ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2010, № 1, с. 3-35
УДК 551.21
Посвящается памяти замечательных исследователей, вулканологов Георгия Степановича Горшкова, Артура Николаевича Сирина, Клары Михайловны Тимербаевой и сейсмолога Павла Ивановича Токарева
МАГМАТИЧЕСКАЯ ПИТАЮЩАЯ СИСТЕМА КЛЮЧЕВСКОЙ ГРУППЫ ВУЛКАНОВ (КАМЧАТКА) ПО ДАННЫМ ОБ ЕЕ ИЗВЕРЖЕНИЯХ, ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ, ДЕФОРМАЦИЯХ И ГЛУБИННОМ СТРОЕНИИ
© 2010 г. С. А. Федотов1, 2, Н. А. Жаринов1, Л. И. Гонтовая1
1 Институт вулканологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 683006 2Институт физики Земли РАН, Москва,123995 Поступила в редакцию 21.10.2009 г.
Изучение магматических питающих систем вулканов, корней вулканов, является одной из основных задач вулканологии. К числу главных объектов таких исследований принадлежит Ключевская группа вулканов (КГВ) наиболее мощная на островных дугах и в зонах поддвига литосферных плит. Сообщается о всесторонних исследованиях, которые ведутся здесь с 1931 г. Приводится ряд показательных результатов, полученных с 1960-х годов при изучении источников магм, извержений, землетрясений, деформаций и глубинного строения КГВ. При их рассмотрении учитываются данные физической вулканологии о механизме вулканической деятельности и данные петрологии о формировании магм. В магматической питающей системе КГВ и ее геофизической модели выделяются следующие пять частей: источник энергии и вещества у верхней границы тихоокеанского сейсмофокального на глубине около 160 км, область подъема магм в астеносфере, область накопления магм в коромантийном слое на глубинах 40—25 км, магматические очаги и каналы в земной коре, основания построек вулканов. Рассматриваются и объясняются свойства, связь этих частей, механизм деятельности вулканов и магматической питающей системы КГВ в ее современном состоянии. Имеются способы расчета магматических каналов, очагов, количества магмы в системе и других ее свойств.
ВВЕДЕНИЕ: ПРОБЛЕМА КОРНЕЙ ВУЛКАНОВ, ИССЛЕДОВАНИЯ
НА КЛЮЧЕВСКОЙ ГРУППЕ ВУЛКАНОВ
Вулканизм является одним из наиболее мощных планетарных геологических процессов. Вулканы, кроме Земли, известны на Луне, Венере, Марсе, спутниках Юпитера. В результате вулканической деятельности образовались, в большой мере, земная кора, гидросфера и атмосфера. Природа вулканической деятельности, источники, перемещение и накопление магм, строение корней или магматических питающих систем вулканов (МПС) были среди первых и главных вопросов вулканологии с начала ее становления как науки. Они изучаются в разных вулканических регионах при наземной и подводной вулканической деятельности. Исследования ведутся широким комплексом методов геологии, геофизики, геохимии и связанных с ними наук, сейсмологии, геодезии, петрологии, математического моделирования, физической и химической вулканологии, по терминологии В.И. Влодавца [8].
Знания о магматических питающих системах вулканов собраны в книгах, в которых последовательно излагаются сведения о сложных явлениях
вулканизма. Среди них отметим книги А. Ритмана (A. Rittman) [35], И.В. Лучицкого [28, 29], Х. Ви-льямса и А. Макберни (H. Williams and A. McBir-ney) [80].
История и данные изучения корней вулканов изложены в книге И.В. Лучицкого "Палеовулканология" (т. 2, гл. "Корни вулканов") [29]. В ней приведен впечатляющий обзор развития взглядов на связи вулканов с глубинными очагами, которое происходило со второй половины XVIII в. до 1971 г., сведения о корневых зонах современных и древних вулканов, механизме образования кольцевых структур, даек и пластовых залежей. Ряд книг посвящен специально МПС [56, 77 и др.].
Показательно, что Генеральная Ассамблея Международной Ассоциации Вулканологии и Химии Недр Земли (МАВХНЗ, IAVCEI), которая состоялась в Рейкьявике, Исландия, 22—27 августа 2008 г., имела название "Понимание вулканов" (Understanding Volcanoes).
Одним из главных объектов исследований корней вулканов, МПС, является Ключевская группа вулканов (КГВ) на Камчатке, наиболее мощная на островных дугах и в зонах подвига литосферных
плит в мире. Она находится в северной части Кури-ло-Камчатского вулканического пояса вблизи пересечения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг. Столь высокая активность КГВ обусловлена интенсивностью глубинных геодинамических процессов, происходящих в этой области [38, 39 и др.].
В КГВ имеются четыре действующих вулкана центрального типа, рис. 1: базальтовый стратовул-кан Ключевской — крупнейший действующий вулкан Евразии, высоты до 4.8 км; известный андези-товый вулкан Безымянный; базальтовые вулканы Плоский Толбачик, высота 3.1 км, и Ушковский, высота 4.1 км. Общий вид КГВ показан на рис. 2. На вершинах вулканов Плоский Толбачик и Ушков-ский находятся большие кальдеры, а на их склонах— линейные зоны шлаковых конусов, сходные с вершинными кальдерами и рифтами гавайских вулканов. На расстояние 40 км к юго-западу от вершины Плоского Толбачика протягивается активная Тол-бачинская зона шлаковых конусов и трещинных извержений. Вулканы Ключевской, Безымянный, Плоский Толбачик и Толбачинская зона шлаковых конусов расположены вдоль осевой линии КГВ, рис. 1. Кроме них в КГВ имеются потухшие вулканы, сотни моногенных шлаковых конусов и лавовые экструзии. Область вулканов, шлаковых конусов и лавовых экструзий КГВ имеет форму эллипса размерами 100 х 55 км.
КГВ образовалась в четвертичное время, ее возраст несколько сотен тыс. лет, объем вулканитов более 6500 км3. Расход магм в КГВ был наибольшим в течение последних 50 тыс. лет. В КГВ один только Ключевской вулкан извергает в среднем 60 х 106 т/г базальтов, что равно 1/2 годового расхода ювениль-ных продуктов и 1/4 расхода всех изверженных продуктов 70 активных вулканов Курило-Камчатского пояса. (Данные о количестве продуктов извержений вулканов Ключевской, Плоский Толбачик и Безымянный за 1930—2008 гг. приведены в следующих разделах статьи.) На вулканах Ключевской, Плоский Толбачик, шлаковых конусах по всей площади КГВ и в Толбачинском долу извергаются базальты, которые преобладают в КГВ, а в средней части КГВ на вулкане Безымянный — андезиты. Сведения о строении, возрасте и истории развития, извержениях, продуктах, петрологии, землетрясениях, деформациях, механизме деятельности вулканов КГВ собраны в книге "Действующие вулканы Камчатки" [19].
С 1930-х годов прошлого века КГВ является первым объектом вулканологических исследований в нашей стране. Их начало было связано именами таких выдающихся ученых как академики Ф.Ю. Левинсон-Лессинг и А.Н. Заварицкий, В.И. Влодавец, член-корреспондент АН СССР Б.И. Пийп, С.И. Набоко и другие. В 1931-1935 гг. на КГВ работало несколько вулканологических экспедиций, а 1 сентября 1935 г. в пос. Ключи у северного подножия Ключевского вулкана была от-
крыта Камчатская вулканологическая станция АН СССР, которая с тех пор ведет непрерывные ценнейшие наблюдения за вулканами КГВ. Исследования расширились после организации Лаборатории вулканологии АН СССР с Камчатской вулканологической станцией, 1945-1962 гг., затем успешно продолжались в 1960-х годах прошедшего века после организации в 1962 г. Института вулканологии СО АН СССР в г. Петропавловске-Камчатском [9]. К настоящему времени изучение вулканов КГВ длится уже почти 80 лет. Во время их фундаментальные научные результаты дало всестороннее изучение крупных извержений. Такими были пароксиз-мальное вершинное извержение вулкана Ключевской в 1944-1945 гг. [33], катастрофическое извержение и направленный взрыв андезитового вулкана Безымянный в 1955-1956 гг. [17], Большое трещинное Толбачинское извержение 1975-1976 гг, крупнейшее базальтовое извержение исторического времени на Камчатке [6].
Общие представления о магматических источниках КГВ были получены с 1931 до 1960-х годов при изучении геологического строения, извержений вулканов, петрографии и петрохимии изверженных пород, развития вулканической деятельности в КГВ в голоцене и предшествующие периоды. Результаты приведены в трудах основоположников отечественной вулканологии А.Н. Заварицкого [24], В.И. Влодавца [7], Б.И. Пийпа [33] и других.
Деятельность КГВ началась в верхнечетвертичное время около 300 тыс. лет тому назад и прошла несколько стадий в своем развитии. В ее начале происходила ареальная вулканическая деятельность. Затем образовались крупные щитовые вулканы, сотни моногенных конусов и 12 вулканов центрального типа. В голоцене прекратились извержения на четырех из них - на вулканах Крестовский, Камень, Большая Удина и Малая Удина, - но возникли новые вулканы - Безымянный и Ключевской, рис. 1, 2 [30, 42, 43 и др.]
Изверженные продукы КГВ относятся к двум сериям или формациям: базальт-андезибазальтовая и андезитовая. Объем пород КГВ выше уровня моря около 5000 км3. Состав пород первой серии меняется от высокомагнезиальных базальтов до андезиба-зальтов, а второй - от базальтов до дацитов. Объем пород второй серии меньше, чем первой, и равен приблизительно 1000 км3.
Породы обеих серий размещаются закономерным образом по площади КГВ. Высокомагнезиальные базальты извергаются по краям осевой линии КГВ, базальты по всей площади КГВ, а андезиты сосредоточены в ее средней части. Такое важное свойство вулканизма КГВ видно на карте расположения базальтовых и андезибазальтовых шлаковых конусов КГВ, построенной А.Н. Сириным [42], и карте андезитовых экструзивных куполов КГВ, построенной К.М. Тимербаевой [43], рис. 3а,б. Длина полосы экструзий около 45 км при ширине 10 км [30].
160.1 160.2 160.3 160.4 160.5 160.6 160.7 160.8 в.д.
Рис. 1. Схематическая карта Ключевской группы вулканов (КГВ). а — расположение активных и потухших вулканов [6]: 1 — лавовые потоки Северного (Б) и Южного (В) прорывов БТТИ; 2 — свежая кальдера обрушения на вершине Плоского Толбачика, образовавшаяся в ходе БТТИ (А); 3 — крупнейшие кратеры; 4 — голоценовые шлаковые конусы и их лавовые потоки; 5 — позднеплейстоценовые шлаковые конусы и их лавовые потоки; 6 — крупные голоценовые стратовулканы; 7 — крупные позднеплейстоцен-голоценовые вулканы; 8 — щитовой вулкан в основании Ушковского и Крестовского вулканов; 9 — голоценовые кальдеры обрушения на вершинах вулкано
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.