегральной проводимости осадочно-вулканогенного чехла, перекрывающего кристаллический фундамент (рис.7). На этой карте выделена зона повышенной проводимости, имеющая северо-западное простирание. Ширина зоны меняется от 10 км на юго-востоке до 30 км на северо-западе. Выявленная зона связывается с грабеном, выполненным преимущественно терригенными отложениями. В районе Авачинско-Корякской группы вулканов отмечается максимальная проводимость зоны до 600 См, что может быть обусловлено наличием жидкой фазы (растворов и магматических расплавов). По результатам интерпретации кривых МТЗ составлена также схема глубинной электропроводности исследуемой площади. Последняя районируется на две области с различной электропроводностью земной коры: юго-западную и северо-восточную (рис.8). Первая содержит коровый слой повышенной электропроводности. Вторая отмечается пониженной электропроводностью верхней части коры.

Полученные результаты уточнены с помощью численного двумерного моделирования. Для данной цели выбран профиль АА протяженностью около 160 км (рис.9). Он ориентирован примерно вдоль СФЗ. Из рисунка видно, что в юго-западной части выделяется коровый слой повышенной электропроводности сопротивлением 10-20 Ом^. м. Кровля слоя поднимается с глубины 25 км на юго-западе до глубины 10 км под современными вулканами. Здесь осадочно-вулканогенный чехол содержит аномалию с пониженным сопротивлением 8 Ом^. м до глубины 6 км. Эта аномалия фиксирует грабен, выполненный преимущественно проводящими породами. Современные вулканы приурочены к бортовой части грабена. Земная кора северо-восточной части профиля не содержит коровых проводников. Она отличается повышенным электрическим сопротивлением в районе Шипунского п-ова.

Комплексная интерпретация геолого-геофизических данных

Рис. 10

Глубинная геоэлектрическая модель района сопоставлена с графиками поля силы тяжести и теплового потока (рис.9). Высокое электрическое сопротивление верхних частей литосферы на северо-восточном окончании профиля соответствует повышенному уровню поля силы тяжести. Это можно объяснить тем, что в районе Шипунского полуострова верхняя часть земной коры сложена породами с повышенной плотностью. Состав этих пород близок к ультраосновным. В поле силы тяжести в виде аномалий более высокого порядка также проявились структуры верхней части земной коры, сложенные породами, различными по своему фациальному составу и плотности.

По сейсмическим и гравитационным данным с помощью трехмерного гравитационного моделирования получена объемная упруго-плотностная модель (рис.10). Для моделирования использовались материалы гравиметрической съемки, сведения о скоростных и плотностных свойствах пород и их корреляции по данному району и миру [15]. Модель дает представление о строении блока литосферы размерами 70х70х50 км. В верхней части земной коры выделена отрицательная интенсивная аномалия северо-западного простирания, фиксирующая Авачинский грабен. Эта аномалия продолжается до глубины ~30 км. С увеличением глубины форма аномалии становится более изометрической. При этом простирание изолиний меняется от северо-западного в верхней коре до субмеридианального - в нижней, и северо-восточного - в верхней мантии. Коровая аномалия пониженных значений упруго плотностных свойств в общих чертах соответствует коровой аномалии повышенной электропроводности. По-видимому, аномалии отражают существование в земной коре разлома, насыщенного жидкими флюидами. В осадочно-вулканогенном чехле он выражен в виде грабена, заполненного мощной толщей слабоуплотненных, низкоскоростных, проводящих образований. Из упруго-плотностной модели видно, что северо-западную ориентировку имеют только структуры верхних частей земной коры. Верхняя мантия характеризуется северо-восточным простиранием изолиний упруго-плотностных свойств, отвечающим простиранию CФЗ.

Рассмотрим фоновый тепловой поток в связи с глубинными процессами по направлению с юго-запада на северо-восток в сторону м. Шипунский (рис.9) [24,25]. Из рисунка видно, что он уменьшается почти в два раза. Это свидетельствует о том, что в юго-западной части площади породы земной коры могут быть разогреты сильнее, чем в северо-восточной. В результате повышенного разогрева активно проявились процессы дегидратации, плавления пород земной коры и вынос большого объема магматического материала на дневную поверхность. В земной коре, по-видимому, сформировалась проницаемая зона, насыщенная гидротермальными растворами. Это в полной мере можно отнести к самой западной части профиля, где на поверхности возраст магматических пород оценивается в первые десятки млн.лет. Оценки показывают, что за такой период тепло от глубинного источника может проникнуть через всю земную кору и достичь земной поверхности. В результате здесь фиксируется повышенный тепловой поток в приповерхностных частях земной коры. Однако, в районе Авачинско-Корякской группы вулканов подъему проводящей зоны до глубины 10 км отвечает тепловой поток, близкий к "нормальному". Возраст магматизма в данном районе составляет первые млн.лет. За этот период, по-видимому, кондуктивный тепловой поток от глубинного источника еще не проник в полной мере в земную кору. Следовательно, динамические процессы здесь не получили такого развития, как на юго-западе в Центрально-Камчатской вулканической зоне. В районе Авачинских вулканов, вероятно, преобладают конвективные формы переноса тепла в виде магматических расплавов и гидротермальных растворов, что находит отражение в подъеме проводящей зоны. При этом повышенная проводимость отмечается непосредственно под действующими вулканами.

Глубинная модель района Авачинского вулкана

Рис. 11

На основе рассмотренных результатов с привлечением данных о тепловом потоке, магматизме и т.д. создана глубинная геолого-геофизическая модель Авачинского вулкана, изображенная на рис.11 Модель включает коровую зону повышенной трещиноватости (проницаемости) с наличием гидротермальных растворов. Земная кора на глубине 15-25 км содержит магматический очаг. Выше, на глубине 6-10 км расположена интрузия. Непосредственно под конусом вулкана находится периферический магматический очаг на глубине ~ 0-2 км. В верхних частях земной коры выделяется Авачинский грабен. В отложениях нижней части разреза он содержит, по-видимому, жидкие флюиды.

Рассмотрим возможные геодинамические процессы в районе Авачинского вулкана. Коровый магматический очаг образовался, по-видимому, в один из циклов магматической активизации Камчатки, когда глубинное вещество проникло в земную кору. Здесь на уровне ~ 15-25 км образовалась магматическая камера. Процессы поступления и накопления магмы сопровождались плавлением пород. Преимущественный состав лав, излившихся на поверхность, средний и основной. Породы представлены базальтами, андезито-базальтами, андезитами и дацитами. Наиболее распространены андезито-базальты. На мантийный источник первоначальных магм указывают ксенолиты, представленные периодотитами и пироксенитами. Верхняя часть магматического очага на глубине 6-10 км уже застыла и является интрузией. Она перекрывает существующий коровый магматический очаг и, по-видимому, в значительной мере затрудняет поступление магмы в периферический очаг в основании конуса вулкана.

Предполагается, что в настоящее время важную роль в процессах, протекающих в районе вулкана, играет коровая зона повышенной проницаемости (глубинный разлом), по которой гидротермальные растворы поднимаются с глубины 25-35 км. Эти растворы, поступая в верхние части земной коры, существенно понижают температуру плавления кислых и средних пород. В результате образуются магматические расплавы в зоне корового магматического очага. По узким каналам они проникают вверх в районе грабена и подпитывают периферический очаг в основании конуса вулкана. Не исключается также поступление магмы непосредственно вверх из корового очага в периферический. Однако этот вариант менее вероятен, так как на пути магмы - зона повышенной плотности пород, и для ее проплавления необходима большая дополнительная энергия, которая возможна лишь во время следующего цикла магматической активизации и интенсивного притока магмы из более глубинных источников. Мы приходим к выводу, что в настоящее время в период затишья магматической активности происходит накопление жидких флюидов в Авачинском грабене и их поступление в периферический очаг. В результате возникновения избыточных давлений, достаточных для вскрытия пробки в кратере, закупоривающей магмовыводящий канал, может произойти слабое извержение вулкана с выходом лавы. По-видимому, такое извержение было в феврале 1991 года.

Следует отметить, что выявленная в Авачинском грабене зона, насыщенная жидкими флюидами, вызывает повышенный интерес к геотермальным источникам тепла с целью обеспечения энергией близко расположенного г.Петропавловск-Камчатский, испытывающего сильный энергетический кризис. Этот район является вполне доступным для изучения методами геофизической разведки и глубокого бурения. Предполагаемые размеры перспективной зоны 9х12 км (рис.7). Для ее вскрытия рекомендуется бурение скважины глубиной до 4 км. Результаты бурения дадут основание для дальнейшей разведки геотермального месторождения.

Список литературы

1. Балеста С.Т., Гонтовая Л.И. Сейсмическая модель земной коры Азиатско-Тихоокеанской зоны перехода в районе Камчатки//Вулканология и сейсмология. 1985, N4.С.83-90.

2. Балеста С.Т., Гонтовая Л.И., Гринь Н.Е., Сенюков С.Л., Гордиенко Л.Я. Возможности сейсмического метода изучения зон питания современных вулканов //Вулканология и сейсмология. 1989. N6. С.42-53.

3. Болдырев С.А. О схем