«Бомба» під Безіменним

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 61

Безіменний — один із сотні вулканів на півострові Камчатка. Всупереч своєму імені, цей вулкан з минулого століття отримав широку популярність серед вулканологів і геофізиків: проспав більше тисячі років, у 1956 р. Безіменний несподівано вибухнув потужним вибухом, що зруйнував купол і більшу частину вулканічного масиву, і відтоді продовжує регулярно вивергатися, викидаючи, крім потоків лави, кубічні кілометри газу. За допомогою методів сейсмічної томографії сибірським вченим вдалося «заглянути» всередину вулкана, щоб реконструювати механізми процесів і отримати надійний інструмент прогнозування вулканічної активності.

Про автора Іван Юрійович Кулаков — член-кореспондент РАН, доктор геолого-мінералогічних наук, заступник директора з наукової роботи і завідувач лабораторії сейсмічної томографії Інституту нафтогазової геології та геофізики ім. О. А. Трофимука СО РАН (Новосибірськ). Автор і співавтор понад 250 наукових робіт.

Безіменний знаходиться всього лише в 10 км від найбільшого в Євразії діючого вулкана Ключевської (Ключевської Сопки) і довгий час вважався його побічним відгалуженням. Протягом останньої тисячі років він не виявляв ніякої активності, поки восени 1955 р. не почав викидати клуби газу і попелу.

Кілька місяців вулкан вивергався з помірною силою, а 30 березня 1956 р. виверження досягло кульмінації: стався колосальний спрямований вибух, і купол вулкана, що являв собою правильної форми конус, був знесений, в результаті чого його висота зменшилася на 250 м. З вулканічних надр були викинуті потужні магматичні і пірокластичні потоки, що складаються з суміші високотемпáних газів, попелу і уламків гірських порід, а також хмара газу і попелу, яке піднялося на висоту до 35 км (Gorshkov, 1959; Belousov, 1996).

Кульмінація вибухового виверження вулкана Безіменний. 30 березня 1956 р. Акріл, папір, ризик автора

Відтоді Безіменний вивергається практично щороку, хоча й не так драматично: в результаті короткоживучих вибухів з вулкана викидається лава, пірокластичний матеріал, а також величезна кількість попелу і газу (Girina, 2013).

В результаті виверження 1956 р. вулкан Безіменний став нижче на чверть кілометра. Акріл, папір, ризик автора

Виверження йдуть нерегулярно: іноді Безіменний «замовкає» на два-три роки, а потім вивергається кілька разів протягом декількох місяців. На сьогодні виверженого матеріалу виявилося стільки, що вулкан зміг практично повністю «відбудувати» новий купол, який вже майже заповнив кратер, що утворився після вибуху в 1956 р.

Однак на сьогоднішній день вулкан майже повністю «відновив» свій купол. Фото 2018 р.

Слухати сейсмічний пульс

Спостереження за Безіменним показали, що, незважаючи на близькість до вулканів Камінь і Ключевської, він має інший режим виверження і склад лав, а значить, і структура надр під ним зовсім інша.

Новий активний купол вулкана Безіменний. 2018 р.

У 2017 р. дослідники з лабораторії сейсмічної томографії Інституту нафтогазової геології та геофізики ім. А. А. Трофимука СО РАН (Новосибірськ) спільно з німецькими колегами з Потсдамського центру наук про Землю (GFZ) вирушили в експедицію на Камчатку з метою «засікти» землетруси, що передують виверженню Безіменного, побудувати томографічну модель земної кори під вулканом і.

У плани німецьких геофізиків з GFZ входила космічна радарна зйомка Безіменного, за допомогою якої можна дуже точно простежити деформацію поверхні. Супутникова зйомка, що проводилася кожні 11 днів, показала, що безпосередньо перед виверженням зміщення земної поверхні в районі купола становило десятки метрів, що було пов’язано зі «спалахуванням» вулкана і утворенням розломів. За 2 дні до виверження розломи з’єдналися в підковоподібну тріщину довжиною близько 150 м і шириною 20 м, з якої і прогримів потужний вибух. Коли через кілька місяців дослідники піднялися на Безіменний, вони очікували побачити там гігантську діру — епіцентр вибуху, з якого за короткий час вирвалися величезні обсяги газу, проте ніяких слідів на поверхні знайти не вдалося.

Група фахівців, яка прибула на Безіменний на вертольотах, встановила на його схилах 10 сейсмічних станцій і кілька таймлапс-камер, які виробляють фотозйомку кожні 15 хвилин, перетворюючи отримані кадри на прискорене відео.

У 2017 р. на вулкані Безіменний була встановлена мережа з 10 сейсмічних станцій, які працювали протягом декількох місяців до і після вибухового виверження, що сталося 20 грудня того ж року

Термін служби такої сейсмічної станції розрахований на один рік, тому дослідники побоювалися, що вкладені зусилля і кошти можуть не виправдатися. На щастя, 20 грудня 2017 р., через лише три місяці після установки сейсмічної мережі, на вулкані сталося незвично сильне виверження. Всього за 15 хвилин хмара попелу досягла висоти 15 км, а на поверхню був викинутий величезний обсяг вулканічного матеріалу. Незважаючи на гарячі уламки каменів, лаву і попіл, більшість станцій «вижило».

На фото з трьох таймлапс-камер, встановлених на схилах Безіменного, знять процес зростання газової активності, утворення каменепаду і, нарешті, саме вибухове виверження. На піку виверження камери змогли зафіксувати лише клуби попелу, оскільки виявилися занадто близько до епіцентру виверження.

Протягом трьох місяців перед виверженням сейсмічні станції зареєстрували лише кілька одиничних подій, що говорить про досить низьку фонову сейсмічну активність, і це відрізняє Безіменний від інших вулканів. І тільки за 47 днів до вибуху був зареєстрований кластер землетрусів на глибині близько 8 км, а за 5 днів початок досить сильно (70-300 землетрусів щодня) «трясти» верхню частину вулкана.

Геофізики боялися, що сейсмічні станції, розташовані близько до епіцентру, виявляться повністю засипаними або пошкодженими пірокластичними потоками. На щастя, їхні побоювання не справдилися. 2018 р.

Проаналізувавши дані про сейсмічну активність під Безіменним, фахівці ІНГГ СО РАН створили томографічну модель земної кори під діючим вулканом. Це дозволило відтворити будову земних надр, визначити внутрішню структуру магматичних вогнищ і розташування газового резервуара. Дослідникам також вдалося реконструювати процеси, що запускають виверження, зрозуміти, як з’являється в надрах під вулканом газ і чому він накопичується з такою швидкістю і в такому обсязі.

До вибуху готовий

На томографічній моделі Безіменного на глибині близько 2 км від поверхні виділяються дві аномалії, що відповідають двом резервуарам: газовому (синя область) і магматичному (червона область). Така картина нетипова для вулканів: зазвичай для них характерний тільки магматичний осередок, який забезпечує матеріал для лавових потоків і зростання купола.

Томографічна модель земної кори під вулканом Безіменний побудована на основі розподілу швидкостей пробігу поздовжніх і поперечних сейсмічних хвиль (Vp і Vs) і відносини цих швидкостей (Vp/Vs). Останній параметр дуже чутливий до наявності рідкої та газоподібної фази: низькі значення говорять про скупчення газу в породах, високі — про наявність магматичного вогнища з великим вмістом розплавлених порід і розчинених флюїдів

На основі даних попередніх регіональних сейсмічних досліджень (Koulakov et al., 2017) геофізики прийшли до висновку, що виходять з надр магматичні флюїди накопичуються в середній корі на глибинах нижче 8-10 км, живлячи по каналах вищележні магматичні резервуари. Розчиненою в магмі воді дуже важко мігрувати в м’якій пластичній високотемпезній Масі, тому вона накопичується там у великих кількостях, поки її не стає занадто багато. Через зростання тиску і температури в магматичному осередку вода починає виходити в навколишні більш холодні і крихкі породи, де утворюються тріщини гідророзриву. Так відбуваються землетруси, і ці сейсмічні події на глибині 8 км були зареєстровані на Безіменному за 47 днів до виверження.

Магматичні гази, що виділяються з глибинного джерела, легко мігрують через пористе середовище і утворюють під вулканом газовий резервуар високого тиску. Приблизно за тиждень до виверження тиск там досягає критичних значень, і породи безпосередньо під вулканом починають руйнуватися, що супроводжується роєм малоглубинних землетрусів. Під вулканом з’являються тріщини, які поступово об’єднуються в єдиний канал, тоді відбувається вибух.

На жаль, невідомо, що відбувається з підземними резервуарами надалі, оскільки після короткочасного вибухового виверження сейсмічність повністю зникає. І побудувати томографічну модель на цьому етапі досліджень неможливо.

Дослідження новосибірських вчених на Камчатці в 2017-2018 рр. дали не тільки унікальну інформацію про внутрішню будову і механізм вивержень вулкана Безіменний, але і новий інструментарій для прогнозування вибухових вивержень.

Можливість з великою часткою ймовірності передбачати подібну вулканічну активність вкрай важлива для багатьох регіонів, особливо для таких, як Індонезія і Коста-Ріка, де «вибухові» вулкани, на відміну від Камчатки, розташовані в густонаселеній місцевості.

Література1

. Belousov A. Deposits of the 30 March 1956 directed blast at Bezymianny volcano, Kamchatka, Russia // Bulletin Volcanol. 1996. V. 57. N. 8. P. 649–662.

2. Girina O. A. Chronology of Bezymianny Volcano activity, 1956–2010 // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2013. V. 263. P. 22–41.

3. Gorshkov G. S. Gigantic eruption of the volcano Bezymianny // Bulletin Volcanol. 1959. V. 20. N. 1. P. 77–109.

4. Koulakov I., Abkadyrov I., Al Arifi N. et al. Three different types of plumbing system beneath the neighboring active volcanoes of Tolbachik, Bezymianny, and Klyuchevskoy in Kamchatka // JGR Solid Earth. 2017. V. 122. N. 5. P. 3852–3874.

5. Koulakov I., Plechov P., Mania R. et al. Anatomy of the Bezymianny volcano merely before an explosive eruption on 20.12.2017 // Sci. Rep. 2021. V. 11. N. 1. P. 1758. DOI: 10.1038/s41598-021-81498-9.