CC BY
104
Вестник ДВО РАН. 2010. № 3
УДК 551.221
Т.А.КОТЕНКО, Л.В.КОТЕНКО
Состояние вулкана Эбеко (о-в Парамушир) и влияние его активизации на экологическую обстановку
Описано современное состояние влк. Эбеко (Курильские острова). С 2005 г. вулкан находился в стадии усиления фумарольной активности, завершившейся в январе—июне 2009 г. слабым фреатическим извержением. В постэруптивный период сохраняется высокая мощность фумарольных полей. В 6 км от вулкана расположен г. Северо-Курильск. Вулканические газы представляют реальную угрозу для жителей города как во время извержений вулкана, так и при активизации фумарольной деятельности.
Ключевые слова: вулкан, извержение, фумаролы, токсичные газы, мониторинг.
State of Ebeko volcano (Paramushir Island) and effect of its activation on ecological situation. T.A.KOTENKO, L.V.KOTENKO (Institute of Volcanology and Seismology, FEB RAS, Petropavlovsk-Kamchatsky).
The present-day state of Ebeko volcano (Kuril Islands) is described in the paper. Since 2005 the volcano was at the stage of amplification of fumarole activity concluded in January-June 2009 by a weakphreatic eruption. A high capacity of fumarole fields remains in the posteruptive period. The town of Severo-Kurilsk is situated at 6 km distance from the volcano. Volcanic gases pose an actual threat on the town people both during volcano eruptions and at amplification of fumarole activity.
Key words: a volcano, eruption, fumaroles, toxic gases, monitoring.
Влк. Эбеко находится в северной части хр. Вернадского о-ва Парамушир (Курильские острова). Это действующий андези-товый вулкан, для которого характерна постоянная фумарольная деятельность. Спокойное состояние вулкана прерывается частыми извержениями, предваряющимися усилением фумарольной активности. Периоды извержений продолжаются 2-4 года, межэруптивной деятельности -20-30 лет [7]. Известны исторические извержения влк. Эбеко в 1793 г., 1833-1834 гг., 1859 г., 1934-1935 гг., 1967-1971гг., 19871991 гг. В 6 км от вулкана расположен г. Северо-Курильск (рис. 1),
КОТЕНКО Татьяна Анатольевна - научный сотрудник, КОТЕНКО Леонид Вадимович - ведущий инженер (Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский). E-mail: kotenko@sakhalin.ru
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 09-05-00009а) и Президиума ДВО РАН (проекты 09-11-СО-08-006, 09-111-А-08-418, 09-111-В-08-471).
Рис. 1. Расположение г. Северо-Курильск относительно влк. Эбеко. 1989 г. Фото В.Н.Двигало
поэтому мониторинг вулкана и оценка его опасности имеют важное практическое значение. Одной из угроз является отравление воздушного бассейна токсичными составляющими вулканических газов - диоксидом углерода, сернистым газом, сероводородом, хлористым водородом. Состав вулканических эманаций любого вулкана отражает особенности многокомпонентной системы: геологического строения, состава вулканических продуктов, стадии активности и пр. Согласно современным представлениям, влк. Эбеко является одним из вулканических центров линейно-гнездового характера северной части хр. Вернадского [3], его активность соответствует периоду ослабления вулканической деятельности и характеризуется отрицательным балансом вещества, прекращением роста вулканической постройки, разрушением ее денудационными процессами [6]. Однако наличие в недрах хр. Вернадского длительно живущей гидротермально-магматической системы создает благоприятные условия для повторяющихся фреатических извержений. Магматическим источником предположительно является остывающий интрузивный комплекс: геологическим разрезом скважины ГП-3 глубиной 2,5 км вскрыта апикальная часть гипабиссального тела габбро-диоритов, над которой формируется область кипения перегретых растворов [2]. Кроме того, в питании системы существенную роль может играть выделение тепла за счет химических реакций вплоть до получения расплавов [2].
Для фумарольных и эруптивных эманаций влк. Эбеко характерен следующий состав: в порядке убывания обычно выстраивается последовательность H2O > CO2 > SO2 > H2S > HCL > N2 > O2 > Ar > H2 > СН4 > He > углеводороды. В межэруптивные периоды содержание водяного пара достигает 97-99%. В периоды активизации вулкана изменяется соотношение компонентов газовой смеси и резко увеличивается расход газов. Увеличение отношений S/Cl, H2S/SO2, S/C, F/Cl, H2O/CO2 в фумарольных газах, а также рост содержания газов группы серы (SO2, H2S), HCl, N2, Ar, O2, H2 на фоне роста их температуры являются для влк. Эбеко геохимическими предвестниками фреатических извержений [8, 9]. Наличие данных предвестников важно, если учесть, что фреатические извержения начинаются без сейсмической подготовки. Первые признаки активизации вулкана появились в 2003 г. с изменения состава фумарольных газов Северо-Восточного фумарольного поля: выросло относительное содержание SO2, HCl, H2, N2 (табл. 1). 27 января 2005 г. резко увеличилась мощность фумарол Активной воронки Северного кратера. Тепловая мощность ее парогазовых струй возросла с 7,1 до 22 МВт. Летом 2005 г. на внешнем склоне Активной воронки образовалось новое фумарольное поле Июльское с 20 мощными и множеством слабых струй и рассеянным паровыделением на площади 0,02 км2. Газы фумарол этого поля были еще более обогащены SO2, HCl, H2S, N2, O2, Ar, H2 (табл. 1), в дальнейшем наблюдался рост прогностических соотношений фумарольных газов [4]. Общий вынос газов всеми фумарольными полями влк. Эбеко в межэруптивные периоды достигает 1900 т/сут [10], в 2002-2003 гг., по нашим сведениям, продуктивность парогазовых струй составляла
Таблица 1
Изменение основных компонентов фумарольных газов влк. Эбеко, мол. %
Фумарольное поле Дата отбора Н2О Без Н2О
œ2 H2S SО2 HCl CH4 H2 n2 О2 Ar
СевероВосточное 1981 г. 19.10.2003 г. 10.02.2005 г. 94,99 96,28 1,12 1,64 0,41 - 9,7 • 10-3 0,53 - -98,01 86,82 0,38 10,7 0,9 5 • 10-4 0,001 0,98 0,191 0,015 97,76 54,43 1,52 29,58 2,15 1,3 • 10-4 9,2 • 10-4 9,48 3,074 0,134
Июльское 26.08.2005 г. 25.04.2009 г. 12.07.2009 г. 90,45 23,72 2,65 35,31 28,95 4,5 • 10-4 0,016 7,59 1,664 0,097 96,93 57,80 4,21 13,46 7,53 6,8 • 10-5 0,006 13,07 3,725 0,181 96,71 47,04 3,15 13,13 1,01 6,4 • 10-5 3,2 • 10-4 28,13 7,189 0,325
Примечание. Анализы выполнены в ИВиС ДВО РАН, аналитики В.Н.Шапарь, И.Ф.Тимофеева. Данные за 1981 г. по [11]. Прочерк - нет сведений.
около 950 т/сут (табл. 2), в 2005-2008 гг. эта величина достигла почти 9600 т/сут [5]. Анализ данных за 2003-2006 гг. о состоянии влк. Эбеко позволил сделать вывод о подготовке к извержению [4].
Состояние вулкана Эбеко в 2009 г.
Рис. 2. Фоновая парогазовая эмиссия из активного кратера влк. Эбеко 7 февраля 2009 г. Фото Л.Котенко
29 января 2009 г. началось очередное эксплозивное извержение влк. Эбеко, в г. Северо-Курильск выпал первый пепел. Жерло располагалось в Активной воронке Северного кратера, извержение началось без сейсмической подготовки. 29 и 30 января вулкан был закрыт облачностью. В городе ощущался запах сероводорода. 31 января утром вулкан открылся, стал виден парогазовый шлейф с небольшой примесью пепла длиной до 20 км, ось струи располагалась на высоте 300 м над кратером. К вечеру этого дня средняя толщина слоя пепла на оси пеплопада составила 2,5 см. 1 февраля характер активности изменился: сохранилась постоянная эмиссия пара и вулканических газов на высоту до 300-1000 м над кратером со слабой примесью пепла (рис. 2). На этом фоне несколько раз (3-5) в сутки следовали серии пепловых выбросов на высоту 0,5-3,2 км (рис. 3). С середины апреля до окончания извержения количество выбросов или их серий возросло до 8-15 в сутки. Серии состояли из 2-5 событий, каждое продолжительностью 2-14 мин. Извержение закончилось 18 июня 2009 г.
Данное извержение можно отнести к слабым вулканского типа -с усиленным выделением газов, газовыми взрывами, выбросом и выпадением вулканического пепла. Общее количество вынесенных пеп-лов за время извержения составило ~19 тыс. т. Ориентация пепловых и газовых шлейфов представлена на рис. 4. Значительная часть шлейфов была ориентирована на северо-восток и восток - в сторону г. Севе-ро-Курильск. Пепловая нагрузка за весь период извержения на территории города составила 0,6 кг/м2, опасности для строений не было.
После извержения влк. Эбеко находится в стадии высокой фума-рольной активности, расход пара и газов Активной воронки составляет ~ 6,6 тыс. т/сут, а всех фума-рольных полей - более 8 тыс. т/сут (табл. 2).
Рис. 3. Пепловый шлейф влк. Эбеко 5 апреля 2009 г. Фото Т.Котенко
Рис. 4. Ориентация пепловых и газовых шлейфов, % от общего числа случаев в январе-июне 2009 г. Контур - северная часть о-ва Парамушир
ю
Таблица 2
Вынос основных компонентов в составе фумарольных и эруптивных газов всеми термальными полями влк. Эбеко, т/сут
Компонент 1983 г. по [10] 2003 г. 2005 г. Февраль-июнь 2009 г. Июль 2009 г.
H2O 1804,5 862 7593 6767 7198
CO2 79 36,1 448 219 279
SO2 9,5 4,1 896 58,2 97,5
HCl 4 1,9 418 19,4 6,1
H2S 3,8 1,9 37 13 79,4
Ar 0,01 0,01 1,6 0,05 13,3
H2 0,002 0,001 0,013 0,002 0,003
CH4 0,0008 0,0004 0,005 0,001 0,007
Экологические аспекты активизации вулкана Эбеко
Постоянными составляющими вулканических газов являются углекислый и сернистый газы, сероводород, хлористый водород. Углекислый газ может скапливаться в понижениях рельефа и создавать смертельные ловушки для людей и животных. Содержание в воздухе 5 об. % CO2 затрудняет дыхание, 10-15 об. % вызывают нарушение координации и резкие мышечные сокращения; более 30% - потерю сознания, могут привести к смерти. При извержении влк. Эбеко в 1987-1991 гг. содержание СО2 в воздушном бассейне города не превышало 0,2 об. % [7]. Исходя из этих данных и свойств диоксида углерода опасность отравления СО2 в пределах городской черты оценивается нами как незначительная.
Наибольшую опасность представляет комплекс газов (SO2 + H2S + HCl), оказывающих сходное воздействие на организм человека, особенно на органы дыхательной системы. Наличие в воздухе высоких концентраций диоксида серы, сероводорода и хлористого водорода приводит к ухудшению состояния легочных больных (бронхит, астма, эмфизема легких), раздражению слизистых оболочек глаз, носа, горла и легких, возможны головокружение, тошнота, рвота, головные боли. Известно также, что длительное затруднение функционирования легких, связанное с влиянием загрязняющих веществ, приводит к сердечнососудистым заболеваниям. Из рассматриваемых газов наиболее токсичен сероводород.
Кроме того, он может накапливаться в организме: соединяясь с железом, входящим в состав гемоглобина, сероводород может привести к тяжелейшему кислородному голоданию и смерти [1]. В 1859 г. при извержении вулкана выделялось огромное количество серных газов [3]. Во время извержения 1987-1991 г. гидрометеостанцией «Северо-Курильск» два раза в сутки прибором «Атмосфера-1» измерялась концентрация в воздухе сернистого газа и сероводорода [7]. Регулярно регистрировалось превышение предельно допустимых концентраций (ПДК): H2S - максимум в 7,5 раза, SO2 - в 10 раз.
Резкое усиление мощности фумарольной деятельности вулкана произошло 27 января 2005 г., мощность парогазовой эмиссии нарастала и, достигнув максимума в сентябре, стабилизировалась (табл. 2). Эти процессы происходили на фоне начавшегося еще в 2003 г. роста токсичных составляющих в составе газов других фумарольных полей. Газы фумарол нового фумарольного поля Июльское, как отмечено ранее, были еще более обогащены SO2, HCl, H2S (табл. 1).
Эти факторы стали причиной ухудшения экологической обстановки в г. Северо-Ку -рильск еще до начала извержения. Вынос вулканических газов активным кратером во время извержения 1987-1991 гг. составлял от 1000 до 4500 т/сут [7]. То есть для влк. Эбеко количество вулканических газов, выбрасываемых в атмосферу в периоды активизации фу-марольной деятельности, не только сравнимо с их количеством, продуцируемым во время извержений, но может превышать его.
Дополнительными неблагоприятными факторами оказались небольшая высота выброса фумарольных газов (100-600 м), рельеф местности (узкие направляющие ущелья рек) и расположение города в низине между двумя небольшими возвышенностями. Негативное влияние оказывают следующие метеорологические факторы (рис. 5): направление и скорость ветра, количество и продолжительность ливневых осадков, местная циркуляция воздуха, явления вовлечения (для кучево-дождевой облачности) и адсорбции при наличии снежного покрова. Преобладающее с августа по апрель западное, северо-западное направление ветра (от вулкана к городу) в большой степени определяет постоянную угрозу загрязнения воздуха. Исключение составляет короткий период (май-середина августа) с преобладающим юго-восточным ветром летнего муссона. Ветры западного направления при средней скорости до 5-6 м/с (порывы до 12-13 м/с) только усугубляют ситуацию, к тому же анализ аэрологических данных показывает высокую повторяемость блокирующих слоев в атмосфере выше уровня кратера (рост скорости ветра с высотой или инверсии температуры).
5. Метеорологические факторы, способствующие загрязнению вулканическими газами в зимний период
v,>vf
^ Адсорбция Снежный пркров~|
Еще одним фактором является связанная с рельефом местная циркуляция атмосферы. В подветренной части гор могут возникать зоны завихрения и встречное основному воздушному потоку движение воздуха. Рециркуляция воздуха, которая визуально фиксируется как облачные взбросы вдоль склона на высотах 100-600 м над у. м., приводит к повышению концентрации примеси. При наличии снежного покрова на уровень загрязнения существенно влияют свойства снега: высокая газопроницаемость, адсорбция и ее обратимость, которые определяют постоянное загрязнение атмосферного воздуха вулканическими газами. Типичная схема развития процесса: при западном ветре или штиле газы достигают воздушного бассейна города. Часть газов адсорбируется снежным покровом. После изменения направления ветра загрязнение образуется из-за испарения с поверхности снега (обычного или метелевого, повторяемость и интенсивность второго в местных условиях значительно выше). По данным ГМС «Северо-Курильск», с декабря по апрель ежемесячно наблюдаются 15-22 дня с метельными явлениями. Запах сероводорода неоднократно отмечался при сильных метелях, когда средняя скорость ветра составляла 13-14 м/с, порывы достигали 30-32 м/с, что объясняется процессом дефляции снежного покрова. Пробы снега подтверждают наличие в снежной толще адсорбированных газов (табл. 3). Существенные отклонения от фона (повышенное содержание хлорид- и сульфат-ионов, общая минерализация) отмечены в пробах, если отбору предшествовали период с ветром западного направления, запах сероводорода в воздухе, ливневые осадки.
В зимний период загрязнение воздуха увеличивается за счет ливневых осадков из кучево-дождевой облачности при западных, северо-западных ветрах. Облака вертикального развития характеризуются максимальным массообменом с окружающим воздухом. Во время прохождения над вулканом кучево-дождевая облачность увеличивается за счет вынужденной конвекции при преодолении горного препятствия, в нее вовлекается воздух из окружающей атмосферы, в том числе вулканические газы, которые в основном
Таблица 3
Ионный состав в пробах снега, мг/л
Компонент Фоновое содержание 2005 г. 2009 г.
10.02 30.03 1.02 11.02
нсо3- 3,7 1,2 0 0 2,4
С1- 1,4 53,2 13,5 76,9 64,5
80„2" 4 1 7,7 2,9 233,3 122,9
Б- 0,07 0,1 0,04 6,6 4,1
£ анионов 6,17 62,2 16,44 316,8 193,9
Щ,+ 4 0 0 0 3,4 0
Ш+ 0,9 24,3 5,8 32,4 18,2
К+ 0,1 0,6 0,4 5 2,9
Са2+ 0,8 2 1,2 76,1 52,1
Mg2+ 0,2 3,4 1 9,9 7,3
Бе2+ 0 0 0 0 0
Бе3+ 0 0 0 0 0
А13+ 0 0 0 7,8 4,2
£ катионов 2 30,3 8,4 134,6 84,7
рн 5,3 4,6 4,82 3,96 4,18
Общая
минерализация 10 97,1 24,9 463,2 296,5
Примечание. Анализ выполнен в АЦ ИВиС ДВО РАН, аналитики С.В.Сергеева, А.А.Смышляева, О.В.Шульга.
проникают через боковые границы облака, что определяется высотой парогазовых выбросов. Увеличение массы облака в слое от его основания до высоты 1500 м составляет 75-220%. По данным аэрологического зондирования, нижняя граница кучево-дождевой облачности составляет 400-1000 м, верхняя превышает 2-3 км. Газы захватываются уже сформировавшимися снежными комплексами и достигают вместе с ними земной поверхности. Во время выпадения осадков происходит испарение части снежинок, захваченные газы освобождаются. Поэтому при выпадении ливневого снега отмечается появление или усиление запаха сероводорода. Зимой в г. Северо-Курильск в месяц наблюдается в среднем 20 дней с ливневыми осадками. С 28 января по 1 мая 2005 г. инструментально измерялось содержание в атмосферном воздухе H2S [4, 5]. Наблюдалось постоянное фоновое превышение ПДК в 14-20 раз, на которое накладывались пики превышения ПДК в 100 раз и более при сопутствующих направлениях ветра (западный, северо-западный) и штилях.
Следует учитывать, что в случае нахождения в воздухе одновременно нескольких газов, обладающих близким характером влияния на организм человека (SO2 + H2S + HCl), их негативное действие суммируется. В дальнейшем наблюдения за загрязнением сероводородом велись по органолептическим признакам: порог чувствительности обоняния человека для сероводорода 0,014-0,03 мг/м3, а ПДК 0,008 мг/м3. То есть человек ощущает запах сероводорода, когда ПДК превышена почти в 2 раза. Наиболее длительный период сильного загрязнения атмосферного воздуха за 2005/06 г. - 5-11 декабря 2006 г. - 7 сут с небольшими перерывами. Анализ статистики заболеваемости за 1991-2007 гг. (данные больницы г. Северо-Курильск) выявил увеличение количества бронхолегочных заболеваний в 2005-2007 гг. В период активизации вулкана появились случаи астмы среди детей и подростков. Дважды в 2006 г. санитарно-эпидемиологической службой была зафиксирована вспышка заболевания детей дошкольного возраста с признаками отравления вулканическими газами. К сожалению, медицинские токсикологические исследования в районе не проводятся, инструментального наблюдения за загрязнением атмосферного воздуха нет, хотя вопросы влияния вулканических газов на здоровье населения, проживающего вблизи действующих вулканов, изучаются во многих странах [13].
Вынос составляющих вулканических газов рассчитывался по высоте струй и данным аэрологического зондирования о скорости ветра [12] и составу фумарольных газов (табл. 2). Во время извержения вулкана общая мощность парогазовых выбросов сохранялась, но благодаря изменению компонентного состава газов токсичная нагрузка снизилась. В феврале 2009 г. в долине р. Городская в 1,5 км от окраины города, куда двое суток был ориентирован пепло-газовый шлейф и где чувствовался сильный запах вулканических газов, была обнаружена компактно расположенная группа погибших орланов с признаками смерти от удушья. После окончания извержения количество выбрасываемых в атмосферу газов по-прежнему велико. В течение пяти лет (2005-2009 гг.) активизации влк. Эбеко в среднем 10 дней в месяц в разной степени ощущался запах сероводорода (исключая май-август - месяцы летнего муссона).
Питьевая вода поступает из открытого водозабора, не защищенного от воздействия окружающей среды. Общий химический анализ проб питьевой воды за 2005-2009 гг. показал, что кислотность воды (4,69-4,85) не соответствует ГОСТу, с начала активизации вулкана наблюдается превышение ПДК по содержанию Al (максимальное - в 3,4 раза). Изначально эти изменения были обусловлены тем, что газовые выбросы загрязняют снежный покров, увеличивая его кислотность и химическую активность, благодаря чему при таянии снега интенсивнее вымываются элементы из основных пород. Во время извержения ситуация не ухудшилась только благодаря его слабости и малому количеству эксплозивного материала. Кроме того, до середины апреля 2009 г. водохранилище открытого водозабора находилось под снегом.
Заключение
Антропогенному загрязнению атмосферы и негативному влиянию промышленных выбросов на здоровье человека уделяется большое внимание. Но в ряде случаев природные источники создают многократно превосходящие по силе воздействия отрицательные условия для человека. Несомненно, вулканическая деятельность в этом смысле представляет реальную опасность для жителей г. Северо-Курильск. Требуются инструментальные наблюдения за концентрацией вулканических газов в атмосферном воздухе. Кроме того, необходимы меры по предупреждению и защите населения при высоких концентрациях вулканических газов в атмосферном воздухе.
ЛИТЕРАТУРА
1. Беккер А.А., Агаев Т.Б. Охрана и контроль загрязнения природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 286 с.
2. Белоусов В.И., Рычагов С.Н., Сугробов В.М. Северо-Парамуширская гидротермально-магматическая система: геологическое строение, концептуальная модель, геотермальные ресурсы // Вулканология и сейсмология. 2002. № 1. С. 34-50.
3. Горшков Г.С. Вулканизм Курильской островной дуги. М.: Наука, 1967. 288 с.
4. Котенко Т.А., Котенко Л.В., Шапарь В.Н. Активизация вулкана Эбеко в 2005-2006 гг. (о-в Парамушир, Северные Курильские острова) // Вулканология и сейсмология. 2007. № 5. С. 3-13.
5. Котенко Т. А. Некоторые особенности экологии города Северо-Курильск в период активизации фумарольной деятельности вулкана Эбеко с января 2005 г. // Вестн. КРАУНЦ. Науки о Земле. 2008. Вып. 11, № 1. С. 82-88.
6. Мелекесцев И.В. Действующие и потенциально активные вулканы Курило-Камчатской вулканической дуги в начале XXI в.: этапы исследований, определение термина «действующий вулкан», будущие извержения и вулканическая опасность // Вестн. КРАУНЦ. Науки о Земле. 2006. Вып. 7, № 1. С. 15-35.
7. Меняйлов И.А., Никитина Л.П., Будников В.А. Активность вулкана Эбеко в 1987-1991 гг.: характер извержений, особенности их продуктов, опасность для г. Северо-Курильск // Вулканология и сейсмология. 1992. № 5/6. С. 21-33.
8. Меняйлов И.А. Зависимость состава вулканических газов от состояния вулканической активности и геохимический прогноз извержений // Бюл. вулканол. станций. 1976. № 52. С. 42-48.
9. Меняйлов И.А., Овсянников А.А., Широков В.А. Извержение вулкана Эбеко в октябре-декабре 1987 г. // Вулканология и сейсмология. 1988. № 3. С. 105-108.
10. Меняйлов И.А., Никитина Л.П., Шапарь В.Н. Особенности химического и изотопного состава фумарольных газов в межэруптивный период деятельности вулкана Эбеко // Вулканология и сейсмология. 1988. № 4. С. 21-36.
11. Никитина Л.П., Меняйлов И.А., Шапарь В.Н. и др. Геохимия и аналитическая химия конденсатов фумарольных газов вулкана Эбеко (о. Парамушир) // Вулканология и сейсмология. 1989. № 1. С. 62-92.
12. Федотов С.А. Оценки выноса тепла и пирокластики вулканическими извержениями и фумаролами по высоте их струй и облаков // Вулканология и сейсмология. 1982. № 4. С. 3-28.
13. Amaral A., Rodriges A. Chronic exposure to volcanic environments and chronic bronchitis incidence in the Azores, Portugal // Environ. Res. 2007. Vol. 103, is. 3. P. 419-423.
