6911-1 (К истории развития сейсмологических исследований на вулканах Камчатки)

К истории развития сейсмологических исследований на вулканах Камчатки

В.И.Горельчик

Приведены краткая история развития и основные результаты сейсмологических исследований на вулканах Камчатки в ХХ веке. Рассматриваются вопросы формирования представлений о связи сейсмичности и вулканизма, изучения сейсмической активности, отражающей современную деятельность вулканов, исследования глубинного строения питающих магматических систем и физических свойств среды в районах извержений. При составлении обзора внимание акцентировалось на публикациях, положивших начало исследованиям по перечисленным направлениям, а также на работах, выполненных авторами, являющимися сотрудниками Института вулканической геологии и геохимии.

В статье приведены краткая история развития и основные результаты сейсмологических исследований на вулканах Камчатки в ХХ веке. Особое внимание акцентируется на формировании представлений о связи сейсмичности и вулканизма, на изучении сейсмической активности, отражающей современную магматическую деятельность вулканов, исследовании глубинного строения питающих магматических систем и физических свойств среды в районах извержений. При составлении обзора в первую очередь рассматривались публикации, положившие начало исследованиям по перечисленным направлениям, а также работы, выполненные за последние 10 лет авторами, являющимися сотрудниками Института вулканической геологии и геохимии ДВО РАН.

Краткая история развития сейсмологических наблюдений. Инструментальные сейсмологические наблюдения за сейсмическим режимом активных вулканов начались в 1946 г. на севере Камчатки, со времени открытия в поселке Ключи первой сейсмической станции. К началу 1962 г. в районе Северной группы вулканов работали три постоянные сейсмические станции, которые вошли в создававшуюся в эти годы региональную сеть станций Камчатки. В настоящее время в районе Северной группы вулканов существует сеть из 10 радиотелеметрических станций, с конца 1996 г. ведется цифровая регистрация.

С 1964 г. началась регистрация на сейсмической станции Авача у подножия Авачинского вулкана (Южная Камчатка), расположенного в 30 км от г.Петропавловск-Камчатский. С 1996 г. в районе Авачинско-Корякской группы вулканов работает пять радиотелеметрических станций с цифровой регистрацией.

Сейсмологические наблюдения в районе Карымского вулкана с 1965 г. проводились эпизодически с помощью временных сейсмических станций, в 1970 г. была организована непрерывная регистрация в 3,4 км от вулкана. В настоящее время вместо этой станции работает установленная в 1,7 км от вулкана радиотелеметрическая станция с цифровой регистрацией.

Описание основных этапов развития сейсмометрических наблюдений на Камчатке можно найти в работе [54]. С 1974 г. все инструментальные сейсмологические наблюдения на Камчатке осуществляются Комплексной опытно-методической партией Геофизической службы Российской Академии Наук.

В 1991 г. на Камчатке был организован Институт вулканической геологии и геохимии, в котором работает научно-исследовательская группа вулканической сейсмологии в составе В.А.Широков, В.И.Горельчик, О.С.Чубаровой и А.В.Сторчеуса.

Некоторые результаты работ 1946-1990 гг. Начало научным исследованиям сейсмичности вулканов Камчатки было положено в трудах российских вулканологов В.И.Влодавца, Б.И.Пийпа, Г.С.Горшкова, П.И.Токарева. Особого внимания заслуживают работы Г.С.Горшкова и П.И.Токарева, в которых были изложены и интерпретировались первые данные о сейсмичности вулканов Северной Камчатки и которые на долгое время стали "учебными пособиями" для не одного поколения камчатских вулканологов-сейсмологов. В статьях Г.С. Горшкова дано первое описание вулканического дрожания и различных типов вулканических землетрясений, предлагалось ввести широко распространенный в настоящее время термин "вулкано-тектоническое землетрясение", отмечена определяющая роль глубины очагов в различиях между типами землетрясений, указывалось на возможность прогноза места и силы извержений вулканов по сейсмологическим данным [16-20,75]. С поразительной интуицией, основываясь на весьма ограниченном материале, Г.С.Горшков сделал основополагающие предположения о том, что питающая магматическая система Ключевского вулкана должна протягиваться до низов коры и уходить в верхнюю мантию. Предложенная Г.С.Горшковым методика обнаружения магматических очагов вулканов по затуханию сейсмических волн от землетрясений получила признание во всем мире [20,75].

Первой монографией в российской вулканической сейсмологии явилась опубликованная в 1966 г. книга П.И.Токарева "Извержения и сейсмический режим вулканов Ключевской группы" [28]. Книга посвящена изучению землетрясений, связанных с деятельностью вулканов Безымянный и Ключевской, выявлению закономерностей их связи с извержениями, разработке методики прогноза извержений по сейсмическим данным. В последующих публикациях были подробно рассмотрены сейсмические явления, предварявшие и сопровождавшие катастрофическое извержение вулкана Шивелуч в 1964 г. [21,29,30,79], побочные извержения вулкана Ключевской в 1966 и 1974 гг. В работах [23,45,76]. Были описаны первые результаты сейсмологических исследований вулканов Карымский [42,44,57] и Авачинский [3,43]. Было показано, что сейсмичность ближайшего к г.Петропавловск-Камчатский Авачинского вулкана в спокойный период представлена очень слабыми неглубокими землетрясениями, происходящими в вулканической постройке и вулканогенно-осадочном слое на глубине не более 2-5 км. На основании проведения опытно-методических работ было сделано заключение о том, что для повышения эффективности слежения за сейсмическим режимом вулкана и оценок его состояния целесообразно использование высокочувствительного канала [3]. Была выявлена зависимость сейсмического режима от космических факторов, выражающаяся в существовании суточной, сезонной и одиннадцатилетней цикличности землетрясений, закономерном смещении во времени летних и осенне-зимних максимумов сейсмической активности внутри одиннадцатилетнего цикла солнечной активности [43].

В 60-70^ые годы вышла серия работ, содержащих результаты исследований глубинного строения вулканических аппаратов, полученные при использовании накапливающихся данных развивающихся на Камчатке детальных сейсмологических наблюдений. Предложенная Г.С.Горшковым идея была развита С.А.Федотовым и А.И.Фарберовым [47], А.И.Фарберовым и В.И.Горельчик [11,46,66], использовавшими для просвечивания Авачинского вулкана волны от близких землетрясений. По аналогичной методике глубинное строение "корней" вулканов Ключевской группы исследовалось в работах [41,55,56,70]. В этих работах сообщалось об обнаружении в определенных областях участка верхней мантии между земной корой и фокальным слоем зон аномального затухания короткопериодных P и S волн, которые могли быть отождествлены с объемами, частично заполненными расплавом. Существенным оказалось и то, что аномальные зоны совпадали в плане и перекрывались в большом диапазоне глубин с асейсмичными участками, выявленными при детальном исследовании сейсмичности в районе вулканов, то-есть характеризовались пониженной вязкостью вещества [1,67].

Вопросы тектоники и вулканизма и связанной с ними сейсмичности Южной Камчатки и района Ключевской группы вулканов рассматривались в работах [2,22]. Тогда же, в 70^ые годы, под руководством В.И.Горельчик было начато создание каталога землетрясений района Северной группы вулканов, в основу которого было положено использование для определения координат очагов не общекамчатского, как ранее, а местного годографа сейсмических волн [8], рассчитанного для шестислойной модели земной коры с учетом данных ГСЗ.

Были получены результаты, подтверждающие, что сейсмичность фокального слоя и вулканизм взаимосвязаны и порождены единым глубинным процессом [31,32,77]. В.А.Широков [60,61] обнаружил, что возникновение групп землетрясений с промежуточной глубиной очага в районе вулканов является характерным и необходимым (но недостаточным) признаком сейсмической подготовки всех крупных (с объемом продуктов более 0,05 км³) извержений Камчатки и Курильских островов.

Проблемы прогноза вулканических извержений обсуждались в работах [34,40,78]. П.И.Токарев первым начал создавать на Камчатке оперативную службу прогноза извержений. Непрерывное слежение за сейсмическим режимом вулканов и оперативный анализ данных, положенные в основу сейсмологического метода прогноза, позволили П.И.Токареву предвидеть извержения вулкана Безымянный в октябре 1959, в апреле 1960 и марте 1961 гг., гигантское извержение вулкана Шивелуч в ноябре 1964 г., предсказать место и время начала извержения новых Толбачинских вулканов в июле 1975 г. [33]. Позднее, в 1983 г., было успешно предсказано побочное извержение Ключевского вулкана (прорыв Предсказанный) [36]. С целью решения проблемы прогноза места, времени, энергии и опасности больших взрывов андезитовых вулканов П.И.Токаревым был выполнен сравнительный анализ явлений, связанных с пароксизмальными взрывами вулканов Шивелуч, Безымянный и Сент-Хеленс [37]. Обобщению сейсмических характеристик побочных извержений Ключевского вулкана и вопросам их комплексного прогноза посвящены статьи [38,61].

Серьезным этапом в развитии российской вулканической сейсмологии явилось Большое трещинное Толбачинское извержение 1975-1976 гг. (БТТИ), начало и дальнейшее течение которого были успешно спрогнозированы по сейсмологическим данным [33,51]. Результаты детальных исследований пространственно-временных особенностей сейсмичности, механизма и очаговых параметров землетрясений, связанных с извержением [13,48,49,51-53,68], внесли вклад не только в изучение механизма БТТИ, но и способствовали прояснению некоторых вопросов магматического питания всей Ключевской группы вулканов [53].

В 1981 г. вышла из печати книга П.И. Токарева "Вулканические землетрясения Камчатки" [35], содержащая каталог из более чем 40 тыс. землетрясений, зарегистрированных cейсмостанцией "Ключи" на вулканах Шивелуч (1958-1970 гг.), Ключевской (1955-1970 гг.) и Безымянный (1955-1970 гг.).

Возросшая детальность сейсмологических наблюдений в районе Ключевской группы вулканов позволила провести исследование сейсмической активности вулкана Безымянный на новом этапе развития внутрикратерного экструзивного купола. Этап начался с 1977 г. и характеризовался переходом от экструзивно-эксплозивных извержений к эксплозивно-эффузивным [59].

Результаты детального исследования пространственно-временных и динамических характеристик землетрясений, связанных с побочными извержениями Ключевского вулкана в 1974 и 1983 гг., исследовались в работах [4-6,23,71,76]. Обобщенные результаты изучения сейсмичности района Ключевской группы вулканов за 1971-1983 гг. приведены в работе [14]. Показана зависимость особенностей пространственно-временных соотношений вулканической и сейсмической активности от глубинного строения зон питания вулканов с различным химическим составом продуктов извержений. Итоги двадцатилетних наблюдений (1965 - 1985 гг.) за сейсмическим режимом Карымского вулкана были подведены в статье [39].

На примере района Ключевской группы вулканов О.С.Чубаровой было начато изучение сейсмического процесса с позиций дискретной иерархической модели геофизической среды [24,65]. Было доказано, что временная структура сейсмического процесса является многоуровневой, самоподобной, характеризующейся фрактальной размерностью D = 0,56-0,62 для локальных зон и D = 0,67-0,70 для района в целом.

В обзорных статьях [12,73] были суммированы основные характеристики сейсмичности районов активных вулканов и вулканических землетрясений: локальный и преимущественно роевый характер возникновения землетрясений; малая величина предельной магнитуды (до 5,5-6); повторение групп и роев землетрясений в одних и тех же сейсмоактивных зонах; большое количество поверхностных и относительно слабых событий и, как следствие, повышенные значения коэффициента (или b) в распределении числа землетрясений по энергии; наличие более длиннопериодного излучения очагов вулканических землетрясений по сравнению с тектоническими землетрясениями такой же силы. Отмечалось сходство в поведении коэффициента землетрясений и параметра плотности сейсмогенных разрывов в процессах подготовки и развития извержений и перед сильными землетрясениями, а также на сдвиговый характер подвижек в очагах вулканических1 и тектонических землетрясений, что являлось подтверждением предположения об аналогии процессов разрушения на разных масштабных уровнях, управляемых единым физическим механизмом.