ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2010, № 5, с. 45-54
УДК 550.834(205.54)
ГЛУБИННОЕ СТРОЕНИЕ ВУЛКАНА КУДРЯВЫЙ (О. ИТУРУП) ПО СЕЙСМИЧЕСКИМ ДАННЫМ © 2010 г. В. В. Жигулёв
ОАО "Дальморнефтегеофизика" 693004 Южно-Сахалинск, пр-т Мира, 426; E-mail: v.Zhigulev@dmng.ru Поступила в редакцию 14.10.2008 г.
Изложены результаты сейсмического просвечивания вулкана Кудрявый (Курильские острова, о. Итуруп, кальдера Медвежья). Приведены структурно-скоростные модели глубинного строения северо-западного склона вулкана и кальдеры Медвежья. Выделены основные осадочные комплексы и аномальные зоны, идентифицируемые как промежуточные камеры. Представлены версии возможного геологического развития.
Несмотря на огромный объем геолого-геофизических данных, накопленных в мировой практике при исследовании вулканических образований, вопрос об особенностях их внутреннего строения в настоящее время остается во многом дискуссионным. Одна из причин этого, очевидно, заключается в недостаточном объеме кондиционного материала, полученного с помощью сейсмических методов, которые на данный момент являются наиболее информативными (среди геофизических) при изучении сложных структурных формирований. В силу своих специфических особенностей проведение сейсморазведочных работ на вулканах связано с решением сложных методических и аппаратурно-технических задач. Однако с помощью этого метода можно получить наиболее достоверную информацию о внутренней структуре вулкана, параметрах магматических очагов, подводящих каналов и промежуточных магматических камер, что позволяет оценить уровень активности и прогнозировать вулканоопасность.
Среди наиболее интересных результатов, полученных зарубежными исследователями в последние годы при применении сейсмических методов для изучения вулканов, можно отметить построение объемной модели приповерхностной структуры вулкана Везувий [29], в которой с помощью поперечных волн в интервале глубин до 4 км ниже уровня моря выделены очаги землетрясений, связанные с наиболее энергоемкой сейсмической зоной, приуроченной к кровле карбонатной толщи.
Методами трехмерного моделирования и временной томографии, выполненных авторами [27] с использованием сейсмических волн, зарегистрированных от локальных землетрясений и взрывов, построена детальная модель вулкана Рабаул (Папуа Новая Гвинея) до глубины 20 км. Выделены промежуточные магматические камеры, волноводы и низкоскоростные образования, соединенные сложной системой подводящих каналов.
Влияние процессов декомпрессии в газонасыщенной магме на изменение параметров сейсмических волн было изучено авторами [32]. Выведены соотношения, связывающие давление, плотность, содержание газа и сейсмическую скорость, что в конечном итоге позволило смоделировать условия, приведшие к извержению лавы.
Как пример эффективного применения сейсмических методов при исследовании подводных вулканов можно привести работу авторов [31], в которой показаны результаты, полученные на вулкане Ки-лауэа (Гавайи), расположенном в рифтовой зоне подводного хребта Пуна. Представлено глубинное строение, а также основные этапы формирования вулкана, самого хребта и всей рифтовой зоны в целом.
Исследования вулканов Дальневосточного региона России с использованием сейсмических методов проводятся Институтом морской геологии и геофизики (ИМГиГ) с 1969 г. Так, корреляционным методом преломленных волн с применением взрывных источников возбуждения было изучено глубинное строение земной коры под вулканом Авача и Ключевской группы вулканов на Камчатке [1, 5, 6, 22, 23, 24, 33, 34]. Значительный успех в изучении глубинного строения земной коры под вулканическими образованиями Курильских островов достигнут благодаря результатам, полученным сейсмическим методом обменных волн землетрясений, которые наиболее обстоятельно обобщены в работах [12, 13, 14, 15, 16, 35].
Первые экспериментальные исследования по сейсмическому просвечиванию Курильских островов (Черные Братья и Симушир) были проведены ИМГиГ в 1982—1983 гг. Наблюдения проводились в наземно-морском варианте с использованием глубинных бомб в качестве источника сейсмических колебаний [1, 2, 3, 4, 21, 25, 26]. Однако, несмотря на весьма значительную энергию излучения, данная методика имеет существенные недостатки. В частности,
она не позволяет синхронизировать с приемлемой точностью момент подрыва глубинной бомбы с таймером регистратора, а также требует максимально высокой скорости судна-тральщика во время бомбометания, что существенно увеличивает взрывной интервал и, соответственно, понижает детальность наблюдений. Наиболее острая проблема — экологическая безопасность — сводит к нулю перспективу использования взрывных источников в морской и наземной сейсморазведке. Перечисленные факторы определили последующее направление сейсмических работ для изучения вулканов.
Ниже приведены результаты опытно-экспериментальных сейсмических исследований методом преломленных волн (МПВ), выполненных Институтом морской геологии и геофизики (ИМГиГ) на вулкане Кудрявый. В качестве объекта исследований этот вулкан в первую очередь был выбран в силу своего удобного географического положения, позволяющего обеспечить доставку необходимого научного оборудования. Сравнительно несложный рельеф, приемлемый для установки сейсмических приемо-регистраторов и наличие водоемов, пригодных для оборудования пунктов возбуждения волновых колебаний, сделали данный район удобным полигоном для проведения экспериментальных сейсмических наблюдений.
Вулкан Кудрявый входит в группу вулканов кальдеры Медвежья, представляющую собой сложную полигенную вулканическую структуру, включающую несколько активных четвертичных вулканов: Медвежий, Средний, Кудрявый, Меньшой Брат, а также ряд ареальных центров [7, 19, 20]. Являясь наиболее молодым из действующих вулканов кальдеры, Кудрявый приобрел известность благодаря обнаружению в его кратере высокотемпературных фумарол (до 350°С), в возгонах которых при температуре 450—600°С образуется минерал рения Яе82 [10, 17, 18, 30]; после чего вулкан стал рассматриваться как перспективный объект для промышленной добычи этого минерала. При этом наиболее высокотемпературные фумаролы приурочены к экструзии кислого состава, расположенной в центральной части кратера.
Кальдера Медвежья согласно [10, 19, 20], она претерпела несколько стадий развития. Докальдер-ная стадия, связанная с формированием щитового вулкана и базальтового плато, имела место в плиоцен— раннем плейстоцене. Кальдерная, сопровождающаяся извержением вулканов среднекислого и дацит-риолитового составов относится к среднему плейстоцену. Посткальдерная, характеризующаяся образованием группы вышеперечисленных страто-вулканов, приходится на конец плейстоцена-голо-цен. Регион в среднем плейстоцене представлял собой почти замкнутый кальдерный залив, сообщающийся с морем узким проливом. Прекращение связи с морем было обусловлено куполовидным
вздыманием территории и началом активности вулкана Медвежий на борту кальдеры [9].
Предварительные результаты проведенных сейсмических исследований, в которых впервые освещаются структура вулкана и основные скоростные характеристики до глубины 1000 м, приведены в работе [11]. Для построения сейсмических разрезов в ней использовались только кинематические характеристики продольных сейсмических волн, полученных по продольному профилю.
Целью настоящей статьи является представление геодинамической модели кальдеры Медвежья, построенной на основе интерпретации дополнительных данных МПВ, полученных на профилях, пересекающих вулканическую структуру в различных направлениях; а также сейсмического моделирования, выполненного с привлечением как кинематических, так и динамических волновых параметров.
МЕТОДИКА НАБЛЮДЕНИЙ
Сейсмические исследования таких сложных геологических образований, как вулканы, в мировой практике носят единичный, фрагментарный характер, вследствие чего к настоящему времени не накоплено достаточного объема информации для представления четких рекомендаций по использованию методики и аппаратурно-технических параметров наблюдений. Кроме того, каждое из вулканических образований, обладая собственным набором геоморфологических характеристик, требует применения специальных методических приемов для его изучения. Поэтому перед началом исследований были выполнены опытно-методические работы с целью определения оптимальных параметров излучения, приема и регистрации; разработана методика наблюдений, позволяющая обеспечить максимальную информативность получаемого сейсмического материала в сложных сейсмогеологических условиях района кальдеры Медвежья. При этом наиболее проблематичным оказался выбор источника излучения сейсмических волн. Вариант использования обычных химических взрывных веществ исключался вследствие экологической опасности. Невзрывные источники возбуждения динамического и вибрационного типов, а также установка падающего груза не могли быть задействованы из-за невозможности транспортировки в условиях горной местности и слабой энергии излучения (взрывного эквивалента), недостаточной для глубинного просвечивания вулканической структуры, особенно с учетом значительного сейсмического фона от афктивности фумарол. В результате из всех приемлемых вариантов выбор был остановлен на пневматическом источнике возбуждения повышенной мощности: пневматическая пушка, предназначенная для морской сейсморазведки, объемом рабочей камеры 30 дм3 и давлением воздуха 15000 кПа. Для обеспечения ее работы при необходимых параметрах в водоеме озера Теплое, располо-
женного у подножия вулкана Кудрявый, был оборудован специальный пункт излучения.
Прием и регистрация сейсмических волн производились с помощью автономных трехкомпонент-ных сейсмических станций, которые, имея герметичный контейнер, могли устанавливаться на дне водоемов, а также в агрессивной среде кратера вблизи действующих фумарол. Запись сейсмической информации велась в частотном диапазоне 5—80 Гц. Запуск таймера регистратора и его синхронизация с моментом срабатывания пневмоисточника выполнялись с помощью принимаемых по радио сигналов точного времен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.