Глибокі длінноперіодние землетрусу під Ключевський
вулканом, Камчатка
В.І. Горельчік, А.В. Сторчеус
В
нижніх горизонтах земної кори і перехідному від кори до мантії шарі (інтервал
глибин 20-40 км) під Ключевський вулканом виявлена зона з аномальними
фізичними властивостями, що має ефективну в'язкість на кілька порядків
менше, ніж у астеносфері. Багаторічними (1977-1996 рр.). Сейсмологічними
спостереженнями встановлено, що в цій зоні існують довгостроково діючі
джерела генерації глибоких длінноперіодних (ГДП) землетрусів, які мають
іншу генетичну природу, ніж вулкана-тектонічні і тектонічні
землетрусу в досліджуваному районі. В якості гіпотези, найбільш
задовільно пояснює спостережувані кінематичні та динамічні
характеристики ГДП подій під Ключевський вулканом, пропонується розглядати
виникнення імпульсів тиску в магмі. Причиною появи таких імпульсів
можуть бути бистропротекающіе фазові переходи в обмежених обсягах
метастабільній магми. Таким процесом, на нашу думку, може бути відділення
газу в наслідок спонтанної (вибухової) полімеризації нізкомерних форм силікатів
в розплаві.
Вступ
В
Нині все розмаїття сейсмічних сигналів, що реєструються на
вулканах, ряд дослідників [3,31,32 и др.] пропонують розділити на два
основні групи в залежності від фізичної природи генеруючих
джерел.
Перша
група включає сейсмічні події, що виникають у твердій середовищу в результаті
крихкого руйнування порід під дією зсувних і розтягуючих напруг,
створюваних активними магматичними процесами, і розподілених у досить
великому обсязі, що оточує магматичні канали і вогнища. Ці землетрусу
називаються вулкана-тектонічними
(Вт),
оскільки за механізмом вогнища [7,21] і виду запису вони практично не відрізняються від
чисто тектонічних землетрусів. Вт землетрусу характеризуються чіткими
вступами хвиль P і S і швидко спадає кодою, переважні частоти лежать в
широкому діапазоні від 1 до 15 Гц [40]. Термін "Вулкан-тектонічні
землетрусу "вперше був запропонований Г. С. Горшковим при вивченні
сейсмічності Північної групи вулканів на Камчатці [4]. Вт землетрусу
виникають в районах активних і вимерлих вулканів як поодинокі події, так і
роями тривалістю від годин і днів до тижнів або місяців. Часто ці
землетрусу є першими ознаками відновилося вулканічної активності
(довгострокові провісники) [22,29,41,45 и др.]. Відомо безліч прикладів
значного посилення Вт сейсмічності безпосередньо перед початком вивержень
(короткострокові провісники) [2,8,22 и др.]. Друга група сейсмічних
сигналів складається з джерел, в яких активну роль у генерації
сейсмічних хвиль грають флюїди. До цієї групи відносяться так землетрусів
звані длінноперіодние (ДП) події: неглибокі ДП землетрусу, вибухові
землетрусу, вулканічне тремтіння (с.д.), сейсмічні сигнали,
супроводжуючі дегазаційних процеси в магмі, і інші еруптивні явища
[31]. У порівнянні з Вт, ДП землетрусу характеризуються більш низькочастотної
квазімонохроматіческой кодою, чітко вираженою пікової формою спектру, діапазон
переважаючих частот лежить в інтервалі від 0,5 до 5 Гц [45]. Як показало
теоретичне моделювання [4,32-36], характеристики природних сигналів,
зареєстрованих від ДП подій на вулканах, подібні до записів синтетичних
сигналів, що генеруються тріщинами або каналами, заповненими рідинами і
флюїдами і порушеними змінним тиском. У цьому сенсі ДП землетрусу
можуть бути індикаторами пульсацій або перебудови тиску в динамічно
активних магматичних системах і, отже, містити цінну прогностичну
інформацію як про початок, так і про розвиток вивержень, зокрема, що особливо
важливо, про наближення катастрофічною стадії виверження, як це було в 1991 р.
на вулкані Пінатубо [37,45]. Так само як Вт землетрусу, ДП землетрусу
відбуваються у вигляді одиничних подій, роїв та тривалих серій
накладаються один на одного сигналів, які в ряді випадків вдається зв'язати
з рухом магми [2,38,39].
Важливою
особливістю ДП сейсмічності є подібність форми запису індивідуальних
сигналів, що складають серії і рої, що свідчить про неодноразове
порушення стаціонарного джерела при недеструктивного процесі [34].
Спостерігається схожість просторових, часових і спектральних характеристик
вулканічного тремтіння і ДП сигналів, що підтверджує спільність фізичних
процесів в джерелах цих подій [32,39,43]. ДП землетрусу та ДП с.д. були
зареєстровані на багатьох вулканах (див., наприклад, огляд літератури в [43]).
Більшість цих подій виникають на глибинах менше 3-5 км. Це поверхневі
длінноперіодние (ПДП) землетрусу, безпосередньо пов'язані з вулканічною
активністю. ДП землетрусу на глибинах понад 10 км відносяться до глибоких
длінноперіодним (ГДП) землетрусів, вони спостерігалися не так часто [45], і їх
зв'язок з виверженнями менш чітка [30].
Справжня
стаття присвячена дослідженню глибоких длінноперіодних (ГДП) землетрусів під
базальтовим Ключевський вулканом - одним з найбільш активних вулканів Північної
групи на Камчатці. У статті наводяться результати вивчення сейсмічності шару,
в якому відбуваються ГДП землетрусу, частково опубліковані у цьому
збірнику в роботі [6]. На підставі особливостей характеристик ГДП
землетрусів робиться спроба обговорити можливі причини їх виникнення.
Рішення
задачі визначення природи ГДП землетрусів може сприяти вивченню
фізичних властивостей середовища, в якому вони відбуваються, і пошуку додаткових
провісників вивержень, що є актуальним завданням вулканічної
сейсмології.
Рис. 1
Використані дані і методи дослідження. У
роботі використані каталоги землетрусів району Північної групи вулканів за
1974-1996 рр.., Складені за даними мережі стаціонарних сейсмічних станцій
(с/ст) з однотипною амплітудно-частотної характеристикою сейсмічних каналів
[23] та мережі радіотелеметричної станцій (РТС). Детальніше про розвиток сейсмічних
спостережень в цьому районі можна прочитати в роботі [8]. Найбільш однорідний
каталог отриманий авторами [6] для періоду 1977-1996 рр.. Що містяться в ньому
землетрусу оброблені за єдиною програмою локалізації Гіпоцентр з урахуванням
місцевого Годограф сейсмічних хвиль для земної кори [1,21]. Кількісні
оцінки параметрів сейсмічного режиму Ключевського вулкана проводилися за
вибірці даних, укладених в прямокутнику, показаному на рис.1 в статті [6]
цього збірника. Цей прямокутник схематично представляє Центральну
сейсмоактивній зону Ключевського вулкана, в якій в останні десятиліття була
зосереджена його основна магматична діяльність. Для виявлення
просторово-часових особливостей сейсмічності аналізувалися як повний каталог,
що включає всі події, координати яких було можливо визначити, так і
вибірки землетрусів, локалізованих із заданою точністю. Крім даних,
отриманих при обробці аналогових записів зсуву грунту (1977-вересень 1996
рр..), при дослідженні кінематичних та динамічних характеристик Вт і ГДП
землетрусів були використані (починаючи з жовтня 1996 р.) цифрові записи
швидкості зсувів, люб'язно надані лабораторією телеметричних станцій
КОМСП Геофізичної Служби РАН (завідувач лабораторією В. В. Ящук). На рис.1, А
представлений район Центральної сейсмоактивній зони, в якому проводилися
дослідження землетрусів, і його вертикальний розріз (рис.1
, Б)
з Гіпоцентр землетрусів, зареєстрованих у 1977-1996 рр.. не менше ніж
чотирма сейсмічними станціями з похибкою не більше 3 км по глибині і
епіцентру. Темними точками на рис.1
, А
позначені епіцентри досліджених нами ГДП землетрусів, зареєстрованих
мережею РТС в 1996 р.
В
як характеристик землетрусів, крім координат вогнищ, в наших
дослідженнях розглядалися: енергетичний клас землетрусів Ks, видимі
періоди коливань Ts, що вимірюється в максимальній амплітуді S хвиль, а також
енергетичні спектри землетрусів.
Енергетичний
клас землетрусів Ks = log E (Дж) оцінювався за S-хвилях по номограми
С. А. Федотова [24]. Ks = 4,6 + 1,5 M, де M - магнітуда, визначена за
поверхневим хвилях.
Для
дослідження спектральних характеристик і розподілу землетрусів по
енергетичним класами використовувався пакет статистичного програмного
забезпечення STATISTICA
,
розроблений фірмою StatSoft Inc., USA.
Коротка
характеристика сейсмічності Ключевського вулкана, пов'язаної з його сучасною
магматичної діяльністю. Як було встановлено в результаті багаторічних
сейсмологічних спостережень [5,6,9,26], сейсмічність Ключевського вулкана,
пов'язана з його магматичної діяльністю протягом останніх десятиліть,
виявлялася, головним чином, в Центральній сейсмоактивній зоні, яка охоплює
область навколо вершинного кратера і круто падає вниз майже до 40 км. На
підставі розподілу числа і рівня сейсмічної енергії землетрусів по
глибині в земній корі під вулканом Ключевський були виділені чотири
сейсмоактивних горизонти: -4-5 км; 5-2 км; 12-20км і 20-35 км. Докладні
характеристики шарів дані в роботі [6] цього збірника.
В
шарах 1-3 відбуваються переважно Вт землетрусу, що виникають у
пружно-деформованої середовищі навколо магматичних каналів і магматичних
вогнищ під дією змінного поля напруг. Найвищий рівень
сейсмічності, наголошується на глибинах менше 5 км (шар 1), де відбуваються
численні рої землетрусів, пов'язані з впровадженням ДАЕК і Сілла в
вулканічну споруду. Землетруси в інтервалі глибин 5-20 км (шари 2 і 3)
є індикаторами переміщень, що виникають на шляхах міграції магми в середніх
горизонтах земної кори, через які проходить магмоподводящій канал або
система каналів.
В
нижніх горизонтах земної кори і перехідному від кори до мантії шарі 4 (інтервал
глибин 20-40 км) під Ключевський вулканом виявлена зона, в якій генерується
безліч ГДП землетрусів [6]. Шар 4 характеризується максимальним
кількістю що відбуваються в ньому землетрусів і відносно низькою сумарною
сейсмічної енергією (більш ніж на порядок нижче, ніж у шарі 1). Максимальний
енергетичний клас землетрусів, що відбуваються в цьому шарі, не перевищує
6,5-6,7. За наближеними оцінками, величина коефіцієнта 
в
розподіл числа землетрусів за енергією аномально висока: ~
2,6 [6]. Істотні відмінності землетрусів шару 4 від Вт землетрусів,
що відбуваються в трьох верхніх горизонтах: низький максимальний енергетичний
клас, однотипна форма запису сигналів, довші переважні періоди
сейсмічних коливань [6], дозволяють віднести землетруси, що відбуваються в
низах кори і перехідному від кори до мантії шарі під Ключевський вулканом, до
розряду глибоких длінноперіодних (ГДП) подій.
В
роботах [6,10] зазначалося, що збільшення числа ГДП землетрусів, як правило,
відбувається до або відразу після значних вулканічних подій (початок
верхових або побічних вивержень, посилення еффузівной та/або експлозівной
діяльності під час вивержень), випереджаючи на термін від декількох днів або тижнів
до декількох місяців виникнення неглибоких Вт і ПДП землетрусів. Під
багатьох випадках спостерігалося два типи характерних часових послідовностей
сейсмічних та вулканічних подій:
