Характеристики магматической системы вулкана Шивелуч

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт вулканической геологии и геохимии ДВО РАН

Характеристики магматической системы вулкана Шивелуч

Ю.Б. Слезин

Адрес для переписки: 683006, Петропавловск-Камчатский, Бульвар Пийпа 9, Институт вулканической геологии и геохимии ДВО РАН, Слезин Ю.Б.; тел. (41522)59360; e-mail slezin@kcs.iks.ru

Статья вышла: Вулканология и сейсмология (2005) №2. С3-7

Петропавловск-Камчатский, 683006

Аннотация

Полученные в недавнее время детальные количественные сведения о режиме деятельности вулкана Шивелуч позволили использовать теоретические модели для получения информации о структуре магматической системе вулкана. Оценки дают диаметр канала около 140 метров и диаметр цилиндрического периферического очага несколько более 0,5 км. Предполагается существование более глубокого, более крупного очага, из которого подпитывается периферический.

Вулкан Шивелуч - это крупнейший и самый активный андезитовый вулкан Курило-Камчатской зоны, превосходящий средний уровень по объему изверженного материала и по продуктивности примерно в 10 раз; он является одним из крупнейших и активнейших подобных вулканов в мире [1]. Его уникальность очевидно связана с положением непосредственно на стыке Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг. Шивелуч сложный вулкан с длительной и богатой историей развития. В настоящее время активность сосредоточена в кратере так называемого Молодого Шивелуча, расположенного в северо-западной части кальдеры, срезавшей и частично уничтожившей конус Старого Шивелуча примерно 30 тысяч лет тому назад [1]. Молодой Шивелуч - существенно экструзивный вулкан с периодически повторяющимися катастрофическими эксплозивными извержениями. Интервалы между катастрофическими извержениями составляют приблизительно 100-300 лет, а количество изверженного материала в каждом таком извержении - от примерно одного до нескольких миллиардов тонн.

Режим деятельности молодого Шивелуча в течение последних столетий достаточно детально восстановлен тефрохронологическими методами с использованием радиоуглеродного датирования и фотограмметрии для определения объемов [2,3]. Наиболее детальные количественные данные, приведенные в указанных работах, относятся к последнему 350-летнему периоду и, особенно, к последнему циклу активности, начавшемуся катастрофическим извержением 1964 года. Основные особенности эруптивной деятельности Молодого Шивелуча можно сформулировать следующим образом:

1) наблюдается циклическое чередование кратковременных высокоинтенсивных газо-пирокластических извержений с длительными периодами относительного покоя, включающими несколько довольно продолжительных эпизодов экструзивной деятельности;

2) интервалы между газо-пирокластическими извержениями, начиная с 970 года, составляют 60 - 400 - 220 - 200 - 110 лет. В среднем 200 лет с намеком на цикличность следующего порядка с периодом примерно 1000 лет;

3) средний темп поступления вещества за последние 350 лет приблизительно постоянен при усреднении по интервалам порядка 50 лет и равен 450 кг с^-1, а за последние 110 лет с 1854 по 1964 годы - 560 кг с^-1;

4) средняя интенсивность газо-пирокластических извержений очень высока - в 1964 году 9х10¹¹ кг магмы было выброшено за 20 минут со средней интенсивностью 7,5х10⁸ кг с^-1;

5) между окончанием газо-пирокластической стадии и началом первого экструзивного эпизода наблюдается значительный интервал полного покоя (в 1964 году - 16 лет);

6) интенсивная газо-пирокластическая (Плинианская) стадия, как правило, предваряется крупным обвалом.

Если к этим данным добавить сведения о составе и термодинамических параметрах магмы в очаге, можно использовать теоретическую модель автора [4,5,7,9,12] для получения информации о структуре магматической системы вулкана. Или наоборот, если имеются сведения о геометрии магматической системы, используя теоретические модели, можно получить информацию о свойствах магмы. В данной работе рассматривается первая задача с использованием сведений о свойствах магмы в очаге, полученных петрологическими методами.

Решаемая задача относится к классу обратных, и, поэтому, решение ее в общем случае не единственно в принципе. Для ограничения возможных вариантов с самого начала выбирается общая схема в виде системы «очаг-канал», то есть «емкость-проводник». Под очагом подразумевается обычно периферический очаг, соединенный каналом непосредственно с поверхностью земли. Такая структура магматической системы общепринята и надежно подтверждена как анализом ее динамического поведения и сопоставлением его с наблюдениями, так и геологическими данными о структуре вскрытых эрозией вулканических аппаратов. Так что необходимо лишь найти количественные характеристики очага и канала.

Вулканический очаг. М. Хэмфри [11] оценила термодинамические параметры магмы в очаге вулкана Молодой Шивелуч по составу минеральных комплексов включений, и пришла к следующим результатам. Температуры, определенные с помощью различных геотермометров находятся в диапазоне 800-900 градусов стоградусной шкалы, максимальное содержание растворенной воды - 5,2% по массе, давление, при котором происходила кристаллизация включений, соответствует глубине очага между 5 и 6 км. При таких значениях параметров прекращение катастрофической плинианской стадии должно быть обусловлено погружением уровня фрагментации в очаг, сопровождающимся частичным его опустошением [7,9,12].

Степень опустошения очага характеризуется предложенной в работе [13] величиной так называемого магматического опускания (magma drawdown) - Д. Магматическое опускание определяется формулой:

Д = M/с_lA, (1)

где М - полная масса изверженного вещества; с_l - плотность расплава без пузырьков; А - площадь горизонтального сечения очага.

Величина магматического опускания рассчитывалась с помощью стационарной модели [7,9,12] по следующим формулам:

,

, (2)

, B = с_ga/p_aс_l,

,

где с₀ - массовая доля летучего компонента в исходной магме; с_l - плотность расплава; с_ga - плотность летучего компонента при атмосферном давлении и температуре магмы; р_а - атмосферное давление; в₀ - объемная доля пузырьков газа у верхней кромки очага; а - коэффициент в выражении зависимости растворимости от давления; g - ускорение силы тяжести. Величина в₀ соответствует началу разрушения пены и принимается приблизительно равной объемной доле одинаковых плотноупакованных пузырьков - 0,74. Практически она может быть как меньше, так и больше этой величины, что зависит от устойчивости пены, определяемой содержанием в магме различных поверхностно-активных компонентов.

Далее по известному объему выброшенного вещества, приведенному к плотной магме, оценивался горизонтальный размер периферического очага (в предположении цилиндрической его формы).

Для расчета величины магматического опускания необходимо знать условия у верхней кромки очага в момент прекращения газо-пирокластической стадии извержения. Этот момент должен соответствовать началу разрушения силикатной пены в очаге [7,9,12], когда кратность ее примерно соответствует плотной упаковке газовых пузырьков. При равновесности газоотделения для условий Шивелуча этому соответствует давление 13 МПа и содержание растворенной воды примерно (2-2.1)%. Тогда максимальная величина магматического опускания будет около 2 км, и диаметр цилиндрического очага составит чуть менее 0.5 км. Поскольку плинианская фаза извержения длилась всего 20 минут, и диффузионное равновесие не могло быть достигнуто, степень опустошения очага должна быть несколько меньше, а горизонтальный размер очага соответственно больше, однако, во всяком случае, не больше 1 км. С малым горизонтальным размером очага (значительно меньшим, чем глубина его верхней кромки), очевидно, связано отсутствие кальдерного проседания.

Возобновление извержений, повторение циклов, говорит о существовании постоянной глубинной подпитки периферического очага, которая, скорее всего, происходит также по относительно узкому каналу из более крупного резервуара, расположенного глубже. Процесс глубинной подпитки должен быть более инерционным, чем процесс разрядки периферического очага при извержении, но на него должно влиять состояние магматической системы. Заполнение опустошенной после плинианской газо-пирокластической стадии извержения части очага и затем рост высоты купола увеличивает нагрузку на систему, уменьшает движущий перепад давления, и в результате средний темп поступления вещества из глубины должен снижаться. вулкан шивелуч магма

Можно предположить, что наблюдающийся интервал времени между окончанием газо-пирокластической стадии и началом экструзивной должен примерно соответствовать времени, потребному для заполнения частично опустошенного очага и канала. Если разделить выброшенную массу на время покоя перед началом экструзии, получим для среднего темпа поступления вещества величину 1780 кг с^-1, что втрое больше среднего темпа поступления вещества за последние 110 лет (и почти в четверо больше, чем за последние 350 лет), но близко к максимальному темпу его поступления в начале роста первого после перерыва экструзивного купола. Разница между средним темпом за 110 лет перед и за первые 16 лет после частичного опустошения очага существенная. Она может означать либо, что магме пришлось заполнять объем, значительно уменьшившийся из-за деформаций и обвалов стенок очага и канала, либо, что темп поступления вещества в очаг сразу после катастрофического извержения был значительно больше среднего за 350 или 110 лет. Вероятно работает и первое и второе, но, по-видимому, в большей степени второе, на что указывает близость темпа заполнения опустошенной части очага и начала роста купола. Если работает в основном второй механизм, величина возрастания темпа поступления вещества в очаг после его опустошения может указывать на существенное влияние внешней нагрузки от растущих куполов на средний темп поступления магмы, и может дать информацию о структуре более глубоких частей области питания вулкана. Чтобы делать количественные оценки желательна более подробная, детальная информация о режиме роста купола и конкретные предположения о геометрии магматической системы ниже периферического очага.

Канал. Расход определяется величиной поперечного сечения канала, его гидравлическим сопротивлением и полным перепадом давления. Полный перепад давления складывается из избыточного давления в очаге p_ex и разности гидростатических давлений магмы в канале и окружающих пород. Последнее определяется средней плотностью магмы в канале, зависящей от ее состава и структуры потока, которая, в свою очередь, зависит от перепада давлений геометрии канала и свойств магмы. Все эти обратные связи приводят к тому, что решение может быть получено только после введения некоторых допущений относительно формы канала и с использованием последовательных приближений.

Чтобы найти параметры канала, необходимо сделать два допущения. Первое, обычно принимаемое и, по-видимому, близкое к истине допущение - постоянство площади поперечного сечения канала по всей его длине. В этом случае при определенных условиях на выходе из канала возникают критические условия и скачок давления и плотности потока. Второе касается формы канала, которая может быть щелевой или цилиндрической. В работах автора [4,5,7,9,12] предполагалась щелевая форма в глубоких частях канала и цилиндрическая в области дисперсного газо-пирокластического потока. В случае Шивелуча на завершающей стадии извержения весь канал заполнен газо-пирокластической взвесью относительно небольшой плотности, движущейся с высокой скоростью. Учитывая, кроме того, что подобные катастрофические извержения повторялись на Шивелуче регулярно примерно каждые 150-200 лет, можно предположить цилиндрическую форму канала на всем его протяжении.

В этом случае расчет по методике, изложенной в [9,10,12], с использованием последовательных приближений позволяет найти величину параметра проводимости канала у.

, (3)

а также радиус канала R, и вязкость з, обеспечивающие наблюдаемый режим извержения и интенсивность плинианской стадии, и соответствующую скорость подъема магмы. В качестве последовательных приближений использовался прямой подбор подходящих параметров без оптимального алгоритма, который пока не разработан.

Для извержения 1964 года с его огромным расходом проводимость оказалась равной приблизительно 0.15 м² Па^-1 с^-1. Скорость магмы плотностью 2500 кг м^-3 перед прекращением газо-пирокластической стадии извержения равна 12 м с^-1. Средняя скорость в течение всей катастрофической плинианской стадии должна быть около 20 м с^-1. Отсюда площадь поперечного сечения канала равна 1.6х10⁴ м², что соответствует радиусу цилиндрического канала примерно 70 м. Величину вязкости в зоне жидкостного потока ниже уровня фрагментации можно оценить по уравнению (3). Радиусу канала R = 70 м соответствует вязкость 3.3х10⁴ Па с, что соответствует вязкости риолитового расплава, содержащего около 3.5% растворенной воды при Т = 900^оС. Давление на уровне фрагментации вблизи прекращения плинианской фазы равно 13 МПа, чему соответствует равновесная концентрация растворенной воды примерно 2%. (Эта величина получена по уравнению с = ар^1/2, с коэффициентом а = 0,002 МПа^-1/2, который лучше всего описывает эту приближенную зависимость при р < 100 МПа). Поскольку в данном случае равновесная концентрация не достигается, воды в расплаве должно быть больше, и 3.5 % представляется достаточно реальной величиной. Большая вязкость потребует большего радиуса канала для обеспечения наблюдавшегося среднего расхода, меньшая - меньшего.

Точность исходных данных не велика, так же как и точность расчетов, в которых использовались различные допущения и приближения. Однако, хорошая взаимная согласованность результатов подтверждает их надежность.

Обсуждение результатов. Особенности динамики извержений могут быть объяснены в предположении существования магматической системы, включающей периферический очаг, находящийся на глубине 5-6 км с диаметром немногим более 0.5 км, соединенный с поверхностью земли цилиндрическим каналом с диаметром 140 м. Небольшой и неглубокий периферический очаг формирует макроцикличность извержений Шивелуча, механизм, которой можно описать следующим образом. После очередного катастрофического извержения разрушенная магматическая пена оседает в частично опустошенном очаге, канал перекрывается сверху обвальными отложениями, очаг начинает наполняться магмой, поступающей из глубины. Сначала темп поступления вещества максимальный, по мере заполнения очага он несколько замедляется. В верхней части находится максимально дегазированная магма, оставшаяся от предыдущего цикла, ниже - более богатая летучими. После наполнения очага начинается выдавливание магмы на поверхность. Большой перерыв между окончанием газопирокластической стадии и началом экструзивной приводит к тому, что на этой последней работает не все сечение первоначального канала, а его части. В итоге возникает, как правило, серия неравномерно растущих, перекрывающихся куполов. Неравномерный рост и деформации куполов приводят к появлению трещин, обнажающих поверхность более богатой летучими магмы и открывающих доступ поверхностной воде. Все это приводит к взрывам разной природы (в большинстве своем фреатической) и частичному разрушению куполов. Увеличение высоты в сочетании с растрескиванием делает систему куполов неустойчивой, что приводит в конце-концов к грандиозному обвалу, провоцирующему мощное газопирокластическое извержение и начало нового цикла.

Возможное существование цикличности большего масштаба с характерным временем порядка 1000 лет, на что указывает закономерность изменения интервалов между катастрофическими извержениями, может говорить о существовании в глубине второго, большего по размеру очага, соединенного с периферическим также относительно узким каналом. Однако, чтобы утверждать это с уверенностью и чтобы охарактеризовать такую систему количественно данных пока не достаточно.

Работа выполнена при поддержке фонда ИНТАС (грант INTAS-01-0106).

Список литературы

1. Мелекесцев И.В., Волынец О.Н., Ермаков В.А., Кирсанова Т.П., Масуренков Ю.П. Вулкан Шивелуч. В кн.: Действующие вулканы Камчатки. Т. 1. М., Наука. 1991. С. 84-103.

2. Мелекесцев И.В., Двигало В.Н., Кирсанова Т.П., Пономарева В.В., Певзнер М.М. 300 лет жизни камчатских вулканов: молодой Шивелуч (анализ динамики и последствий эруптивной активности в XVII-XX вв. Часть I. 1650-1964 гг. // Вулканология и сейсмология. 2004. No 1. С.

3. Мелекесцев И.В., Двигало В.Н., Кирсанова Т.П., Пономарева В.В., Певзнер М.М. 300 лет жизни камчатских вулканов: молодой Шивелуч (анализ динамики и последствий эруптивной активности в XVII-XX вв. Часть II. 1965-2000 гг. // Вулканология и сейсмология. 2003. No 5. С. 3-19.

4. Слезин Ю.Б. Динамика дисперсионного режима вулканических извержений:1. Теоретическое описание движения магмы в канале вулкана. // Вулканология и сейсмология. 1983. No 5. С. 9-17.

5. Слезин Ю.Б. Динамика дисперсионного режима вулканических извержений: 2. Условие неустойчивости расхода и природа катастрофических эксплозивных извержений. // Вулканология и сейсмология. 1984. No 1. С. 23-35.

6. Слезин Ю.Б. Механизм опустошения очага при образовании кальдер. // Вулканология и сейсмология. 1987. No 5. С. 3-15.

7. Слезин Ю.Б. Изменение расхода вещества в процессе крупного эксплозивного извержения. // Вулканология и сейсмология. 1991. No 1. С. 35-45.

8. Слезин Ю.Б. Механизм экструзивных извержений. // Вулканология и сейсмология. 1995. No 4-5. C. 76-84.

9. Слезин Ю.Б. Механизм вулканических извержений (стационарная модель). М.: «Научный Мир». 1998. 127 с.

10. Слезин Ю.Б. Характеристики подводящего канала вулкана как результат анализа изменений расхода магмы при извержении. - В кн. «Вулканизм и геодинамика». Мат-лы 2-го Всероссийского симпозиума по вулканологии и палеовулканологии. Екатеринбург, 2003. С. 896-900.

11. Hamphrey M. 2004. Personal communication.

12. Slezin Yu.B. The mechanism of volcanic eruptions (a steady state approach) // J. Volcanol. and Geotherm. Res. 2003. V. 122. No 1-2, pp. 7-50.

13. SperaF.J. and Crisp J.A. Eruption volume, periodicity and caldera area: relationships and inferences on development of compositional zonation in silicic magma chambers // J. Volcanol. And Geotherm. Res., 1981. Vol. 11. P. 169-187.

Размещено на Allbest.ru