CC BY
14
УДК 551.21+550.34
https://doi.org/10.24412/0131-4270-2021-5-6-77-89
О МАГНИТУДНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ ИЗВЕРЖЕНИЙ КЛЮЧЕВСКОГО ВУЛКАНА В ИСТОРИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ И ИХ ГЕОЛОГИЧЕСКОМ ЭФФЕКТЕ
ON THE MAGNITUDE DISTRIBUTION OF KLYUCHEVSKOY VOLCANO ERUPTIONS IN HISTORICAL TIME AND THEIR GEOLOGICAL EFFECT
В.В. Иванов
Институт вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук, 683006, г. Петропавловск-Камчатский, Россия
ORQD:https://orcid.org/0000-0002-8679-5881, E-mail: victorvasilievich53@gmail.com
Резюме: Гигантский Ключевской вулкан на Камчатке (4750 м над уровнем моря) в историческое время показывал беспре-дентно высокую активность. Извержения с объемами пирокла-стики от 1 млн до 10 млн м3 (с вулканическим эксплозивным индексом VEI = 2) происходили в среднем примерно один раз в два с половиной года. Извержения с объемами пирокластики от 10 млн до 100 млн м3 (VEI = 3) происходили с интервалом одно извержение примерно в 10 лет. А извержения с объемами пиро-кластики от 0,1 до 1 км3 и подъемом пепловых вулканических облаков на высоту до 25 км (VEI = 4) имели место с интервалом примерно один раз в 40 лет. Более сильных извержений в историческое время на вулкане не отмечено. Если полагать, что активность на Ключевском вулкане поддерживалась примерно на таком же уровне, как и в историческое время, то можно заключить, что за время жизни вулкана 7000 лет на нем произошло примерно 175 извержений с VEI = 4, 700 извержений с VEI = 3 и 2800 извержений VEI = 2. Распределение длительности пауз между извержениями Ключевского вулкана имеет признаки би-модальности, и поток извержений, вероятно, не может считаться случайным, пуассоновским. Извержения образуют группы близко отстоящих по времени событий, разделенных сравнительно длительными интервалами покоя.
Ключевые слова: извержение, андезибазальтовый вулкан, эксплозивный вулканический индекс, геологический эффект, Камчатка,Ключевской.
Для цитирования: Иванов В.В. О магнитудном распределении извержений Ключевского вулкана в историческое время и их геологическом эффекте // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2021. № 5-6. С. 77-89.
D0I:10.24412/0131-4270-2021-5-6-77-89
Благодарность: Автор выражает признательность В.Т. Гарбу-зовой, О.А. Гириной, В.Н. Двигало, О.В. Дирксену,| В.А. Дрознину,, И.В. Мелекесцеву, |П.П. Фирстову |и |В.А. Широкову|за полезные обсуждения рассматриваемых в статье вопросов. Особая благодарность Ю.В. Демянчуку и| Н.П. Смелову| за предоставленные фотографии.
Victor V. Ivanov
Institute of Volcanology and Seismology of Far East Division, Russian Academy of Sciences, 683006, Petropavlovsk-Kamchatskiy, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8679-5881, E-mail: victorvasilievich53@gmail.com
Abstract: The giant Klyuchevskoy volcano in Kamchatka (4750 m above sea level) in historical time showed unprecedentedly high activity. Eruptions with pyroclastic volumes ranging from 1 to 10 million m3 (with a volcanic explosive index VEI = 2) occurred on average approximately once every 2.5 years. Eruptions with pyroclastic volumes ranging from 10 to 100 million m3 (VEI = 3) occurred with an interval of one eruption of about 10 years. Eruptions with pyroclastic volumes from 0.1 to 1 km3 and ash volcanic clouds rising up to 25 km (VEI = 4) took place with an interval of approximately once every 40 years. More powerful eruptions in historical time on the volcano have not been noted. If we assume that the activity on Klyuchevskoy volcano was maintained at about the same level as in historical time, then we can conclude that during the life of the volcano of 7000 years about 175 eruptions with VEI = 4, 700 eruptions with VEI = 3 and 2800 eruptions with VEI = 2took place.The distribution of the duration of pauses between the eruptions of Klyuchevskoy volcano has signs of bimodality and the flow of eruptions probably cannot be considered random, Poissonian. Eruptions form groups of closely spaced events separated by comparatively long periods of rest. Further, more detailed studies in this direction are required.
Keywords: eruption, basaltic andesite volcano, explosive volcanic index, geological effect, Kamchatka, Klyuchevskoy.
For citation: Ivanov V.V. ON THE MAGNITUDE DISTRIBUTION OF KLYUCHEVSKOY VOLCANO ERUPTIONS IN HISTORICAL TIME AND THEIR GEOLOGICAL EFFECT.Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons.2021, no. 5-6, pp. 77-89.
DOI:10.24412/0131-4270-2021-5-6-77-89
Acknowledgments: The author is grateful to V.T. Garbuzova, O.A. Girina, O.V.DirksenJV.A. Droznin,, V.N. Dvigalo, I.V. Melekestsev, P.P. Firstov] and |V.A. Shirokovl for consultations and useful ^ discussions. Special thanks to YU.V. Demyanchuk and |N.P. Smelov l for the photographs provided.
Введение
Настоящая статья продолжает цикл публикаций по вулканологии в журналах «История и педагогика естествознания» № 2, 2014, № 1 и 2, 2015, № 2, 2016 и «Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья» № 5-6, 2018, № 3, 2019 и № 5-6, 2020 [1-7]. В этих статьях дано описание современного вулканизма на Камчатке [1], суммированы результаты работ по прогнозу вулканических извержений за последние 57 лет (с 1955 по 2012 год) [2-4],
исследованы закономерности магнитудного распределения вулканических извержений на полуострове за последние 50 тыс. лет [5], предложен возможный механизм аккумуляции магмы [6], описаны сейсмологические предвестники извержений вулканов Шивелуч и Безымянный на Камчатке [7].
Данная статья посвящена анализу исторических извержений гигантского Ключевского вулкана, самого высокого вулкана Европы и Азии (около 4750 м над у.м.) и оценке их геологического эффекта. Это сравнительно молодой
вулкан с возрастом около 7 тыс. лет | 1. [8]. Ключевской наиболее активный вулкан Камчатки,его средняя продуктивность оценивается в 60 млн т магмы в год, что на порядок превосходит продуктивность среднего вулкана суши [9]. В статье дается краткий обзор по изучению глубинного строения Ключевской группы вулканов и района вулкана Ключевского. Для представительных временных интервалов в статье даны оценки:
а) средних величин частот повторяемости извержений разных магнитуд,
б) тангенса угла наклона графика повторяемости извержений, в) среднего темпа выноса вулканом пирокла-стики, г) вида распределения интервалов времени между извержениями. Решение этих задач для Ключевского вулкана, как крупнейшего базальтового магматического центра Камчатки будет способствовать лучшему пониманию природы его деятельности, а также будет полезно для количественной оценки вулканических опасностей.
Северная группа вулканов Камчатки и Ключевской вулкан
Гигантский Ключевской вулкан (фото 1) относится к Северной группе вулканов, расположенной в центральной Камчатке на стыке Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг и является самой активной вулканической группой. Она включает в себя Ключевскую группу вулканов, гигантский действующий вулкан Шивелуч, потухшие вулканы Заречный и Харчинский, около 400 одноактных вулканических сооружений: шлаковых и лавовых конусов, экструзивных лавовых куполов и воронок взрыва [8, 10, 11].
Ключевская группа вулканов представляет собой крупнейшее скопление 13 огромных вулканов[11]: Ключевской (4700-4850 м), Камень (4500 м), Ушковский (Плоская Дальняя сопка, 4108 м), Крестовский (Плоская Ближняя сопка, 4057 м), Острый Толбачик (3682 м), Плоский Толбачик (3085 м), Овальная Зимина (3081 м), Средняя сопка (2990 м), Безымянный (2950 м), Большая Удина (2932 м), Острая Зимина (2744 м), Малая Зимина (Горный Зуб, 2242 м), Малая Удина (1945 м). Здесь в скобках указаны синонимы названий этих многоактных вулканов. Вулканы Ключевской, Плоский Толбачик, Безымянный и Ушковский являются действующими. Все перечисленные вулканы, кроме Ключевского, возникли не ранее 40-50 тыс. лет назад. Кроме того, в Ключевской группе располагается около 400 более мелких одноактных вулканических сооружений: шлаковых и лавовых конусов, экструзивных куполов и воронок взрывов.
Заметим, что Зимины вулканы Овальная, Острая и Малая образуют вытянутый в широтном направлении вулканический хребет. К сожалению, в работе [10] самый древний и сильно разрушенный вулкан Малая Зимина (Горный Зуб) перечислен дважды, что привело автора к выводу, что Ключевская группа состоит из 14 вулканов. В дальнейшем это ошибочное утверждение попало и в интернет.
Гигантский Ключевской вулкан, самый высокий вулкан Европы и Азии (высота в среднем 4750 м над у.м.) и многочисленные шлаковые конусы его моногенных извержений. Относится к Ключевской группе вулканов, состоящей из 13 огромных вулканов. Фото Ю.В. Демянчука
Ключевской образовался примерно 7 тыс. лет назад и достиг своей предельной высоты, равной в среднем 4750 м над у.м. Подъем более плотной, чем постройка вулкана, магмы в его центральном питающем канале на такую большую высоту означает, что в основании магматической колонны вулкана имеется большое избыточное давление. Под действием такого давления иногда возникают внедрения магмы в тело вулкана и его подножие, которые в некоторых случаях заканчиваются выходом магмы на поверхность земли с образованием побочных извержений (см. фото 1). Обычно побочные извержения возникают только тогда, когда имеет место вершинное извержение, что означает высокий уровень стояния магмы в центральном питающем канале вулкана и достижение больших величин избыточного давления в магматической питающей системе вулкана. Но в историческое время это имело место не во всех случаях, для наиболее удаленных побочных извержений связи с вершинными извержениями найти не удалось. Подготовка побочного извержения обусловлена роем местных вулканических землетрясений и быстрым (в течение одного-двух часов) прекращением вершинного извержения. Это объясняется внедрением магмы в земную кору в районе будущего побочного прорыва, вызванного этим оттока магмы из центрального питающего канала вулкана, и понижением уровня магмы в канале [12].
Недавние сейсмотомографические исследования глубинного строения верхней мантии и земной коры Курило-Камчатской дуги в районе ее сочленения с Алеутской дугой (Северная группа вулканов) показывают, что наиболее мощные отрицательные аномалии сейсмических скоростей относятся к Ключевской группе [13]. При удалении от зоны сочленения к юго-юго-западу вдоль Курило-Камчатской дуги интенсивность аномалий значительно снижается. Эти аномалии интерпретируются как магмо-насыщенные зоны, и делается вывод, что наиболее интенсивная генерация магмы в Курило-Камчатской зоне имеет место в области пересечения указанных геоструктурных дуг. Именно из этой области, по мнению авторов статьи,
2. Вершина Ключевского вулкана. Диаметр кратера-провала около 500 м, а его глубина -190 м. В центре большого кратера растет небольшой шлаковый конус с кратером на его вершине диаметром около 45 м, из которого поднимается пар. Вершину рассекают три крупных эрозионно-тектонических желоба. Аэрофото 4.04.1993
магма распространяется вдоль Курило-Камчатской дуги к юго-юго-западу на всю Северную группу вулканов.
Магматическому питанию Ключевской группы и Ключевского вулкана посвящены работы [14-20]. В них утверждается, что в переходном слое от коры к мантии и в нижних частях земной коры под Ключевским вулканом на глубинах 40-25 км располагается область промежуточных магматических очагов, в которых накапливается и дифференцирует основная и ультраосновная магма, и находится вероятный источник побочных (эксцентрических) извержений.
Морфология вершины Ключевского вулкана постоянно меняется. Во время извержений сравнительно маловязкая андезибазальтовая магма вулкана освобождается от растворенных в ней летучих, в основном воды, и поэтому уплотняется. Вот почему после окончания извержения магма в центральном питающем канале вулкана опускается. При этом на вершине вулкана образуются просадки с образованием огромного центрального кратера [8] (фото 2). Опускание магмы в канале также может быть вызвано ее внедрениями в тело вулкана, которые в некоторых случаях могут заканчиваться побочными прорывами. Во время последующих вершинных извержений кратер опять заполняется вулканическими продуктами и вершина вулкана становится плоской или конической (рис. 1) [21].
Вулкан Ключевской находится на восточном склоне массива, состоящего из огромных потухших вулканов Плоские Сопки и Камень. Перевалы между Ключевским и этими вулканами имеют сравнительно большую высоту, и внедрение магмы там маловероятно. Побочные извержения вулкана в основном происходят в широком восточном секторе от вершины вулкана на расстояниях до 20 км от вершины, поскольку этот сектор имеет более низкие гипсометрические отметки и магме туда легче внедряться при ответвлении ее от центрального питающего канала. Схема исторических побочных прорывов и их лавовых потоков показана на рис. 2 [10].
Рис. 1. Изменение профиля вершинного кратера вулкана Ключевской в 1968-1988 гг. Номера на рисунках обозначают номера профилей. Даты, к которым они относятся, указаны через черточку: 1 - 1.09.1968, 2 - 10.09.1977, 3 - 3.09.1979, 4 - 16.09.1982, 5 - 1.05.1984, 6 - 21.10. 1984, 7 - 8.12.1984, 8 - 19.09.1987, 9 - 19.09.1988 [21]. Например обозначение 1 - 1.09.1968 означает, что первый профиль относится к дате 1 сентября 1968 г. (по работе 21]
м
Рис. 2. Схема расположения побочных прорывов на
Ключевском вулкане в 1932-1989 гг. и их лавовых потоков (по работе [10])
Геодинамика зоны сочленения Курило-Камчатской и Алеутской структур и Ключевская группа вулканов. Стрелками показаны направления и скорости субдукции Тихоокеанской океанической плиты под Евроазиатскую
и Североамериканскую тектонические плиты
Северная Камчатка и Ключевская группа вулканов
distance, km distance, km
1,6 1,62 1,64 1f66 1,68 1,7 1,72 1,74 1,76 1,78 1,8
Vp/Vs ratio
Схема магматического питания Ключевской группы вулканов (вертикальный разрез). Вулканы: TOL - Толбачинский, BEZ - Безымянный, ^и - Ключевской. Повышенные величины отношения скоростей продольных и поперечных волн ^р^) интерпретируются как магмонасыщенные зоны (по [Кои1а^ et а1 2017])
Вулканы Ключевской группы: щитовой вулкан Ушковский (на переднем плане), слева направо вулканы Ключевской,
Камень и Безымянный. Фото © Ю.В. Демянчука 2010 г.
Вершинное извержение Ключевского вулкана в июне 2007 года и пос. Ключи. Фото Н.В. Ушакова
Шлаковые конусы побочных извержений на восточном склоне Ключевского вулкана. На заднем плане хребет Кумроч в системе восточного хребта Камчатки. Фото © Ю.В. Демянчука 2005 год
О ритмичности извержений Ключевского вулкана и прогнозе его извержений
Изучению цикличности извержений Ключевского вулкана, особенностям его извержений посвящены работы [22-28]. Б.И. Пийп [22] обнаружил, что извержения Ключевского вулкана образуют серии (группы) относительно быстро следующих друг за другом извержений, разделенных сравнительно длительными паузами. Эти серии он назвал эруптивными циклами. В работах [23, 24] эти представления были детализированы на более широких временных интервалах. В статьях [25, 26] исследовалось влияние космических ритмов и явление увеличения высоты побочных прорывов со временем с приближением их к вершинному кратеру вулкана. На этом основании авторы смогли предвидеть время следующего вершинного извержения в среднесрочном (с заблаговременностью до одного года) варианте. Распределение активизаций (извержений) Ключевского вулкана по размерам на основании длительности эпизодов сопровождающего вулканического дрожания рассматривалось в работе [27]. Данные о распределении извержений Ключевского вулкана по магнитудам впервые докладывались на региональной вулканологической конференции в 2020 году [28]. Настоящая статья является расширенным изложением приведенных там материалов.
Исходные данные и методика их обработки
Оценка объемов или масс изверженных продуктов для действующих вулканов, в частности для Ключевского вулкана, встречает значительные трудности. Это связано с большой высотой вулкана и его недоступностью, наличием глубокого вершинного кратера, размеры и параметры заполнения которого не всегда известны, распространением лавы в эррозионно-тектонических желобах, постоянно меняющих свою конфигурацию, поглощением лавовых потоков ледниками, распространением тефры извержений на большие площади и т.д. Вот почему в каталоге извержений вулканов мира И.И. Гущенко [29] данных по объемам и массам продуктов, изверженных камчатскими вулканами, сравнительно мало. Поэтому нам пришлось ограничиться анализом только взрывных магнитуд исторических извержений, причем полученных полуколичественным методом [30].
Вулканический эксплозивный индекс (УЕ!) [30] дает оценку воздействия взрывного извержения на атмосферу и в настоящее время является главной и практически единственной логарифмической оценкой размера взрывного извержения, которую можно найтив каталогах [30]. Это целочисленная характеристика, которая принимает значения от 0 до 8 (табл. 1 в работе [31]). Здесь УЕ! = 0 относится к самому слабому, а УЕ! = 8 - к наиболее сильному, пароксизмальному, колоссальному климатическому взрывному извержению. Оценка УЕ! производится на основе ряда количественных и качественных параметров извержения, одним из которых является объем изверженной пирокла-стики (Ур). Из табл. 1 в работе [30] можно вывести, что по величине УЕ! объем выброшенной во время извержения пирокластики (Ур) в кубометрах можно приближенно оценить по формуле
Ур (м3) * 10^ + 45 (УЕ! > 2) (1)
Анализ объемов выброшенной пирокластики по формуле (1) имеет существенные ограничения. Во-первых,
использование этой формулы для оценки объемов выброшенной пирокластики не может считаться достаточно строгим подходом. Тем не менее, за неимением лучшего, для оценки указанных объемов автором было использовано это выражение. Во-вторых, поскольку УЕ! принимает только целочисленные значения, эти объемы по формуле (1) могут быть рассчитаны только с точностью до половины порядка.
Были проанализированы данные о УЕ! для извержений Ключевского вулкана в каталоге [31] с 1675 по 2016 год. На указанном временном интервале детальность каталога была неодинаковой, она постепенно увеличивалась со временем. Поэтому для получения адекватных оценок частот повторяемости извержений для каждой взрывной магнитуды УЕ! были построены кумулятивные графики числа извержений. На этих графиках выделялись линейные участки, которые давали представительные временные интервалы для выбранного УЕ!. Затем полученные частоты нормировались на один и тот же временной интервал, равный 1000 лет. Это позволяло рассчитать средние интервалы повторяемости извержений различных эксплозивных вулканических индексов УЕ!. По этим данным строились нормированные частотно-магнитудные распределения извержений Ключевского вулкана, что имело самостоятельный фундаментальный интерес. Строились также кумулятивные графики объемов пирокластики, на основе чего оценивался геологический эффект взрывного вулканизма Ключевского вулкана. Также был проведен анализ распределения длительности пауз между извержениями.
Частотно-магнитудное распределение извержений Ключевского вулкана в историческое время
На рис. 3 показано распределение взрывной магнитуды УЕ! извержений Ключевского вулкана на временно'м интервале с 1697 по 2016 год. Из рисунка видно, что в каталоге очень мало извержений с УЕ! = 1.
То есть для Ключевского вулкана данные о самых слабых извержениях непредставительны и поэтому анализировать их не имеет смысла. На рис. 4 показаны кумулятивные графики числа извержений с УЕ! = 2 и с УЕ! = 3. На основе этих графиков представительные временные интервалы
Рис. 3. Распределение вулканического эксплозивного индекса Ш извержений Ключевского вулкана во времени с 1675 по 2016 год
¿г
50 -
20 -
/
1700 1750 1800
выбраны с 1875 по 2016 год для УЕ1 = 2 и с 1935 по 2016 год для УЕ1 = 3.
В каталоге было всего три извержения с УЕ1 = 4 и для них в качестве представительного принят весь рассматриваемый интервал с 1697 по 2016 год (319 лет).
Вызывает удивление, что представительный временной интервал для событий с VЕ1 = 2 почти в два раза продолжительнее, чем таковой для более сильных событий с VEI = 3 (141 и 81 год соответственно). По нашему мнению, это связано с тем, что в случае недостатка информации о конкретном извержении на Камчатке сотрудники центра Смитсонианского института присваивали данному извержению взрывную магнитуду VEI = 2. Вероятно, они полагали, что если извержение попало в поле их зрения, то оно как минимум имеет эксплозивный индекс VEI = 2.
На представительных временных интервалах эмпирические частоты встречаемости извержений равны 46/0,141 = 326 и 12/0,081 = 148 событий на 1000-летнем интервале для VEI = 2 и VEI = 3, соответственно. Для VEI = 4 частота встречаемости оценивается как 4/0,319 = 12,5 события за 1000 лет. Эти данные были использованы для построения графика повторяемости параметра VEI для извержений Ключевского вулкана (рис. 5). На этом графике количество событий нормировано на 1000 лет.
Данные на этом рисунке аппроксимируются следующей регрессионной зависимостью:
Рис. 4. Кумулятивные графики числа извержений с Ш = 2 и Ш = 3 для Ключевского вулкана
Ключевской VEI = 2
/
Представительный временной интервал
для VEI =2 1875-2016гг, (141год)
А
14 12 10 8 6 4 2 0
Ключевской /
ш=зж/ * * /' %' %' *
л * ' ж Представительный времен-
ной интервал для \ЛЕ 1 =3 с 1935 по 2015гг. (81год) 12 событий
-1—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—г-
1одю/ = |одю% - ^в
(2)
где у - прогнозируемое количество извержений для данного VEI за 1000 лет, N0 - начальное значение, - коэффициент регрессии, равный для исторических извержений 0,6 (см. рис. 5). Извержений с VEI > 4 на Ключевском вулкане в историческое время на 341-летнем временном интервале с 1675 по 2016 год не отмечено. Вопрос реальности таких извержений пока остается открытым.
Аппроксимация (2) данных рис. 5 дает средние частоты повторяемости и интервалы между извержениями Ключевского вулкана (табл. 1).
О группируемости извержений Ключевского вулкана
В работах [22, 32, 33] сообщается, что извержения Ключевского вулкана образуют серии (группы) относительно быстро следующих друг за другом извержений, разделенных сравнительно длительными паузами. Мы попытаемся уточнить эти предположения. Будем рассматривать не все извержения, а только извержения с VEI = 2 на представительном 166-летнем временно'м интервале с 1850 по 2016 год. На рис. 6 показано, как изменялась длительность пауз (т) между извержениями с течением времени, а на рис. 7 изображено частотное распределение параметра (т).
На рис. 7 выделяются четыре наиболее длительные паузы с длительностью от 10 до 14 лет, которые образуют изолированную группу. Это вероятно свидетельствует о бимодальном распределении интервалов (т) между извержениями
1850 1900
Дата
1950 2000 2050
1925 1950
1975
дата
2000 2025
Рис. 5. Дифференциальный график частотного распределения взрывной магнитуды извержений ШI) Ключевского вулкана за историческое время. Цифры у точек обозначают количества извержений в выборках для соответствующих, выбранных заранее представительных временных интервалов. Числа извержений N нормировались на один и тот же 1000-летний интервал. уш - тангенс угла наклона аппроксимирующей прямой; г2 - степень надежности аппроксимации
Рис. 6. Изменение длительности интервалов времени (т) между началами извержений Ключевского вулкана с Ш = 2 с течением времени. Выборка с 1850 по 2016 гг.
16 1
14 ■
12 -
10 -
8 ■
ь
1) 6 -
ч
н 4 ■
2 -
0 -
Ключевской 1875-2016 1/£/ =2
Ж
Ж
ж
Ж N =45 166 лет
ЖЖ
Ж
Ж
ж ж ж > ж
ж.
ж
ж
ж
ж
1850 1875 1900 1925 1950 1975 2000 2025
Дата
Таблица 1
Средние частоты повторяемости и ожидаемые интервалы времени между извержениями Ключевского вулкана для взрывных магнитуд VEI = 2-4 за историческое время
VII Число извержений на 1000 лет (/V) Средний интервал между извержениями (лет) Примеры извержений
2 400 2,5 ...2005, 2007, 2009 гг. ...
3 100 10 ...1945,1994 гг. ...
25
40
1829, 1931, 1986 гг. .
Рис. 7. Плотность вероятности длительности интервалов между извержениями (т), изображенных на рис. 6. Выборка с 1875 по 2016 год
Рис. 8. Кумулятивный график объемов пирокластики,
выброшенной Ключевским вулканом за историческое время по данным VEI из каталога [31], расчет по формуле (1)
1.6
^ 1.2 &
4^0.8 0.4
/ / 1 +_
/
1 / /
/ : / Пр едставит^ льный
- ✓ ! - I временной интервал | (1905-2016)гг | 111 лет) 1-1-(-
1650 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000 2050
Дата
Ключевского вулкана и о временно'й их группируемости. Этот вопрос потребует в будущем специального рассмотрения в рамках подходов, изложенных в работе [34]. Заметим, что в первом приближении параметр (т) подчиняется пуас-соновскому распределению и его плотность вероятности чрезвычайно быстро по экспоненциальному закону спадает с увеличением длительности интервала между извержениями (рис. 7). Это приводит к малому количеству данных на больших длительностях пауз (т), что необычайно затрудняет обоснованные статистические выводы.
Геологический эффект взрывной активности Ключевского вулкана в историческое время по данным каталога эксплозивных магнитуд VEI
На рис. 8 показан кумулятивный график объемов пирокластики (Х^), выброшенной извержениями Ключевского вулкана за историческое время по данным VEI из каталога [31]. Расчет объемов велся по формуле (1). График нарастает нелинейно со временем, что связано с увеличением детальности наблюдений. В первом приближении он становится линейным начиная только с 1905 года. Из графика следует, что на 111-летнем представительном временном интервале с 1905 по 2016 год вулкан извергнул примерно 1,2 км3 пирокластики. Это дает величину продуктивности Ключевского вулкана, полученную на основании данных о взрывных магнитудах VEI, примерно 12 млн м3 пирокластики в год. При плотности пирокластики 2 т/м3 это дает около 6 млн т пирокластики в год, что составляет около 10% от средней продуктивности Ключевского вулкана, равной 60 млн т по геологическим данным [9].
Выводы
На основании анализа эксплозивных вулканических индексов VEI извержений Ключевского вулкана за историческое время с 1675 по 2016 год из каталога Смитсонианского института можно сделать следующие выводы.
1. Ключевской вулкан в среднем за историческое время извергал примерно 12 млн м3 пирокластики в год (для-извержений с VEI = 2-4). При плотности пирокластики 2 т/м3 это составляет около 10% от средней продуктивности вулкана, рассчитанной по геологическим данным и равной 60 млн т в год.
2. Средние интервалы времени между началами извержений вулкана оцениваются следующим образом: извержения с VEI = 2 (объемы пирокластики 1-10 млн м3), наподобие ряда самых последних извержений вулкана, происходят в среднем примерно один раз в 2,5 года. Извержения с VEI = 3 (объемы пирокластики 10-100 млн м3), наподобие извержений в 1945 и 1993 годах, происходят с интервалом примерно в 10 лет. А извержения с VEI = 4, наподобие извержений в 1829, 1931 и 1986 годах происходят с интервалом примерно один раз в 40 лет. Реальные интервалы между извержениями будут иметь значительный случайный разброс как вследствие внутренне присущей магматическим системам случайности, так и вследствие влияния общепланетарных и космических факторов.
3. Извержений с VEI>4 в историческое время на вулкане не отмечено. Оценка их реальности в будущем, по имеющимся данным, пока не определена.
4. Если полагать, что активность на Ключевском вулкане в течение его жизни поддерживалась примерно на таком же уровне, как и в историческое время, то можно заключить, что за время жизни вулкана (7000 лет) на нем произошло примерно 175 извержений с VEI = 4, 700 извержений с VEI = 3 и 2800 извержений с VEI = 2. Это указывает на беспрецедентно высокую активность вулкана.
4
5. Распределение длительности пауз между извержениями Ключевского вулкана имеет признаки бимодаль-ности, и поток извержений, вероятно не может считаться случайным, пуассоновским. Извержения образуют группы
близко отстоящих по времени событий, разделенных сравнительно длительными интервалами покоя. Необходимы дальнейшие, более детальные исследования в этом направлении.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
3.
б.
7.
9.
1G. 11.
12.
13.
14.
1б.
16.
17.
19.
2G. 21. 22.
23.
24.
2б.
26. 27.
28.
29. 3G.
Петрашева В.В., Иванов В.В. Вулканическая жизнь Камчатки: Легенды страны огнедышащих гор // История и педагогика естествознания. 2G14. № 2. С. 14-19.
Иванов В.В. Прогноз извержений вулканов на Камчатке (основные итоги 1955-2G12 гг.). Ч. I // История и педагогика естествознания. 2G15. №1. С.13-26.
Иванов В.В. Прогноз извержений вулканов на Камчатке (основные итоги 1955-2G12) Ч. II. // История и педагогика естествознания, 2G15. № 2. С. 14-19.
Иванов В.В. Прогноз вулканических извержений на Камчатке: Роль экспертов // История и педагогика естествознания. 2G16. № 2. С. 72-78.
Иванов В.В. Распределение вулканических извержений на Камчатке за последние 5G тысяч лет: геологический эффект эксплозивного вулканизма и прогнозные оценки // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2G19. № 3. С. 37-45(inEnglish). https://doi.org/1G.24411/G131-427G-2G19-1G3G8. Иванов В.В. Степенное распределение размеров вулканических извержений: Механизм аккумуляции магмы в литосфере Земли и прогноз вулканической опасности // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2G18. № б-6. С. 43-б1. (inEnglish) https://doi.org/10.24411/0131-4270-2018-1057. Иванов В.В. Сейсмологические предвестники катастрофических извержений вулканов Шивелуч и Безымянный на Камчатке в XX столетии // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № б-6. С. 77-84. https://doi.org/1G.24411/G131-427G-2G20-6-77-84.
Хренов AA, Двигало В.Н., Кирсанов и др. Вулкан Ключевской // Действующие вулканы Камчатки. Т. 1. М.: Наука, 1991. С. 106-14б.
Поляк Б.Г., Мелекесцев И.В. Продуктивность вулканических аппаратов // Вулканология и сейсмология. 1981. № б. С. 22-37.
Ермаков ВА Формационное расчленение четвертичных вулканических пород. М.: Недра, 1977. 223 с. Мелекесцев И.В., Хренов AA, Кожямяка Н.Н. Тектоническое положение и общий очерк вулканов Северной группы и Срединного хребта // Действующие вулканы Камчатки. Т. 1. М.: Наука, 1991. С. 74-78. Широков ВА Некоторые вопросы методики комплексного прогноза побочных извержений вулкана Ключевской (Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 198б. № 6. С. 48-б8.
Koulakov I., Deev E., Jakovlev A., Novgorodova A., Stupina T., Abkadyrov I., Gordeev E. I., Shapiro N., Al Arifi N., El Khrepy S., Droznina S., Kugaenko Y., Senyukov S., Kulakov R. I., West M. Three different types of plumbing system beneath the neighboring active volcanoes of Tolbachik, Bezymianny, and Klyuchevskoy in Kamchatka // Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, vol. 122 (б), p. 38б2-3874.
Федотов СА, Хренов A.^, Жаринов НА Ключевской вулкан, его деятельность в 1932-1986 гг. и возможное развитие // Вулканология и сейсмология. 1987. № 4. С. 3-16.
Федотов СА, Жаринов НА, Горельчик В.И. Деформации и землетрясения Ключевского вулкана, модель его деятельности) // Вулканология и сейсмология. 1988. № 2. С.3-42.
Гонтовая Л.И., Хренов AA, Степанова М.Ю., Сенюков С.Л. Глубинная модель литосферы в районе Ключевской группы вулканов (Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 2004. № 3. С. 3-11.
Lees J. M., Symons N., Chubarova O., Gorelchik V., and Ozerov A. Tomographic Images of Klyuchevskoy Volcano P-wave Velocity // Volcanism and subduction: The Kamchatka region, Geophysical monograph series 172. Editors: J. Eichelberger, E. Gordeev, M. Kasahara, P. Izbekov, and J. Lees. W., DC: AGU, 2007. P. 293-306. Горельчик В.И., Гарбузова В.Т., Сторчеус AE. Глубинные вулканические процессы под Ключевским вулканом по сейсмологическим данным // Вулканология и сейсмология. 2004. № 6. С. 21-34. Федотов СА, Жаринов НА, Гонтовая Л.И., Собисевич AA Вулкан Ключевской (Камчатка): деятельность, магматическая питающая система, сейсмотомография // Изменение окружающей среды и климата. Т. II. М.: ИГЕМ РAH. 2008. С. 273-294.
Егорушкин И.И., Кулаков И.Ю., Шапиро Н.М. и др. Структура верхней коры под вулканами Ключевской группы по данным шумовой томографии // Геология и геофизика. 2021. Т. 62. № 1. С. 8б-102. Двигало В.Н. Кратер и вершинные извержения Ключевского вулкана // Вулканология и сейсмология. 1991. № б. С. 3-18.
Пийп Б.И. Особенности извержений Ключевского вулкана // Тр. лаб. вулканологии AH СССР. Вып.13. М.: Изд-во AH СССР. 19б8. С. 99-119.
Жданова Е.Ю., Рудаков В.П. Проявления ритмичности в эруптивной деятельности вулканов Ключевской группы и Шивелуча (Камчатка)// Вулканология и сейсмология. 1994. № 3. С. 20-34.
Иванов В.В., Пономарев Г.П. Ритмика извержений Ключевского вулкана и вопросы прогноза его активности // Вестник ^УНЦ, 200б. № 2(6). С. 48-61.
Кирсанов И.Т., Пономарев Г.П., Штейнберг Г.С. Некоторые закономерности извержений Ключевского вулкана // Бюллетень вулканологической станции. 1973. № 49. С. 93-98.
Широков ВА Космос и вулканы // Человек и стихия: ежегодник. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. С. 26-28. Иванов В.В. Вулканическая и магматическая деятельность вулкана Ключевской в январе 1994 - июне 2009 г. и прогноз его активности // Мат. ежегод. конф., посв. Дню вулканолога, 30-31 марта 2009 г. Петропавловск-Камчатский: ИВиС ДВО РAH, 2010. С. 39-49.
Иванов В.В. О повторяемости извержений Ключевского вулкана в историческое время и их геологическом эффекте. URL: http://www.kscnet.ru/ivs/publication/volc_day/2020/art8.pdf(дата обращения 2б.11.2021). Гущенко И.И. Извержения вулканов мира: каталог. М.: Наука, 1979. 47б с.
Newhall СА, Self S. The volcanic explosivity index (VEI): an estimate of the explosive magnitude for historical volcanism // J. Geophys. Res. 1982. V. 87. Issue С2. P. 1231-1238.
2
6
31. Global Volcanism Program. URL:http://volcano.si.edu/(датаобращения 25.11.2021).
32. Иванов В.В., Пономарев Г.П. Ритмика извержений Ключевского вулкана и вопросы прогноза его активности // Вестник КРАУНЦ, 2005. № 2(6). C. 48-61.
33. Иванов В.В. Сейсмологические предвестники вершинных извержений Ключевского вулкана на Камчатке (на примере вулканического дрожания): Автореф. дис. канд. геол.-минералог. наук: 25.00.10. Иркутск, 2011. 13 с.
34. Гусев А.А. Фрактальная структура последовательности вулканических извержений мира: порядковое группирование событий и эпизодичность выноса материала // Вулканология и сейсмология. 2014. № 1. C. 38-60.
REFERENCES
1. Petrasheva V.V., Ivanov V.V. Volcanic life of Kamchatka: Legends of the country of fire-breathing mountains. Istoriya ipedagogika yestestvoznaniya, 2014, no. 2, pp. 14-19 (In Russian).
2. Ivanov V.V. Forecast of volcanic eruptions in Kamchatka (main results of 1955-2012). Part 1. Istoriya ipedagogika yestestvoznaniya, 2015, no. 1, pp. 13-26 (In Russian).
3. Ivanov V.V. Forecast of volcanic eruptions in Kamchatka (main results 1955-2012) Part II. "Missing the target", "false alarms" and their possible causes. Istoriya ipedagogika yestestvoznaniya, 2015, no. 2, pp. 14-19 (In Russian).
4. Ivanov V.V. Forecast of volcanic eruptions in Kamchatka: The role of experts. Istoriya i pedagogika yestestvoznaniya, 2016, no. 2, pp. 72-78 (In Russian).
5. Ivanov V.V. Distribution of volcanic eruptions in Kamchatka over the past 50 thousand years: the geological effect of explosive volcanism and predictive estimates. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2019, no. 3, pp. 37-45 (In English).
6. Ivanov V.V. Power-law distribution of the size of volcanic eruptions: The mechanism of magma accumulation in the Earth's lithosphere and the forecast of volcanic danger. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2018, no. 5-6, pp. 43-51. (In English)
7. Ivanov V.V. Seismological precursors of catastrophic eruptions of the Shiveluch and Bezymyanny volcanoes in Kamchatka in the 20th century. Transport i khraneniye nefteproduktov i uglevodorodnogo syr'ya, 2020, no. 5-6, pp. 77-84 (In Russian).
8. Khrenov A.P., Dvigalo V.N., Kirsanov. Deystvuyushchiye vulkany Kamchatki. T.1 [Active volcanoes of Kamchatka. Vol. 1]. Moscow, Nauka Publ., 1991. pp. 106-145.
9. Polyak B.G., Melekestsev I.V. Productivity of volcanic apparatus. Vulkanologiya i seysmologiya, 1981, no. 5, pp. 22-37 (In Russian).
10. Yermakov V.A. Formatsionnoye raschleneniye chetvertichnykh vulkanicheskikh porod [Formational subdivision of Quaternary volcanic rocks]. Moscow, Nedra Publ., 1977. 223 p.
11. Melekestsev I.V., Khrenov A.P., Kozhyamyaka N.N. Deystvuyushchiye vulkany Kamchatki. T.1 [Active volcanoes of Kamchatka. Vol. 1]. Moscow, Nauka Publ., 1991. pp. 74-78. 12.
12. Shirokov V.A. Some questions of the method of complex forecasting of side eruptions of the Klyuchevsky volcano (Kamchatka). Vulkanologiya iseysmologiya, 1985, no. 6, pp. 48-58 (In Russian).
13. Koulakov I., Deev E., Jakovlev A., Novgorodova A., Stupina T., Abkadyrov I., Gordeev E. I., Shapiro N., Al Arifi N., El Khrepy S., Droznina S., Kugaenko Y., Senyukov S., Kulakov R. I., West M. Three different types of plumbing system beneath the neighboring active volcanoes of Tolbachik, Bezymianny, and Klyuchevskoy in Kamchatka. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2017, vol. 122 (5), pp. 3852-3874.
14. Fedotov S.A., Khrenov A.P., Zharinov N.A. Klyuchevsky volcano, its activity in 1932-1986 and possible development. Vulkanologiya iseysmologiya, 1987, no. 4, pp. 3-16. 15 (In Russian).
15. Fedotov S.A., Zharinov N.A., Gorel'chik V.I. Deformations and earthquakes of the Klyuchevsky volcano, a model of its activity. Vulkanologiya iseysmologiya, 1988, no. 2, pp. 3-42 (In Russian).
16. Gontovaya L.I., Khrenov A.P., Stepanova M.YU., Senyukov S.L. Deep model of the lithosphere in the area of the Klyuchevskaya group of volcanoes (Kamchatka). Vulkanologiya iseysmologiya, 2004, no. 3, pp. 3-11 (In Russian).
17. Lees J. M., Symons N., Chubarova O., Gorelchik V., Ozerov A. Tomographic images of klyuchevskoy volcano p-wave velocity. Volcanism and subduction: The Kamchatka region, Geophysical monograph series 172. Washington, AGU Publ., 2007. pp. 293-306.
18. Gorel'chik V.I., Garbuzova V.T., Storcheus A.V. Deep volcanic processes under Klyuchevsky volcano according to seismological data. Vulkanologiya iseysmologiya, 2004, no. 6, pp. 21-34 (In Russian).
19. Fedotov S.A., Zharinov N.A., Gontovaya L.I., Sobisevich A.L. Izmeneniye okruzhayushchey sredy i klimata. T. II. Noveyshiy vulkanizm Severnoy Yevrazii: zakonomernosti razvitiya, vulkanicheskaya opasnost, svyaz's glubinnymi protsessamiiizmeneniyamiprirodnoysredy iklimata [Environmental and climate change. Vol. II. Recent volcanism in Northern Eurasia: regularities of development, volcanic danger, connection with deep processes and changes in the natural environment and climate]. Moscow, IGEM RAN Publ., 2008. pp. 273-294.
20. Yegorushkin I.I., Kulakov I.YU., Shapiro N.M., Gordeyev YE.I., Yakovlev A.V., Abkadyrov I.F. The structure of the upper crust under the volcanoes of the Klyuchevskaya group according to noise tomography data. Geologiya i geofizika, 2021, vol. 62, no. 1, pp. 85-102 (In Russian).
21. Dvigalo V.N. Crater and summit eruptions of Klyuchevsky volcano. Vulkanologiya iseysmologiya, 1991, no. 5, pp. 3-18 (In Russian).
22. Piyp B.I. Osobennosti izverzheniy Klyuchevskogo vulkana. Tr. lab. vulkanologii AN SSSR. Vyp.13 [Peculiarities of eruptions of Klyuchevskoy Volcano. Proc. of volcanology of the Academy of Sciences of the USSR. Issue 13]. Moscow, AN SSSR Publ., 1958. pp. 99-119.
23. Zhdanova Ye.YU., Rudakov V.P. Manifestations of rhythm in the eruptive activity of volcanoes of the Klyuchevskaya group and Shiveluch (Kamchatka). Vulkanologiya iseysmologiya, 1994, no. 3, pp. 20-34 (In Russian).
24. Ivanov V.V., Ponomarev G.P. The rhythm of the eruptions of the Klyuchevsky volcano and the issues of forecasting its activity. Vestnik KRAUNTS, 2005, no. 2(6), pp. 48-61 (In Russian).
25. Kirsanov I.T., Ponomarev G.P., Shteynberg G.S. Some patterns of eruptions of the Klyuchevsky volcano. Byulleten' vulkanologicheskoy stantsii, 1973, no. 49, pp. 93-98 (In Russian).
26. Shirokov V.A. Kosmos i vulkany. «Chelovek i stikhiya», yezhegodnik [Space and Volcanoes. Man and Elements, yearbook]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1973. pp. 26-28.
27. Ivanov V.V. Vulkanicheskaya i magmaticheskaya deyatel'nost' vulkana Klyuchevskoy v yanvare 1994 - iyune 2009 gg. i prognoz yego aktivnosti [Volcanic and magmatic activity of the Klyuchevsky volcano in January 1994 - June 2009 and the forecast of its activity]. Trudyyezhegodnoykonf, posvyashchennoy Dnyu vulkanologa [Proc. of annual conference dedicated to the Volcanologist's Day]. Petropavlovsk - Kamchatskiy, 2010, pp. 39-49.
28. Ivanov V.V. O povtoryayemosti izverzheniy Klyuchevskogo vulkana v istoricheskoye vremya i ikh geologicheskom effekte (On the frequency of eruptions of Klyuchevsky volcano in historical time and their geological effect) Available at: http://www.kscnet.ru/ivs/publication/volc day/2020/art8.pdf (accessed 25 November 2021).
29. Gushchenko I.I. Izverzheniya vulkanovmira (katalog) [Volcanic eruptions of the world (catalogue)]. Moscow, Nauka Publ., 1979. 475 p.
30. Newhall C.A., Self S. The volcanic explosivity index (VEI): an estimate of the explosive magnitude for historical volcanism. J. Geophys. Res., 1982, vol. 87, no. C2, pp. 1231-1238.
31. Global Volcanism Program Available at: http://volcano.si.edu/ (accessed 25 November 2021).
32. Ivanov V.V., Ponomarev G.P. The rhythm of the eruptions of the Klyuchevsky volcano and the issues of forecasting its activity. Vestnik KRAUNTS, 2005, no. 2(6), pp. 48-61 (In Russian).
33. Ivanov V.V. Seysmologicheskiye predvestniki vershinnykh izverzheniy Klyuchevskogo vulkana na Kamchatke (na primere vulkanicheskogo drozhaniya). Diss. kand. geol.-min. nauk [Seismological precursors of summit eruptions of the Klyuchevskoy volcano in Kamchatka (on the example of volcanic trembling). Cand. geol. min. sci. diss.]. Irkutsk, 2011. 13 p.
34. Gusev A.A. Fractal structure of the sequence of volcanic eruptions in the world: ordinal grouping of events and episodic removal of material. Vulkanologiya iseysmologiya, 2014, no. 1, pp. 38-60 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Иванов Виктор Васильевич, к.г.-м.н., с.н.с. лаборатории геодинамики Viktor V. Ivanov, Cand. Sci. (Geol.-Min.), Senior Researcher, Institute of и палеотектоники, Институт вулканологии и сейсмологии Volcanology and Seismology of Far East Division, Russian Academy of
Дальневосточного отделения Российской академии наук. Sciences.
