Камчатська вулканічна одіссея: від Безіменного до Авачі

Новосибірські сейсмологи з 2012 р. займаються регулярними дослідженнями вулканів на Камчатці, завдяки чому один з найактивніших вулканічних регіонів світу стає добре вивченим за міжнародними мірками. У літній експедиційний сезон 2018 р. вчені планували тільки зняти мережу сейсмічних станцій з вулкана Безіменний в центральній частині півострова і встановити нову мережу на Авачинській групі на південному сході Камчатки, в безпосередній близькості від м. Петропавловськ-Камчатський. Незважаючи на не завжди сприятливу погоду і труднощі з повітряним транспортом, все задумане вдалося реалізувати. І навіть у більшому обсязі, ніж планувалося: «попутно» сейсмологам довелося попрацювати на вулканах Удіна і Камбальний.

Сейсмічна томографія, заснована на вивченні швидкостей проходження упругих хвиль крізь щільне середовище, сьогодні є одним з основних методів вивчення внутрішньої будови земних надр. І чим більше реєструється землетрусів, тим точніше і повніше виявляється отримана інформація.

Один із пріоритетних напрямків лабораторії сейсмічної томографії Інституту нафтогазової геології та геофізики СО РАН (ІНГГ) (Новосибірськ) — вивчення поведінки магматичних вогнищ і внутрішньої будови вулканів у різних регіонах планети з метою виявити конкретні механізми вулканічних вивержень. Отримання вихідних сейсмічних даних на вулканах — процес непростий, що вимагає проведення дорогих експедицій з установки сейсмічних мереж. І це повною мірою відноситься до Камчатки, малозаселеного регіону з досить суворими кліматичними умовами.

Ключівська група вулканів: незнавні шляхи магми

Унікальна особливість Ключевської групи в тому, що тут, на відносно невеликій території, зосереджені практично всі типи земного вулканізму. З багатьох вулканів цієї групи три проявляють високу активність і в наш час: Ключевський, Безіменний і Толбачик.

Причини такої різноманітності активно дискутуються в науковому співтоваристві. Прояснити проблему допоможе знання глибинної структури кори і мантії під вулканами. Вже протягом декількох десятиліть в околиці Ключевського постійно працює мережа сейсмічних станцій КФМР РАН.

За цей час в районі Ключевської групи зареєстровано більше сотні тисяч землетрусів, дані про які були використані для побудови томографічних моделей кори під Ключевським вулканом. У 2011 р. новосибірські сейсмологи виявили там велику сейсмічну аномалію на глибині 25-30 км (Koulakov et al., 2011), що збігається зі щільною хмарою землетрусів (кілька десятків і навіть сотень на день). Вважалося, що ця аномалія являє собою глибинне магматичне вогнище, що живить вулкани групи.

Відомий вулканолог Б.І. Пійп (1956) так писав про Ключівську групу вулканів: «12 вулканів цієї групи виступають серед хребтів і лісистих долин північної Камчатки виконинськими масивами каменю і льоду, утворюючи незабутню панораму, повну величі і суворої краси». Сьогодні ця найбільша на Камчатці група вулканів привертає пильну увагу вулканологів усього світу завдяки унікальній різноманітності складів і режимів вивержень. Credit: NASA, Johnson Space Center

Підвищити детальність томографічних зображень дозволило встановлення тимчасової сейсмічної мережі з 25 станцій навколо Толбачика силами ІНГГ СО РАН, КФМР РАН і ІВіС ДВО РАН. Нова модель виявила три шляхи харчування вулканів Ключевської, Безіменний і Толбачик (Koulakov et al., 2017).

Під Ключевським є вертикальна «труба», по якій безпосередньо виноситься базальтовий матеріал з мантійного магматичного вогнища. Передбачається, що цей канал зазвичай знаходиться в закритому стані, але відкривається на короткий час, коли тиск в нижчому осередку підвищується. І землетруси на глибинах 25-30 км відбуваються в результаті розкриття і різкого схлопування якогось «ніппеля» на нижньому кінці каналу.

На основі результатів сейсмічної томографії під вулканами Ключевської групи була побудована томографічна модель кори, на якій виявлені різні магматичні джерела, що живлять Толбачик (ТОЛ), Безіменний (БЕЗ) і Ключевської (КЛЮ) вулкани. Різним кольором відзначені аномалії сейсмічних швидкостей поперечних хвиль (червоні — знижені, сині — підвищені). Точками показані проекції землетрусів

Під Безіменним у середній корі виявлено аномалію зі зниженими швидкостями, де може відбуватися поступовий поділ магми на важку і легку фракції і накопичення розчиненої води і магматичних газів. При досягненні порогової кількості флюїдів відбувається лавинна дегазація, що призводить до періодичних вибухів.

Під Толбачиком виявлені витягнуті аномалії, очевидно, приурочені до розломів у земній корі, по яких піднімається магма. У вулкана є два джерела, звідки приходить магма: один під Ключевським вулканом і другий — десь на південному сході.

Безіменний блокбастер

У 2017 р. мережа з 10 сейсмічних станцій була встановлена на вулкані Безіменний — одному з найбільш неспокійних вулканів Камчатки. Розташований по сусідству з гігантським Ключевським вулканом, Безіменний до середини минулого століття навіть не розглядався як самостійна вулканічна освіта, що становить реальну небезпеку. Однак катастрофічний вибух, що стався в 1956 р., вивів його в число найбільш активних вулканів світу.

Дивно те, що за режимом вивержень і складом лав Безіменний принциповим чином відрізняється від Ключевського вулкана, розташованого поруч — всього в 10 км. І цей чудовий факт не міг не звернути на себе увагу вчених.

Активний купол Новий вулкана Безіменний виріс після катастрофічного вибуху 1956 р. Це виверження було одним з найбільших у минулому столітті. Пірокластичні потоки і хмари гарячого газу розтопили навколишні льодовики та снігу, утворивши потужні грязьові потоки. Хмара вулканічного попелу піднялася на висоту 45 км і розсіялася по всій Північній півкулі

В останні десятиліття Безіменний стрясають регулярні вибухи, в середньому один раз на рік, і іноді попіл викидається на висоту понад 10 км. Надзвичайною удачею для дослідників стало досить сильне експлозивне (вибухове) виверження, яке сталося в грудні 2017 р. під час роботи мережі. Стовп попелу при цьому виверженні досяг висоти близько 18 км! Разом з тим ця радісна для сейсмологів подія змусила їх похвилюватися, оскільки сейсмічні станції, розташовані в безпосередній близькості від кратера, могли потрапити під пірокластичний потік з гарячої суміші газів, попелу і каменів, а дані космічних спостережень не давали однозначної відповіді про траєкторію його поширення. Якби потік пройшовся по приладах, виявити і дістати їх було б вкрай складно, до того ж вони могли вийти з ладу через високу температуру.

Велика удача, що роботою новосибірських дослідників зацікавилися репортери журналу «Шпігель», одного з найбільших і найвідоміших щотижневих журналів Німеччини, які оплатили частину витрат на цю експедицію. Оператори, які займалися зйомкою процесу польових робіт через відкриті двері вертольота, надавали їм особливу динаміку і змушували всіх учасників відчувати себе майже героями блокбастера. Пілоти ж робили все можливе і неможливе, щоб зробити зйомку максимально ефектною, і літали над коротером, що димить, і навколишніми його хребтами за найнеймовірнішими траєкторіями.

Кожна хвилина роботи MI-8 коштує дуже дорого, тому всі працювали у великій напрузі. Ільяс Абкадиров з Інституту вулканології і сейсмології ДВО РАН (ІВіС) (Петропавловськ-Камчатський), який брав участь в установці станцій роком раніше, першим вискакував з ще працюючого вертольота і, подібно мисливської легавої, носився колами в пошуках видимих йому одному слідів присутності станції. Потім підключалися інші співробітники, розкопуючи батареї і прилади з глибини близько півметра. Як тільки обладнання закидалося в вертоліт і в нього пірнав останній чоловік, машина в ту ж секунду змивала вгору. Весь час, з моменту посадки до зльоту, займало не більше трьох хвилин!

Для зняття з Безіменного сейсмічної мережі станцій було зафрахтовано вертоліт MI-8

Особливе занепокоєння викликала верхня станція, розташована практично біля самого кратера вулкана, її пошукам до того ж заважав сніговий покрив. І коли дослідники побачили мерехтливу лампочку, яка говорить про те, що весь цей час станція успішно працювала, вони не могли стримати криків радості.

Ділянка, де стояли дві інші станції, виявилася покрита туманною хмарою. Погода погіршувалася, і шансів, що туман піде, не залишалося — існував реальний ризик втратити ці прилади разом з інформацією, оскільки ще однієї можливості орендувати вертоліт навряд чи б представилося. Щоб врятувати непоправні наукові дані, було прийнято рішення летіти в тумані. Вертоліт переміщався практично на дотик на мінімальній (2-3 м) висоті, що дозволяє побачити на поверхні хоч щось і вчасно зреагувати в разі небезпеки.

Вимушена посадка у верхній точці сейсмічної мережі біля підніжжя конуса Безіменного

Завдяки високопрофесійній роботі пілотів всі станції були успішно зібрані, і тепер належить копітка робота з обробки інформації в лабораторних умовах. Вже зараз можна сказати, що отримано унікальний матеріал, що дозволяє простежити процес зародження і здійснення вулканічного вибуху.

Вулкан Безіменний не представляє для людей явної небезпеки, так як розташований досить далеко від великих населених пунктів. Разом з тим у світі є безліч схожих вулканів на територіях з високою щільністю населення. Якщо за допомогою даних, зібраних на Безіменному, вдасться виявити надійні провісники катаклізму, що наближається, це допоможе передбачати виверження на інших вулканах. І тим самим, можливо, врятувати безліч життів.

Від «анатомії» вулканів — до їхньої «фізіології»

Вулкани являють собою найбільш швидко мінливі природні геологічні об’єкти. На відміну від інших структур земних глибин, де процеси протікають у масштабах часу в мільйони і мільярди років, істотні зміни «нутрощів» вулкана можуть відбутися протягом декількох років, днів і навіть годин. Вивчення цієї динаміки допомагає зрозуміти, як влаштована вся система харчування магматичної структури, і встановити причини вивержень, що дає нам ключ до передбачення вулканічних катастроф.

Для вивчення внутрішньої, глибинної будови вулканічних структур у більшості випадків використовується метод сейсмічної томографії, коли джерелом сейсмічного сигналу служать землетруси, що часто трапляються під вулканом. З першого погляду завдання виявлення тимчасової мінливості здається не надто складним: потрібно просто розділити всі дані по тимчасових інтервалах, побудувати для кожного інтервалу окрему томографічну модель і потім порівняти ці моделі. Однак, як показує практика, такий підхід не працює, оскільки «підвулкані» землетруси трапляються нерегулярно і до того ж нерівномірно. У результаті отримані різниці між моделями будуть, швидше, відображати зміни в системі спостереження, а не реальні процеси всередині Землі.

Новосибірські дослідники запропонували використовувати інший підхід, заснований на відборі наборів даних з ідентичною геометрією, що дозволяє виявляти досить малі зміни глибинних структур. У 2018 р. цей алгоритм був застосований для вивчення двох активних вулканів: Галераса в Колумбії і Спурра на Алясці. Такий вибір був обумовлений, по-перше, тим, що на цих вулканах протягом тривалого часу працювала досить щільна сейсмічна мережа, і ці дані доступні. По-друге, в період інструментальних вимірювань на обох вулканах спостерігалися періоди активізації, які могли призводити до істотних змін в їх глибинній будові.

Вулкан Галерас. Колумбія. Фото Д.Кадена

Вивчення варіацій сейсмічних швидкостей показало, що в період максимальної активності безпосередньо під вулканом Галерас формувалося тіло грибообразної форми — активна магматична камера з живильним каналом, що з’єднує її з більш глибокими резервуарами гарячої магми. У періоди зниженої вулканічної активності це тіло ставало менше або взагалі зникало. Це означає, що впровадження перегрітих флюїдів може призводити до швидкого плавлення магми в камері, що, в свою чергу, призводить до вивержень. Коли приплив флюїдів припиняється, магматичне вогнище досить швидко затвердіває і стає «невидимим» для сейсмічної моделі (Koulakov, Vargas, 2018).

На моделях вулкана Галерас, побудованих за результатами повторної томографії, видно, що в 2001-2007 рр. під вулканом спостерігалася аномалія грибообразної форми, що відзначає розташування магматичної камери з живильним каналом. Різним кольором показано відношення сейсмічних швидкостей Vp/Vs, чутливе до наявності рідини (розплавів або флюїдів). Коричневим кольором позначені породи з високим вмістом рідкої фази

Другим об’єктом дослідження геофізиків в 2018 р. став вулкан Спурр — найбільший діючий вулкан Аляски. У минулому столітті великі виверження цього вулкана відбулися в 1953 і 1992 рр., причому ці, як і всі інші відомі історичні виверження, йшли не з основної вершини, а з бокового конуса. Коли в 2002 р. вулкан почало «трясти» в районі головного конуса, почалося активне виділення вулканічних газів з нього, вчені стали готуватися до нового виверження. Оскільки ця частина вулкана була «закупорена» вже багато тисяч років, виверження могло стати катастрофічним. На щастя для нечисленного місцевого населення і до явного розчарування дослідників активність вулкана до 2006 р. поступово зійшла нанівець.

Результати томографічних досліджень показали, що під вулканом є магматична камера, верхня межа якої до 2002 р. перебувала на глибині близько 5 км від денної поверхні. При активізації вулкана магматичне вогнище піднялося на 2 км, а сам процес підйому супроводжувався активною сейсмічністю.

Вулкан Спурр і кратер Пік (Аляска). Фото G. McGimsey (Alaska Volcano Observatory, USGS). Ці томографічні моделі відображають зміни всередині вулкана Спурр на Алясці під час сейсмічної кризи в 2002-2006 рр. У 2002 р. аномалія з підвищеним ставленням сейсмічних швидкостей Vp/Vs різко змінила свою форму, змістивши верхню межу на 2 км вгору. На моделі схематично показана можлива причина такої зміни, пов’язана з підйомом магматичних флюїдів

Єдиним поясненням такої значної і швидкої зміни будови камери може бути викид перегрітої води з магматичного вогнища і її проникнення під великим тиском у верхню крихку частину земної кори. На глибині 2 км вода внаслідок декомпресії перетворюється на пар, який, продовжуючи підніматися, викликає розриви порід і утворення все нових і нових тріщин. «Хруст», що виникає при цьому, реєструється приладами у вигляді сотень і тисяч мікроземлетрусів. Такий процес послаблює міцність кори і тим самим готує шлях для прориву магми. Однак у цьому випадку тиск в осередку виявляється недостатнім для виверження.

Можливо, через кілька десятиліть після насичення магми новою порцією активних флюїдів вулкан зробить ще одну спробу вивергнутися через центральний купол. Зробити це, ймовірно, йому вже буде простіше завдяки чималій «роботі», яку він виконав у попередні роки.

Результати робіт новосибірських сейсмологів були опубліковані в 2018 р. у престижному науковому журналі Scientific Reports, що входить до групи Nature, і в Geophysical Research Letters.

Сплячі і прокидаються

Інше наукове завдання літньої експедиції стосувалося ще одного вулкана Ключевської групи — Удіни. До недавнього часу цей вулкан вважався сплячим, проте в кінці 2017 р. сейсмологи почали реєструвати в його околицях землетруси, інтенсивність яких посилювалася в часі.

Слід було пильно спостерігати за активністю Удіни, проте Камчатська філія геофізичної служби РАН (КФМР) мала у своєму розпорядженні для цього лише 3-4 станції, розташовані на відстанях 25-40 км, та до того ж лише з одного боку від вулкана. З їх допомогою не можна було надійно визначати координати землетрусів; особливо погано визначалася глибина вогнищ, тому судити про джерела магматичної активності було неможливо.

У 2018 р. новосибірські сейсмологи встановили навколо вулкана Удіна чотири сейсмічні станції (червоні трикутники). До цього інформація з вулкана надходила лише на станції постійної мережі КФМР РАН (чорні трикутники). Карта побудована на основі даних по рельєфу з сайту gmrt.org (Ryan et al., 2009)

Тому навесні 2018 р. ІнГГ виділив кошти та обладнання на встановлення на Удіне чотирьох станцій. У квітні команда сейсмологів вирушила на вулкан на вертольоті MI-8, проте погода в цій частині Камчатки виявилася непередбачуваною: на горі дув штормовий вітер. Проте було зроблено кілька спроб посадити вертоліт на різні схили вулкана, що закінчилися невдачею: учасникам експедиції довелося пережити кілька неприємних моментів, коли здавалося, що машина втрачає управління.

Викопавши саму верхню сейсмічну станцію, розташовану в безпосередній близькості від активного вулканічного конуса Безіменного, вчені з радістю переконалися, що вона знаходиться в робочому стані

Все йшло до того, що роботи за проектом доведеться закінчити, проте вченим допоміг випадок. Один з пілотів, який давно співпрацював з новосибірцями, в цей час навчав одного бізнесмена літати на його власному вертольоті. Власнику вертольота запропонували допомогти вченим встановити станції і заодно потренуватися в польотах у важких високогірних умовах, замість того щоб безцільно кружляти над Камчаткою, налітаючи годинник.

Всі учасники нової експедиції з великим ентузіазмом сприйняли цю ідею, а сам господар вертольота разом з дослідниками бурив у мерзлій землі за допомогою перфоратора ями для установки сейсмічних станцій. В результаті такої дружної і високопрофесійної роботи мережа була успішно і з мінімальними витратами поставлена в безпосередній близькості від вулкана.

У липні ці станції разом із записаними на них даними були зняті в той же час, що і з вулкана Безіменний. Вже за результатами попередньої обробки цієї інформації можна з упевненістю сказати, що магматична система вулкана Удіна цілком «жива». І якщо навіть цього разу активізація вулкана не розродиться виверженням, воно цілком може трапитися в найближчі роки.

Інший вулкан, який зовсім несподівано «прокинувся», розташований на півдні Камчатці. 24 березня 2017 р. почалося вибухове виверження вулкана Камбальний, раніше вважався згаслим. Оскільки цей вулкан знаходиться на великій відстані від населених пунктів і доріг, організувати систему моніторингу було надзвичайно важко. На жаль, знайти кошти, щоб встановити сейсмічну мережу в рік виверження, не вдалося. І лише влітку 2018 р. ІВіС ДВО РАН організував на цей вулкан міждисциплінарну експедицію, основна мета якої складалася в установці 10 сейсмічних станцій, частина з яких була надана ІнГГ СО РАН.

Хоча до того часу виверження вже завершилося, прилади продовжували реєструвати досить сильну сейсмічну активність під вулканом, яку пов’язують з процесами переміщення і трансформації магми в харчуючій вулкан системі. Інформація, яка буде отримана протягом року після установки станції, буде використана для побудови тривимірної сейсмічної моделі кори під вулканом і визначення конфігурації магматичних каналів.

Шумова томографія для Авачі

У 2012 р. фахівці з ІНГГ СО РАН встановили на вулканах Авачинської групи свою першу сейсмічну мережу. У попередні місяці вулкани вели себе досить активно, демонструючи відносно високий рівень сейсмічності. Передбачалося, що за кілька місяців роботи станцій буде отримано матеріал, достатній для того, щоб побудувати тривимірну сейсмічну модель вулкана.

Однак Авачинський вулкан ніби «застіснявся» своїх дослідників і більше не виявляв жодних ознак активності. За кілька місяців з початку роботи мережі було зареєстровано всього кілька десятків сейсмічних подій, що недостатньо для використання томографічного методу. До того ж морози нагрянули тоді, коли сніговий покрив був ще невеликим, тому деякі станції переохолодилися і перестали працювати.

Результатом цього першого, не надто вдалого досвіду стали сейсмічні дані, отримані лише за два місяці безперервної роботи всіх станцій. Оскільки класичний томографічний метод виявився в даному випадку непримінним, довелося шукати інші способи отримати корисну інформацію. Успішною альтернативою став нещодавно розроблений метод «шумової томографії». Суть його в тому, що проводиться крос-кореляційний аналіз безперервних записів для кожної пари станцій, який дозволяє виявити сейсмічні поверхневі хвилі, що пробігали між станціями. Аналіз групових швидкостей цих хвиль на різних частотах дозволяє визначити тривимірний розподіл швидкості поперечних хвиль у середовищі.

У 2018 р. новосибірські дослідники встановили на вулканах Авачинської групи сейсмічну мережу з 19 станцій (червоні трикутники). Біля цих вулканів продовжують свою роботу і станції постійної сейсмічної мережі КФМР РАН (чорні трикутники), встановлені десятиліття тому. Карта побудована на основі даних по рельєфу з сайту gmrt.org (Ryan et al., 2009)

За допомогою цього методу була побудована сейсмічна модель Авачинської групи вулканів. Як можна побачити, на малих глибинах домінують високошвидкісні аномалії, пов’язані з міцними будівлями вулканів. На більшій глибині на південному заході від Авачинського вулкана відзначається низькошвидкісна аномалія, пов’язана, мабуть, з наявністю тут величезної ями, що утворилася в результаті вибухового виверження і заповненою не дуже «міцними» осадовими відкладеннями. Ці дані побічно підтверджуються й іншими геофізичними вимірами. Отримана картина добре узгоджується з припущеннями, що близько 30 тис. років тому на Авачинському вулкані відбулося велике виверження, що супроводжується викидом великого обсягу речовини і величезними пірокластичними потоками.

Візуалізація результатів шумової томографії під вулканами Авачинський (АВЧ) і Корякський (КРК) (у двох горизонтальних і вертикальному перерізах) виконана за сейсмічними даними, зареєстрованими в 2012 р.

Доглянути за «домашніми» вулканами

Але основна мета експедиційного сезону в 2018 р. складалася в установці мережі з 18 сейсмічних станцій на вулканах Авачинської групи, які розташовані так близько до м. Петропавловськ-Камчатський, що місцеві жителі любовно називають їх «домашніми».

Головний вулкан цієї групи, який так і називається Авачинський, — один з найбільш активних на Камчатці. Останні виверження, що викликали лавові і грязьові потоки, відбулися тут в 1945 і 1991 рр. Місту вони нічим не загрожували, але & nb