CC BY
33
УДК 551.21:930.24
Н.В. Задонина1, К.Г. Леви2
ДИНАМИКА ВУЛКАНИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА В МИРОВОЙ ХРОНОЛОГИИ ЗА ПОСЛЕДНИЕ 500 ЛЕТ
Предпринята попытка проследить динамику развития вулканического процесса во всем мире за 500-летний период независимо от географического расположения тех или иных действующих вулканов. Анализировалось количество сообщений об извержениях вулканов за год. Оценена возможная энергия извержений прошлого по косвенным признакам: объему и массе изверженного материала, высоте плюмов, диаметру взрывных кратеров. Исследованы совместные пространственно-временные соотношения между сейсмичностью и вулканизмом. Установлены периоды активизации процесса по числу извержений и по величине вулканического энергопотока. Проанализированы данные радиоуглеродного датирования вулканических извержений более чем за 40000-летний интервал времени. Выявлены главные гармоники, характеризующие цикличность проявления вулканизма в позднем плейстоцене и голоцене.
Ключевые слова: вулканизм, цикличность, энергия извержений, сейсмичность, радиоуглеродное датирование, спектральный анализ.
Библиогр. 7 назв. Ил. 11 Табл. 1.
DYNAMICS OF THE VOLCANIC PROCESS IN THE WORLD CHRONOLOGY FOR THE LAST 500 YEARS
N.V. Zadonina1, K.G. Levi2
The authors make an attempt to track the dynamics of volcanic process development all over the world during 500 years irrespective of a geographical position of these or other active volcanoes. They analyzed a quantity of volcanic eruption reports during a year. The authors estimated possible eruption energy of the past according to indirect indications: volume and weight of the eruptive material, plume height, explosive craters diameter. They examined combined spatio-temporal correlation between seismicity and volcanism. The authors determined the periods of process activation according to the eruptions number and volcanic energy flow magnitude. They analysed the data of radiocarbon dating of volcanic phenomena for more than a 40000 years time interval. The main harmonics characteristic of cyclicity of volcanism manifestation in the Late Pleistocene and Holocene are revealed.
Key Words: Volcanism, cyclicity, eruption energy, seismicity, radiocarbon dating, spectral analysis.
7 sources. 11 figures. 1 table.
Создана описательная и цифровая база данных об извержениях вулканов в мире за последние 500 лет. Предпринята попытка проследить динамику развития вулканического процесса независимо от географического расположения тех или иных действующих вулканов. Оценена возможная энергия извержений прошлого
по косвенным признакам: объему и массе изверженного материала, высоте плюмов, диаметру взрывных кратеров. Исследованы совместные пространственно-временные соотношения между сейсмичностью и вулканизмом. Установлены периоды активизации процесса по числу извержений и по величине вулканического энергопотока.
^адонина Н.В., Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, тел.: (3952)405113, е-mail: nzadonina@yandex.ru
2Леви К.Г. Институт земной коры СО РАН, 666033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128, тел.: (3952) 424562, е-mail: levi@crust.irk.ru
1Zadonina N.V., Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, е-mail: nzadonina@yandex.ru
2Levi K.G., the Institute of the Earth's crust of Siberian Department of Russian Academy of Sciences, 128 Lermontov St., Irkutsk, 664033, е-mail: levi@crust.irk.ru
Проанализированы данные радиоуглеродного датирования вулканических извержений более чем за 40000-летний интервал. Выявлены главные гармоники, характеризующие цикличность проявления вулканизма в позднем плейстоцене и голоцене.
Сейчас уже ни у кого не вызывает сомнения, что многим процессам присущи пространственные и временные закономерности, которые носят периодический характер. Полиритмичность наблюдается во всех системах окружающего мира [1]. Каждый природный процесс является подсистемой или частью мегасистемы [5]. В нашем случае, рассматривая вулканическую активность, мы имеем дело с мезо-системой или производной такой мега-системы, как земная кора. В настоящее время предпринимаются попытки на основе богатого фактического материала определить некоторые черты спектрально-временной структуры вулканической активности для отдельных регионов земного шара. Так, установлено, что имеются как общие, так и специфические черты вулканического режима в разных частях Тихоокеанского региона в диапазоне времени около 170 лет [2]. В частности, авторами выделены три вида ритмов:
• 20-летний - характерен для всего региона в целом,
• 40-летний - присущ восточной части региона, Алеутам, Аляске, Японии, Гавайским островам,
• 13-летний - характерен для Камчатки, Филиппинских и Марианских островов [2].
В нашем исследовании проявление вулканического процесса рассматривается в глобальном масштабе независимо от географического расположения тех или иных действующих вулканов. Анализировалось количество сообщений об извержении вулканов за каждый отдельный год в течение 500-летнего и 40000-летнего периодов из разных частей земного шара. На основе описательной базы данных создавалась цифровая, которая впоследствии подвергалась статистической обработке.
Анализ 500-летней выборки показал полиномиальное нарастание числа событий от года к году (рис. 1). Это связано не с природным нарастанием активности процесса, а с возрастанием числа сообщений о
N (Уо1с)
_
1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000
Рис. 1. Вариации числа вулканических извержений (мировая хронология по Гущенко [3], с дополнениями авторов [4])
них по мере расширения границ географических знаний и числа наблюдателей. Поскольку работа с полиномиальными функциями неудобна, функция была линеаризована путем логарифмирования числа N (Уо1с). В исправленный таким образом ряд данных был введен тренд, который отражает рост потока информации в связи с увеличением числа наблюдателей и расширением геоинформационного пространства. После удаления тренда была получена «исправленная» кривая (рис. 2), более или менее объективно отражающая развитие процесса.
1П0 N (\о|<)
Рис. 2. Вариации числа вулканических извержений по времени (из базовой выборки удален тренд)
Энергетические характеристики, к сожалению, имеются не для всех вулканических извержений. Для ряда событий ука-
60
50
20
заны значения объема или массы изверженного материала, высоты выбросов пи-рокластических материалов в атмосферу или размеры кратеров, возникших при взрывах вулканических аппаратов. Эти параметры позволяют получить корреляционно-регрессионные зависимости и по косвенным признакам оценить возможную энергию вулканических извержений прошлого.
На рис. 3 и в таблице приведены соответствующие зависимости между массой изверженного материала (М, т), диаметром взрывных кратеров (О, км), высо-
Л
той (Н, км) вулканических плюмов (выбросов вулканического материала в атмосферу), энергией вулканических извержений (Е, эрг) и значениями 1^1с (VEI), реально оцененных для ряда вулканических извержений. Для расчетов использовались логарифмические значения указанных величин.
Полученные корреляционно-регрессионные уравнения позволили оценить значения Е (эрг), сопоставимые со шкалой энергетических классов К землетрясений, и заполнить ячейки недостающих времен-
Е
Б
* * * *
25 • ♦ . *
. _____♦ ^---- ♦ 1*1» ♦ V = 2.04Х + 22.54
---К = 0.68+/-0.29
22
о 21 -20- 18 Н
Рис. 3. Соотношение энергии извержения Е (эрг) и основных параметров вулканов:
А - массы изверженного материала М, (т), Б - высоты Н, (км) вулканического плюма, В - диаметра В (км) кальдеры взрыва, Г - экспертных оценок активности вулкана 1у01С
Примерное соотношение параметров вулканических извержений
-0.5
О
0.5
1
1.5
2
2.5
^ок Ьв Е, эрг Ьв М, т Ьв Ц км Ьв Н, км Пример вулканического извержения, годы
0 21 6.2 -1.3 0.2 Кувае, о-ва Вануату, 1978
1 22 6.8 -1 0.4 Баранский, Южные Курилы, 1951
2 23 7.5 -0.5 0.7 Камигуин, Филиппины, 1857
3 24 8.2 -0.1 0.9 Карымский, Камчатка, 1976
4 24.5 8.5 0.1 1 Алаид, Курилы, 1981
5 25 8.9 0.25 1.1 Чикурачки, Курилы, 1853
6 26 9.6 0.7 1.4 Санта-Мария, Гватемала, 1902
7 27 10.2 1.1 1.6 Тамбора, Индонезия, 1813-1815
8 28 11? 1.6? 1.8? Санторин (?), 1650-1400 до н.э.
ных интервалов. В отличие от землетрясений, энергия которых оценивается в джоулях (Дж), энергия вулканических извержений традиционно оценивается в эргах. Зная известное соотношение этих величин энергии (1 Дж = 107 эрг), можно легко сравнивать порядки величин энергии землетрясений и вулканических извержений.
На основании пополненной базы данных, отражающей энергию вулканических извержений, была построена кривая временных вариаций выделившейся вулканической энергии (рис. 4) и вычислены параметры ее периодичности.
lg E
Spectral analysis: VAR1 No. of cases: 486
Рис. 4. Вариации по времени количества
выделившейся вулканической энергии. Пунктирная линия - реальные значения, утолщенная - сглаженные скользящим средним исходные данные
Спектральный анализ числа сообщений о вулканических извержениях и вулканическом энергопотоке за последние 500 лет позволил выявить следующие периоды повторяемости (рис. 5):
• по числу извержений- 5-8, 25, 50, 195 и 240 лет;
• по величине вулканического энергопотока - 6, 10, 30-36, 70 и 250 лет.
Чтобы добиться стационарности, убрать случайный шум, который может «забить» существенные собственные циклы в периодограмме, исходные данные сгладили скользящим средним (размер окна осреднения составил 5 лет) и удалили линейный тренд.
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 Frequency
Рис. 5. Результаты спектрального анализа числа сообщений о вулканических извержениях с 1501 по 2002 гг.
Наличие базы данных радиоуглеродного датирования вулканических событий делает возможным существенно расширить представления о периодичности (рис. 6-7) этого явления [3,4]. База данных насчитывает более 500 датировок, охватывающих более чем 40000-летнюю историю глобального вулканизма. Однако не вся длина ряда может быть использована в целях статистического анализа из-за больших временных окон, лишенных датировок. Такие окна появляются после 13 000 лет от наших дней. Поэтому для выяснения периодичности проявления вулканизма как по числу событий, так и по выделившейся вулканической энергии ограничились интервалом времени 12 000-13 000 лет.
N, относит. единицы
-rirtjk—
îlVH Fin ht i
N i
5000 7000 9000 Радиоуглеродные годы
Рис. 6. Вариации интенсивности вулканического процесса по числу событий N (радиоуглеродная хронология)
27
25
23
21
19
8
4
0
Радиоуглеродные годы
Рис. 7. Вариации интенсивности вулканического процесса по энергии извержений (УЕ1) (радиоуглеродная хронология)
Из рис. 6-7 следует, что время наиболее активного проявления вулканизма приходится на 2000 лет тому назад по числу извержений и на 4000 лет по энергии. Спектральный анализ показал наличие последовательности гармоник по числу извержений - 200, 500-600, 1100, 1325-1525, 2750 и 5200-6000 лет и 250, 500, 700, 1300, 2350-2750, 3050-3350 и 4150-4650 лет по энергии извержений. Таким образом, удалось получить практически непрерывный ряд гармоник хода вулканического процесса от историко-хронологического ряда данных к радиоуглеродному.
Особый интерес представляют совместные пространственно-временные соотношения между сейсмичностью и вулканизмом как равноправными представителями эндогеодинамики. Согласно современным представлениям о тектонике лито-сферных плит, эти явления могут не совпадать по времени, поскольку физические условия их проявления принципиально различны. Обратимся к совместному анализу частоты повторяемости и вариаций энерговыделения вулканического и сейсмического процессов. 500-летние выборки по числу зарегистрированных событий этих процессов удовлетворительно коррелируют друг с другом (рис. 8, 9). Взаимная корреляция вулканического и сейсмического энергопотоков описывается уравнением вида
1о§ Ееч = 0.28 1о§ Evolc + 8.49 при Я = 0.47±0.08.
Рис. 8. Сравнение вулканического и сейсмического энергопотоков
Для того чтобы выяснить, действительно ли активизация сейсмического процесса опережает или запаздывает относительно активизации вулканизма, выполнен кросскорреляционный анализ. В результате не выявлено сколько-нибудь закономерной картины в активизации вулканизма и сейсмичности. С большой натяжкой можно говорить, что один процесс запаздывает относительно другого или опережает его по времени на 140-180 лет (рис. 10), вели-
Рис. 9. Взаимная корреляция числа сообщений о вулканических извержениях и землетрясениях
чину небольшую по сравнению со скоростями течения эндогенных процессов в недрах Земли. Кросскорреляция энерго-
потоков (рис. 11) свидетельствует о регулярности совпадения максимумов с периодами 10, 20, 30, 40 лет на фоне более длительного, продолжительностью около 400-500 лет.
Рис. 10. Кросскоррелограмма числа сообщений об ощутимых землетрясениях и вулканических извержениях
Рис. 11. Кросскоррелограмма величин сейсмического и вулканического энергопотоков
Таким образом, в результате выполненных исследований создана описательная и цифровая база данных о динамике развития вулканического процесса в мире
за 500 лет. Для ряда исторических вулканических извержений по косвенным признакам оценена энергия. Установлены основные периоды активизации вулканизма по энергопотоку и по числу событий. Проанализированы данные радиоуглеродного датирования вулканических извержений более чем за 40000-летний интервал времени. Выявлены главные гармоники, характеризующие цикличность проявления вулканизма в позднем плейстоцене и голоцене.
Библиографический список
1. Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. - М.: Янус-К, 2002. Т. 3. - 672 с.
2. Гамбурцев А.Г., Гамбурцева Н.Г. Извержения вулканов. Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. - Т. 2. - М.: Научный мир, 1998. - С. 140-142
3. Гущенко И. И. Извержения вулканов мира. - М.: Наука, 1979. - 475 с.
4. Современная геодинамика и гелио-геодинамика. 500-летняя хронология аномальных явлений в природе и социуме Сибири и Монголии /Леви К.Г. [и др.]. -Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2003. - Кн. II. -384 с.
5. Экология человека в изменяющемся мире /Отв. ред. В.А. Черешнев. -Екатеринбург: УрО РАН, 2006. - 569 с.
6. http://www.volcano.si.edu/world Ла^еегирйопв.сГш
7. http://www.canadianarchaeology.ca /1оса!с14/с^еагскЫт
Рецензент кандидат геолого-минералогических наук, профессор Иркутского государственного технического университета Ю.А. Чернов
