До історії розвитку сейсмологічних досліджень на вулканах Камчатки

В. І. Горельчік

Наведено коротка історія розвитку та основні результати сейсмологічних досліджень на вулканах Камчатки в ХХ столітті. Розглядаються питання формування уявлень про зв'язок сейсмічності та вулканізму, вивчення сейсмічної активності, що відбиває сучасну діяльність вулканів, дослідження глибинної будови живлять магматичних систем і фізичних властивостей середовища в районах вивержень. При складанні огляду увага акцентувалася на публікаціях, що поклали початок дослідженням з перелічених напрямів, а також на роботах, виконаних авторами, які є співробітниками Інституту вулканічної геології і геохімії.

У статті наведені коротка історія розвитку та основні результати сейсмологічних досліджень на вулканах Камчатки в ХХ столітті. Особлива увага акцентується на формуванні уявлень про зв'язок сейсмічності та вулканізму, на вивченні сейсмічної активності, що відбиває сучасну магматичну діяльність вулканів, дослідженні глибинного будови живлять магматичних систем і фізичних властивостей середовища в районах вивержень. При складанні огляду в першу чергу розглядалися публікації, що поклали початок дослідженням з перелічених напрямів, а також роботи, виконані за останні 10 років авторами, які є співробітниками Інституту вулканічної геології і геохімії ДВО РАН.

Коротка історія розвитку сейсмологічних спостережень. Інструментальні сейсмологічні спостереження за сейсмічних режимом активних вулканів почалися в 1946 р. на півночі Камчатки, з часу відкриття в селищі Ключі перший сейсмічної станції. На початок 1962 р. в районі Північної групи вулканів працювали три постійні сейсмічні станції, які увійшли в створювану в ці роки регіональну мережу станцій Камчатки. У Нині в районі Північної групи вулканів існує мережа з 10 радіотелеметричної станцій, з кінця 1996 р. ведеться цифрова реєстрація.

З 1964 р. почалася реєстрація на сейсмічної станції Авача біля підніжжя вулкану Авачинська (Південна Камчатка), розташованого в 30 км від г.Петропавловск-Камчатський. З 1996 р. в районі Авачинська-Коряцький групи вулканів працює п'ять радіотелеметричної станцій з цифровою реєстрацією.

сейсмологічні спостереження в районі Каримський вулкана з 1965 р. проводилися епізодично за допомогою тимчасових сейсмічних станцій, в 1970 р. була організована безперервна реєстрація в 3,4 км від вулкана. В даний час замість цієї станції працює встановлена в 1,7 км від вулкана радіотелеметричної станція з цифровою реєстрацією.

Опис основних етапів розвитку сейсмометріческіх спостережень на Камчатці можна знайти в роботі [54]. З 1974 р. всі інструментальні сейсмологічні спостереження на Камчатці здійснюються Комплексної дослідно-методичної партією Геофізичної служби Російської Академії Наук.

У 1991 р. на Камчатці був організований Інститут вулканічної геології та геохімії, в якому працює науково-дослідна група вулканічної сейсмології у складі В. А. Широков, В. І. Горельчік, О. С. Чубаровим та А. В. Сторчеус.

Деякі результати робіт 1946-1990 рр.. Початок науковим дослідженням сейсмічності вулканів Камчатки було покладено в працях російських вулканологів В. І. Влодавца, Б. І. Пійпа, Г. С. Горшкова, П. І. Токарєва. Особливої уваги заслуговують роботи Г. С. Горшкова і П. І. Токарева, в яких були викладені і інтерпретувалися перші дані про сейсмічності вулканів Північній Камчатки і які на довгий час стали "навчальними посібниками "для не одного покоління камчатських вулканологів-сейсмологів. У статтях Г.С. Горшкова дано перший опис вулканічного тремтіння і різних типів вулканічних землетрусів, пропонувалося ввести широко поширений в даний час термін "Вулкан-тектонічна землетрус", відзначена визначальна роль глибини вогнищ у відмінності між типами землетрусів, вказувалося на можливість прогнозу місця і сили вивержень вулканів по сейсмологічних даними [16-20,75]. З вражаючою інтуїцією, грунтуючись на досить обмеженому матеріалі, Г. С. Горшков зробив основоположні припущення про те, що живить магматична система Ключевського вулкана повинна простягається до низів кори і йти у верхню мантію. Запропонована Г. С. Горшковим методика виявлення магматичних вогнищ вулканів по загасання сейсмічних хвиль від землетрусів отримала визнання у усьому світі [20,75].

Першою монографією в російській вулканічної сейсмології була опублікована в 1966 р. книга П. І. Токарева "Виверження і сейсмічний режим вулканів Ключевський групи" [28]. Книга присвячена вивченню землетрусів, пов'язаних з діяльністю вулканів Безіменний і Ключевський, виявлення закономірностей їх зв'язку з виверженнями, розробці методики прогнозу вивержень по сейсмічних даних. У наступних публікаціях були детально розглянуті сейсмічні явища, що передував і супроводжували катастрофічне виверження вулкану Шивелуч в 1964 р. [21,29,30,79], побічні виверження вулкану Ключевський в 1966 і 1974 рр.. У роботах [23,45,76]. Були описані перші результати сейсмологічних досліджень вулканів Каримський [42,44,57] і Авачинська [3,43]. Було показано, що сейсмічність найближчого до г.Петропавловск-Камчатський Авачинська вулкана в спокійний період представлена дуже слабкими неглибокими землетрусами, що відбуваються в вулканічної будівлі й вулканогенно-осадовому шарі на глибині не більше 2-5 км. На підставі проведення дослідно-методичних робіт було зроблено висновок про те, що для підвищення ефективності спостереження за сейсмічних режимом вулкана і оцінок його стану доцільно використання високочутливого каналу [3]. Була виявлена залежність сейсмічного режиму від космічних факторів, що виражається в існуванні добової, сезонної і одинадцятирічної циклічності землетрусів, закономірний зміщення в часі літніх і осінньо-зимових максимумів сейсмічної активності всередині одинадцятирічного циклу сонячної активності [43].

У 60-70ые роки вийшла серія робіт, що містять результати досліджень глибинної будови вулканічних апаратів, що надаються з накопичуються даних, що розвиваються на Камчатці детальних сейсмологічних спостережень. Запропонована Г. С. Горшковим ідея була розвинена С. А. Федотовим і А. І. Фарберовим [47], А. І. Фарберовим і В. І. Горельчік [11,46,66], використали для просвічування Авачинська вулкана хвилі від близьких землетрусів. За аналогічною методикою глибинне будову "коріння" вулканів Ключевський групи досліджувався в роботах [41,55,56,70]. У цих роботах повідомлялося про виявлення в певних областях ділянки верхньої мантії між земною корою і фокальним шаром зон аномального загасання короткоперіодних P і S хвиль, які могли бути ототожнені з обсягами, частково заповненими розплавом. Істотним виявилося і те, що аномальні зони збігалися в плані і перекривалися у великому діапазоні глибин з асейсмічнимі ділянками, виявленими при детальному дослідженні сейсмічності в районі вулканів, тобто характеризувалися зниженою в'язкістю речовини [1,67].

Питання тектоніки та вулканізму і пов'язаної з ними сейсмічності Південної Камчатки і району Ключевський групи вулканів розглядалися в роботах [2,22]. Тоді ж, в 70ые роки, під керівництвом В. І. Горельчік було розпочато створення каталогу землетрусів району Північної групи вулканів, в основу якої було покладено використання для визначення координат вогнищ НЕ общекамчатского, як раніше, а місцевого Годограф сейсмічних хвиль [8], розрахованого для шестіслойной моделі земної кори з урахуванням даних ДСЗ.

Були отримані результати, які підтверджують, що сейсмічність фокальної шару і вулканізм взаємопов'язані і породжені єдиним глибинним процесом [31,32,77]. В. А. Широков [60,61] виявив, що виникнення груп землетрусів з проміжною глибиною вогнища в районі вулканів є характерним і необхідним (але недостатньою) ознакою сейсмічної підготовки всіх великих (з об'ємом продуктів більше 0,05 км3) вивержень Камчатки і Курильських островів.

Проблеми прогнозу вулканічних вивержень обговорювалися в роботах [34,40,78]. П. І. Токарєв першим почав створювати на Камчатці оперативну службу прогнозу вивержень. Безперервне спостереження за сейсмічних режимом вулканів та оперативний аналіз даних, покладені в основу сейсмологічного методу прогнозу, дозволили П. І. Токарєву передбачати виверження вулкана Безіменний в жовтні 1959, у квітні 1960 і березні 1961 років., гігантське виверження вулкану Шивелуч в листопаді 1964 р., передбачити місце та час початку виверження нових Толбачінскіх вулканів в липні 1975 р. [33]. Пізніше, в 1983 р., було успішно передбачене побічна виверження Ключевського вулкана (прорив Передбачений) [36]. З метою вирішення проблеми прогнозу місця, часу, енергії і небезпеки великих вибухів андезитового вулканів П. І. Токарева був виконаний порівняльний аналіз явищ, пов'язаних з пароксизмальними вибухами вулканів Шивелуч, Безіменний та Сент-Хеленс [37]. Узагальнення сейсмічних характеристик побічних вивержень вулкана Ключевського і питань їх комплексного прогнозу присвячені статті [38,61].

Серйозним етапом у розвитку російської вулканічної сейсмології з'явилося великі тріщини Толбачінское виверження 1975-1976 рр.. (БТТІ), початок і подальше протягом якого були успішно спрогнозовані по сейсмологічних даними [33,51]. Результати детальних досліджень просторово-часових особливостей сейсмічності, механізму і вогнищевих параметрів землетрусів, пов'язаних з виверженням [13,48,49,51-53,68], внесли вклад не тільки в вивчення механізму БТТІ, а й сприяли прояснення деяких питань магматичного живлення всієї Ключевський групи вулканів [53].

У 1981 р. вийшла друком книга П.І. Токарева "Вулканічні землетрусу Камчатки" [35], що містить каталог з більш ніж 40 тис. землетрусів, зареєстрованих cейсмостанціей "Ключі" на вулканах Шивелуч (1958-1970 рр..), Ключевський (1955-1970 рр..) і Безіменний (1955-1970 рр. .).

Зросла детальність сейсмологічних спостережень в районі Ключевський групи вулканів дозволила провести дослідження сейсмічної активності вулкана Безіменний на новому етапі розвитку внутрікратерного екструзівного купола. Етап розпочався з 1977 р. і характеризувався переходом від екструзівно-експлозівних вивержень до експлозівно-еффузівним [59].

Результати детального дослідження просторово-часових і динамічних характеристик землетрусів, пов'язаних з побічними виверженнями Ключевського вулкана в 1974 і 1983 рр.., Досліджувалися в роботах [4-6,23,71,76]. Узагальнені результати вивчення сейсмічності району Ключевський групи вулканів за 1971-1983 рр.. наведені в роботі [14]. Показано залежність особливостей просторово-часових співвідношень вулканічної і сейсмічної активності від глибинної будови зон харчування вулканів з різним хімічним складом продуктів вивержень. Підсумки двадцятирічних спостережень (1965 - 1985 рр..) За сейсмічних режимом Каримський вулкана були підведені в статті [39].

На прикладі району Ключевський групи вулканів О. С. Чубарова було розпочато вивчення сейсмічного процесу з позицій дискретної ієрархічної моделі геофізичної середовища [24,65]. Було доведено, що тимчасова структура сейсмічного процесу є багаторівневою, самоподобной, характеризується фрактальної розмірністю D = 0,56-0,62 для локальних зон і D = 0,67-0,70 для району в цілому.

В оглядових статтях [12,73] були підсумовані основні характеристики сейсмічності районів активних вулканів і вулканічних землетрусів: локальний і переважно ройовий характер виникнення землетрусів; мала величина граничної магнітуди (до 5,5-6); повторення груп і роїв землетрусів в одних і тих же сейсмоактивних зонах; велика кількість поверхневих і відносно слабких подій і, як наслідок, підвищені значення коефіцієнта (або b) в розподіл числа землетрусів за енергією; наявність більш длінноперіодного випромінювання вогнищ вулканічних землетрусів у порівнянні з тектонічними землетрусами такої ж сили. Наголошувалося подібність у поведінці коефіцієнта землетрусів і параметр щільності сейсмогенних розривів у процесах підготовки та розвитку вивержень і перед сильними землетрусами, а також на зсувних характер переміщень у вогнищах вулканіческіх1  і тектонічних землетрусів, що було підтвердженням припущення про аналогії процесів руйнування на різних масштабних рівнях, керованих єдиним фізичним механізмом.

За даними локальної мережі були досліджені особливості сейсмічності і глибинна будова вулкана Каримський, під яким у земній корі на глибині близько 4 км була виділена асейсмічная область радіусом близько 2,5-3 км, ототожнюється з периферичних магматичних вогнищем [63]. Характеристики вивержень і сейсмічного режиму Каримський вулкана за період 1965-1986 рр.. узагальнені П. І. Токарева [39].

Результати детальних сейсмологічних спостережень сейсмічності Ключевського вулкана за 1978-1987 рр.. були покладені в основу побудови моделі діяльності живильної його магматичної системи [50,58,62,69].

Сучасні дослідження в галузі вулканічної сейсмології в Інституті вулканічної геології і геохімії ДВО РАН (1991-2000 рр..)

З часу організації Інституту вулканічної геології і геохімії в 1991 р. роботи в групі вулканічної сейсмології проводились і проводяться за такими основними напрямками: