Статья: Новейшие гигантские эксплозивно-обвальные лавины катастрофических извержений вулкана Шивелуч на Камчатке

И.В.Мелекесцев

Памяти Г.С.Горшкова, директора (1966-1970 гг.) Института вулканологии, который первым на Камчатке начал изучать такие образования в 1956 г., посвящается

На основе детальных вулканологических и тефрохронологических исследований оценены параметры и реконструирована предыстория подготовки катастрофических извержений вулкана Молодой Шивелуч, проходивших с образованием гигантских обломочных лавин (ГОЛ) в 1430, 1854 и 1964 гг. Наибольшее внимание уделено описанию эксплозивно-обвальной обломочной лавины 1964 г., предложен новый механизм ее формирования. Показано, что подобный механизм был свойственен и для двух других обломочных лавин. Возникновение ГОЛ было предопределено разными формами существования андезитовой магмы и закономерностями эруптивной активности вулкана в голоцене. Пересмотрены в сторону уменьшения сила и геолого-геоморфологический эффект извержения 1854 г., а также размеры и объем связанной с ними обломочной лавины. Предполагается, основываясь на продуктивности вулкана Молодой Шивелуч в XIX-XX веках, что следующее извержение типа 1964 г. может произойти через 60-90 лет.

Рис. 1

Проведенные исследования показали, что в Курило-Камчатской области есть минимум 7 вулканов (Шивелуч (рис.1), Безымянный, Кизимен, Тауншиц, Бакенинг, Севергина, Менделеева), извержения которых за последние 10-11 тыс. лет сопровождались образованием большеобъемных, вплоть до гигантских, эксплозивно-обвальных грубообломочных лавин. На вулканах Севергина (о.Харимкотан, Курильские острова) и Шивелуч (Камчатка) они происходили многократно [15,16,30]. Такие грубообломочные лавины вполне возможны на этих и других вулканах в будущем.

Несомненно, что каждое извержение подобного типа представляло и будет представлять серьезную опасность для населения и хозяйственных объектов. Они приводили и будут приводить также к кардинальным изменениям природной среды на площадях в десятки и сотни квадратных километров. Чаще всего эти извержения происходили внезапно, поскольку до сих пор однозначно не выявлены все типы потенциально опасных в этом отношении вулканов, во многом непонятны процессы, их вызывающие, не разработаны критерии долгосрочного прогноза подобных событий.

В связи с чем весьма ценны вулканы, извержения которых чаще других приводили к возникновению эксплозивно-обвальных грубообломочных лавин. И прежде всего - вулкан Молодой Шивелуч (56^o 38.1' с.ш., 161^o 19.0' в.д., абс. высота до ноября 1964 г. ~2700 м.). Во-первых, он - пока единственный, где такие лавины не только выявлены, закартированы, но и надежно датированы радиоуглеродным (¹⁴ С) методом [30]. Во-вторых, там 12 ноября 1964 г. произошло неоднократно описанное специалистами-вулканологами [4,20 и др.] катастрофическое извержение с образованием гигантской грубообломочной лавины. В-третьих, наличие качественной аэрофотосъемки, сделанной после извержения 1964 г., и составленные на ее основе крупномасштабные топографические карты позволили детально проанализировать происшедшие изменения в морфологии вулкана Молодой Шивелуч и его подножия, изучить особенности мезо- и микрорельефа поверхности грубообломочной толщи, динамику ее формирования и взаимоотношение (временное и пространственное) с пирокластическими потоками того же извержения, выявить характерные признаки отложений, точно определить их объем. Немаловажно и то, что здесь была реконструирована [30] хронология и предыстория многих обломочных лавин, в том числе новейших, возникших в XV-XX веках. Особый интерес представляет 111-летняя подготовка извержения 1964 г. после предыдущего сильного извержения вулкана Молодой Шивелуч в феврале 1854 г.

1.Гигантская грубообломочная лавина 1964 г. и ее предыстория

Эксплозивно-обвальная грубообломочная лавина извержения 12 ноября 1964 г. и ее предыстория отнюдь не случайно выбраны в качестве своего рода модельного эталона для объяснения детерминированности возникновения, изучения закономерностей строения, механизма и динамики формирования более старых по возрасту лавин Молодого Шивелуча. Это прямое следствие результатов проведенных исследований [30], показавших, что по своим параметрам, особенностям строения мезо- и микрорельефа поверхности, мощности отложений, облику и составу обломочного материала она практически не отличается от таковых аналогичных сохранившихся фрагментов его доисторических форм. Поэтому есть основания полагать, что и последние могли возникнуть сходным путем. То же можно утверждать, в первом приближении, и относительно типичности ее предыстории.

Предыстория подготовки извержения 1964 г. начинается с 1854 г. после мощного извержения 17-18 февраля. Извержение 1854 г. считается [4] похожим на извержение 12 ноября 1964 г. Поэтому следующие почти 111 лет можно, с известной долей условности, считать временем подготовки последнего. Хотя сразу же необходимо отметить, что в эруптивной истории Молодого Шивелуча в эти годы не было периода покоя, даже относительного. Собственно период относительного покоя только с фумарольной активностью продолжался лишь до 1879 г., когда началось новое извержение, закончившееся в 1883 г. Его результат - образование купола Центральный [4]. Имеются данные [Guillemard, 1886, p.171], что в июле 1883 г. часть купола была уничтожена взрывом или обвалом: "... конус... внезапно раскололся на два, испуская огромное количество лавы, которая стекала по склонам" (цитируется по [4, с.32]). За лаву здесь, вероятно, приняты раскаленные обломочные лавины, обычно связанные с ростом экструзивных куполов, и (или) небольшие пирокластические потоки.

В дальнейшем эпизоды активизации купола Центральный отмечались в 1897-1898, 1905 и 1927-1929 гг. [4,6,18,22 и др.]. В ходе первого из них происходили взрывы и иногда выбрасывалось довольно большое количество тефры: 3 марта 1898 г. пепел выпал в с.Тигиль в 200 км к СЗ от вулкана [18]. Извержение 1927-1929 гг. было слабым, так как проведенное Г.С.Горшковым [4] сравнение фотографий 1909 и 1949 гг. показало отсутствие сколько-нибудь серьезных изменений на вершине купола Центральный: сохранились даже отдельные зубцы и камни.

Рис. 2

Новое длительное извержение вулкана Молодой Шивелуч, приведшее в итоге к образованию крупного экструзивного купола Суелич, началось в ноябре 1944 г. серией фреатических взрывов. Собственно экструзивный купол стал расти с января 1946 г. Осенью 1946 г. его высота достигла 300-400 м, в 1947 г. увеличилась еще на 100-150 м [18]. В конце извержения (апрель 1950 г.) высота купола Суелич была 500-600 м, диаметр вершины - 500 м, диаметр основания - 1000 м [18].

Рост купола с 1947 г. сопровождался многочисленными раскаленными лавинами, неоднократно происходили сильные взрывы и пеплопады. Несколько раз пеплы выпадали на расстоянии более 100 км от эруптивного центра [4,18, и др.]. Однако мощность отложенной тефры, за исключением участков, примыкающих к основанию купола, составляла первые миллиметры и доли миллиметра. Поэтому они не всегда фиксируются в почвенно-пирокластических чехлах даже подножия вулкана.

После 6 апреля 1950 г. и до 12 ноября 1964 г. вулканических проявлений отмечено не было.

Рис. 3

Строение вершинной части вулкана Молодой Шивелуч перед ноябрьским извержением 1964 г. было известно лишь в общих чертах, поскольку специального детального геоморфолого-геологического картирования проведено не было, а качественная топографическая основа и материалы аэрофотосъемки на этот участок отсутствовали. Имевшиеся же данные наблюдений сотрудников Камчатской вулканологической станции в г.Ключи суммированы в работах А.А.Меняйлова [18], Г.С.Горшкова и Ю.М.Дубика [4]. Принципиальных различий между схемами строения вершинной части вулкана Молодой Шивелуч в обеих работах (рис.2 в [18] и рис.2а в [4]) нет, но вторая из них подробнее, поэтому она (рис.2) и принята в качестве базовой. Там показаны: 1) большой (~2 км), открытый на юг кратер, который, по предположению Г.С.Горшкова [4], возник во время извержения 1854 г.; 2) наполовину уничтоженный в 1854 г. самый старый, крупный и высокий экструзивный купол - Четвертая вершина; 3) группа из двух соединенных своими основаниями экструзивных куполов к югу от Четвертой вершины; 4) молодые экструзивные купола Центральный (1879-1883 гг.) и Суелич (1946-1950 гг.); 5) отдельно стоящий экструзивный купол (?) - Арбузик на самом юге. Поскольку, кроме Арбузика, все купола расположены в непосредственной близости друг от друга, они образуют как бы единый многоцентровый экструзивный массив с общим основанием из слившихся между собой их агломератовых мантий. Поэтому вулкан Молодой Шивелуч был выделен [13] даже в особый тип - экструзивный вулкан.

По данным Г.С.Горшкова [4], на гребне обрыва купола Четвертая вершина лежат три горизонта пемзы. Вероятнее всего они были связаны с извержениями Молодого Шивелуча в ~1430, ~1650 и 1854 гг. Сам же купол возник после катастрофического извержения ~1030 г., а разрушившее его извержение произошло ~1430 г. (см. ниже): (даты, кроме 1854 г., из [30]). Экструзивные купола к югу от Четвертой вершины тоже покрыты пемзой. Это, по-видимому, пемза 1854 г., поскольку там лишь один горизонт. На куполах Центральный и Суелич Г.С.Горшков пемз не обнаружил.

Судя по карте масштаба 1:100 000, в 1950 г. максимальная абсолютная высота гребня купола Четвертая вершина равнялась (или чуть превышала) 2800 м, куполов Центральный и Суелич - 2650-2700 м. Несколько меньше (2300-2400 м) были высоты куполов к югу от Четвертой вершины. Эта же карта послужила основой для построения поперечных профилей (рис.3) привершинной части вулкана Молодой Шивелуч, характеризующих топографическую ситуацию до извержения 1964 г.

Рис. 4

Особенности извержения 12 ноября 1964 г. и его грубообломочная лавина описаны в работах П.И.Токарева [23, 24], Б.И.Пийпа и Е.К.Мархинина [20], Г.С.Горшкова и Ю.М.Дубика [4], Т.С.Краевой [9], А.Б.Белоусова [2,29], П.П.Фирстова [25] и др. Со многими положениями этих работ автор настоящей статьи согласен, однако некоторые из них, и особенно выводы, склонен пересмотреть.

Единственный зафиксированный признак подготовки извержения - усиление сейсмической активности в районе вулкана: первые слабые толчки отмечены в январе 1964 г., в дальнейшем сила толчков и их количество увеличились. После роя землетрясений в мае П.И.Токарев [23] предупредил о возможности извержения. Несмотря на это, извержение 12 ноября 1964 г. оказалось неожиданным, и сведения о событиях его начальной фазы поставлялись главным образом не специалистами-вулканологами, а случайными наблюдателями [4]. Не все приборы исследовательского комплекса были в исправности [4].

Подобное стечение обстоятельств, а также необычность самого извержения, вероятно, и послужили одной из главных причин неоднозначной интерпретации его хода и последствий. В частности, трактовки происхождения возникшей тогда гигантской грубообломочной лавины, первой здесь в XX в. В самой ранней публикации [20] ее наличие просто констатируется, описывается рельеф лавины, приводится оценка занимаемой площади (~70 км² ), но в явном виде генезис данной формы не обсуждается. В неявной же форме подразумевается, что она возникла из материала нескольких взрывов, разрушивших вершину Молодого Шивелуча (рис.4). Определение это было сформулировано еще П.И.Токаревым, который утверждал, что "... при извержении вулкана Шивелуч 12 ноября 1964 г., в отличие от извержения вулкана Безымянного 31 марта 1956 г. (здесь опечатка, так как извержение случилось 30 марта. Прим. автора), не было одного главного взрыва, разрушившего старую постройку, а произошла серия взрывов, непрерывно следующих один за другим" [24, с.18]. Образование покрова холодного агломератового материала он связывает со II фазой (19 ч 20 мин - 19 ч 47 мин, 11 ноября, по Гринвичу) пароксизмальной стадии извержения, когда сила взрывов непрерывно возрастала, происходило разрушение лавовой пробки и выбрасывался большой объем пород из кратера: за 27 минут - 8х10¹⁴ г холодного материала старой постройки с интенсивностью 5х10¹¹ г/с.

Самое полное описание извержения 1964 г. сделано в статье Г.С.Горшкова и Ю.М.Дубика [4]. В ней дана всесторонняя и подробная характеристика большинства аспектов этого извержения и его последствий. Тип извержения отражен в самом названии статьи - "Направленный взрыв на вулкане Шивелуч". Поэтому все события рассмотрены именно под таким углом зрения (с.16-18): "... неоспоримо установлено, что на вулкане произошел один (может быть сдвоенный) очень мощный, направленный к югу взрыв, который почти нацело снес куполы Кратерной вершины... на месте куполов... образовался новый кратер размером 1.5х3 км... из двух частей... . Значительная масса брекчии взрыва обрушилась на непосредственно прилегающий к кратеру южный сектор подножия вулкана... . Подавляющая часть взрывного материала... выброшена на расстояние до 10 км от кратера, образовав сплошной покров от нескольких метров до нескольких десятков метров... площадь покрова... 98 км² ". Приводятся доказательства движения материала уже после падения его на склон во фронтальной и средней частях покрова. Отмечается, что вблизи кратера встречаются блоки пород, выброшенные взрывом за границы покрова. Объем отложений направленного взрыва оценен минимум в 1,5 км³ . Связываются с взрывом и самые сильные землетрясения в 7 ч 07 мин и 7 ч 13 мин 12 ноября. Камчатскими аналогами данного извержения считаются извержения вулканов Безымянный 30 марта 1956 г. и Шивелуч 17-18 февраля 1854 г., зарубежным - извержение вулкана Бандай-сан 1888 г. в Японии. Извержения вулканов Шивелуч 1964 г. и Бандай-сан отнесены Г.С.Горшковым [4] к "типу Безымянной".

В последние годы представления Г.С.Горшкова и Ю.М.Дубика о взрывном происхождении обломочной лавины оспариваются. Так, в работах [2, 29] делается вывод, что извержение 12 ноября - фреатическое, спровоцированное обрушением с постройки 1,154 км³ материала в 7 ч 07 мин утра местного времени, а в интервале 7 ч 20 мин - 7 ч 47 мин - плинианское. Соответственно, образовавшаяся обломочная лавина, как и на вулкане Сент-Хеленс 18 мая 1980 г. - чисто обвальная толща. Каких-либо серьезных доказательств в пользу такого ее генезиса, основанных на новом собственном материале, А.Б.Белоусов практически не приводит. Более того, приведенная выше цифра объема обвальных отложений, взятая им из работы [8], на наш взгляд, менее достоверна, чем у Г.С.Горшкова [4]. Во-первых, неудачна сама методика ее определения по картам разного масштаба, сделанных с очень неодинаковой точностью, на которых абсолютные высоты одних и тех же объектов южного подножия вулкана Шивелуч по внешнему периметру обломочной лавины отличаются на десятки метров. То же можно, вероятно, утверждать и относительно участков, погребенных сейчас под отложениями лавины. Во-вторых, из 1,154 км³ обломочной лавины необходимо вычесть еще 0,3-0,5 км³ ювенильного материала пирокластических потоков извержения 1964 г. Оставшиеся 0,654-0,854 км³ намного меньше даже первичного объема уничтоженных экструзивных куполов, имевших примерно в 1,5 раза больший средний объемный вес слагавших их лав, чем дезинтегрированный материал обломочной лавины.

П.П.Фирстов [25], основываясь на соотношении интенсивности сейсмического и акустического сигналов, пытается доказать, что извержение 12 ноября 1964 г. началось с грандиозного обвала объемом 1,5 км³ , и что вся его обломочная лавина имеет обвальное происхождение. Геологические представления для обоснования своей точки зрения П.П.Фирстов заимствовал из работы [29].

Таким образом, сейчас оформились две концепции причины и динамики ноябрьского извержения 1964 г. и, соответственно, два разных подхода к обоснованию происхождения его обломочной лавины: 1) взрывная, представленная двумя разновидностями - единого мощного направленного взрыва [4] и множественных взрывов [20,23,24] и 2) обвальная [2,25,29]. По первой концепции это - взрывная, по второй - обвальная толщи.

Однако проведенное в 1994-1995 гг. тщательное дешифрирование аэрофотоснимков и анализ новейших топографических карт масштаба 1:25 000 и 1:50 000 на весь южный сектор постройки вулкана Молодой Шивелуч, начиная от прикратерной области и кончая подножием, показали, что обе предложенные концепции не объясняют всего разнообразия строения рельефа поверхности обломочной лавины в целом и многих особенностей мезо- и микрорельефа ее отдельных участков. Не получил в них убедительного истолкования и такой феномен, как складчатая деформация подстилающей поверхности непосредственно перед фронтом лавины у ее юго-восточного края (см. ниже).

Поэтому на основе имевшегося фактического материала и новых данных полевых и камеральных исследований была разработана еще одна гипотеза образования грубообломочной лавины 12 ноября 1964 г. - эксплозивно-обвальная, дающая возможность, как представляется, более реально интерпретировать происшедшие тогда события и избежать отмеченных недостатков обеих рассмотренных концепций.

Рис. 5

Начальной предпосылкой, по мнению автора, во многом определившей тип и динамику извержения 1964 г., послужило то, что возникший ~1430 г. [30] крупный вершинный, открытый на юг кратер вулкана Молодой Шивелуч уже в 1950 г. был практически полностью занят слившимися между собой экструзивными куполами (см. рис.2,3) общим объемом вместе с их агломератовыми мантиями более 1 км³ . Высоты вершин куполов были заключены в интервале 2300-2800 м. В последующие 14,5 лет (с 7 апреля 1950 г. по 11 ноября 1964 г.) здесь наблюдалась лишь фумарольная активность. В связи с чем понятно, почему подготовка извержения 1964 г. началась со скачкообразно возраставшей сейсмической активности [23]: вязкая андезитовая магма, продвигаясь рывками, заново прокладывала себе путь наверх. Достигнув подошвы массивных, высоких и тяжелых экструзивных куполов, магма, по-видимому, стала внедряться между их основаниями и подстилающей поверхностью. Преобладавшее до того преимущественно вертикальное направление движения магмы сменилось субгоризонтальным южных румбов, в соответствии с уклоном днища старого кратера (рис.5). Вместе с магмой начали перемещаться и расположенные над ней экструзивные купола. В результате этого постройки экструзивных куполов были в какой-то момент разорваны, что явилось причиной трех происшедших тогда катастрофических событий: 1) сильнейшего (К=12,3) за все время поверхностного землетрясения в 7 ч 7 мин 20 с [по 23,25] утра 12 ноября; 2) образования гигантской грубообломочной обвальной лавины из разрушенных пород, сместившихся к югу и вниз экструзивных куполов; 3) возникновения большей по размеру южной части кратера.

Рис. 6

Следует отметить, что сходный механизм формирования крупных обвалов на действующих вулканах был недавно предложен и смоделирован В.В.Адушкиным и др. [1].

Судя по морфологии южной части кратера, свалившийся блок постройки почти точно аппроксимируется в плане правильным кругом диаметром 2,2-2,3 км и площадью ~4 км² . Отрыв произошел по 270^o дуге окружности длиной ~5 км. Площадь субвертикальной зоны отрыва превышала 1,5 км² . Первоначальный объем сместившегося блока был 0,8-1 км³ .

В результате резкой подвижки и сильнейшего сотрясения этот блок подвергся полному разрушению. Существовавший здесь экструзивный массив из двух куполов был раздроблен. Часть его в виде нескольких массивных фрагментов (аллохтонов) переместилась вниз относительно недалеко, образовав несколько четко выраженных в рельефе ступеней высотой до 150 м перед входом в кратер (рис.5,6). Остальной, сильнее дезинтегрированный, материал скатился в виде грубообломочной обвальной лавины по склону на расстояние 13-15 км, поскольку под уничтоженными в тот момент старыми куполами, вероятно, уже не было активного подводящего вулканического канала, заполненного сильно нагретым, недегазированным ювенильным веществом, способным генерировать сильные взрывы. В связи с чем возникшее в начале извержения облако (скорее всего, преимущественно пылевое), поднявшееся над обвальным цирком и движущейся с большой скоростью обломочной лавиной.

В [25] предполагается, что развивающееся турбулентное пылевое облако и катящаяся вниз по склону вулкана со средней скоростью около 30 км/час обломочная лавина стали причиной работы акустического источника I, продолжавшейся около 10 минут до 7 ч 18 мин утра 12 ноября.

Рис. 7

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--