Вулканология и сейсмология, 2022, № 6, стр. 27-41

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Первые сведения о подводном вулкане Лисянского приведены в работе московских океанологов [Безруков и др., 1958], где вулкан получил свое название в честь известного российского мореплавателя Юрия Федоровича Лисянского (1773–1837). Вулкан был пересечен двумя галсами эхолотного промера, а на его вершине обнаружены пески, галька и валуны. Минимальная глубина, отмеченная на вершине, составляла 151 м.

Позднее в 1971 г. с борта научно-исследовательского судна (НИС) “Пегас” сахалинские ученые выполнили на вулкане Лисянского драгирование в интервале 500–200 м и подняли рогообманковые андезиты и двупироксеновые роговообманковые андезибазальты [Ерохов и др., 1975; Каталог …, 1992; Кичина и др., 1980; Остапенко, 1976, 1978; Остапенко, Кичина, 1982]. Опробованные андезибазальты имеют порфировую и серийно-порфировую структуры, а андезиты – порфировую и гломерпорфировую структуры.

Судя по всему, профиль непрерывного сейсмоакустического профилирования (НСП), отработанный в 1980 г. и проходящий через постройку подводного вулкана Лисянского, представлен в работах [Ломтев, Патрикеев, 2015а, 2015б].

Подводный вулкан Лисянского был исследован камчатскими учеными в 6 рейсах НИС “Вулканолог” в 1982–1991 гг.

В 15 рейсе НИС “Вулканолог” в 1982 г. на подводном вулкане Лисянского были выполнены три станции драгирования [Подводный …, 1992]. Одна станция отработана у подножия вулкана на западе в интервале 1650–1430 м, вторая – на северо-западном склоне в интервале глубин 450–250 м, а третья – на вершине в глубинном интервале 250–185 м (рис. 2а).

Рис. 2.

Подводный вулкан Лисянского. а – батиметрия; б – аномальное магнитное поле ΔT_а; в – распределение эффективной намагниченности Jэф; г – распределение эффективной намагниченности Jэф, изображенное на поверхности вулкана. Цифрами обозначено местоположение профилей, приведенных на рис. 9. Ромбами обозначено местоположение драг.

На вершине вулкана опробованы порфировые оливин-клинопироксен-плагиоклазовые андезибазальты и пироксен-плагиоклазовые андезиты, у подножия – оливин-клинопироксен-плагиоклазовые базальты (табл. 1). Состав всех пород относится к умеренно-калиевой серии нормального по щелочности ряда. Базальты и основные андезибазальты соответствуют толеитам, более кислые андезибазальты и андезиты – известково-щелочным породам [Подводный …, 1992, табл. 1]. Эти данные хорошо совпадают с результатами, полученными сахалинскими учеными [Ерохов и др., 1975].

Остаточная намагниченность горных пород изменяется в диапазоне 6.6–21.6 А/м [Подводный …, 1992, табл. 1].

В результате изучения драгированных в рейсах НИС “Вулканолог” образцов установлено, что для подводного вулкана Лисянского значение тяжелого изотопа кислорода δ¹⁸O в образце андезибазальта В15-27/1 равно 7.2 [Покровский, Волынец, 1999]. Соотношение изотопов стронция ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr для этого образца равно 0.703306 ± 0.00003, а изотопов неодима ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd – 0.513036 ± 0.000017 [Авдейко и др., 1986; Журавлев и др., 1985, 1986; Zhuravlev et al., 1987].

Концентрация радиоактивных элементов в лавах подводного вулкана Лисянского равна 1.0, 2.6 и 1.37 соответственно для урана, тория и калия, а соотношение Th/U = 2.6 [Пузанков и др., 1991]. Драгированные в 15 рейсе НИС “Вулканолог” породы содержат умеренное количество редкоземельных элементов, определенных только для одного образца [Антонов и др., 1987; Подводный …, 1992], которые приведены в табл. 1.

Чтобы в дальнейшем при изучении подводных вулканов КОД избежать путаницы, необходимо отметить, что в работах [Авдейко и др., 1986; Журавлев и др., 1985, 1986; Покровский Волынец, 1999; Zhuravlev et al., 1987] результаты изучения изотопов образцов, драгированных на подводном вулкане 5.5 (см. рис. 1), по непонятным причинам, отнесены к подводному вулкану Лисянского. В приложении к работе [Покровский, Волынец, 1999] перепутано название острова и ошибочно написано, что подводный вулкан Лисянского расположен в 10 км северо-западнее северного окончания о. Парамушир. В работе [Пузанков и др., 1991] подводному вулкану Лисянского вместо каталожного номера 5.6 [Подводный …, 1992] присвоен номер 5.5.

Подводный вулкан Лисянского был изучен авторским коллективом с помощью эффективной технологии количественной интерпретации материалов гидромагнитной съемки в комплексе с эхолотным промером, непрерывным сейсмоакустическим профилированием и анализом петромагнитных свойств и химического состава драгированных горных пород [Блох и др., 2018, 2019, 2020б].

От о. Симушир подводный вулкан Лисянского отделяется понижением в рельефе дна до 550 м, от вулкана 5.5 – седловиной с глубинами до 1400 м. Вулкан имеет плоскую вершину (см. рис. 2а).

Минимальная зарегистрированная глубина вершины в ее юго-восточной части достигает 160 м, что на 9 м меньше определенной московскими океанологами [Безруков и др., 1958]. Плоская вершина наклонена к северо-западу. Угол наклона ее – 3°–5°. Северо-западный край ее погружается до глубины 350–400 м. Далее к северо-западу эта поверхность небольшой ложбиной глубиной 100–150 м отделяется от еще одного участка плоской наклонной поверхности дна. Этот участок прослеживается на глубинах от 40–450 м до 600–700 м. Угол наклона дна здесь несколько больше – 5°–7°. На западном склоне уплощенная наклонная поверхность дна с углами наклона 7°–10° прослеживается от глубин 450–500 м до глубины 1000‒1050 м. Нижние части склонов очень крутые – до 15°–25°. На западе они погружаются до глубины около 2500 м, на севере – 1700–1800 м. У западного подножия вулкана по данным НСП выделяются два небольших холма, характеризующихся сильным рассеянием сейсмических сигналов, по-видимому, существенно лавовые побочные вулканические конусы или экструзии (рис. 3). Восточный склон обрезан сбросами, вследствие чего он имеет ступенчатый профиль, с углами наклона уступов до 25°‒30°.

Рис. 3.

Фрагмент профиля НСП через подводные вулканы Пегас (5.4), 5.5 и Лисянского (5.6) в 4.45–7.00 23.10.1978 г. Местоположение профиля представлено на рис. 1.

Судя по характеру сейсмоакустического изображения на сейсмограммах НСП, вулкан Лисянского в основном сложен плотными эффузивными породами. Рыхлые осадочные или вулканогенно-осадочные отложения практически отсутствуют. Лишь плоская вершинная поверхность может быть перекрыта маломощным слоем осадочных отложений. Западное подножие вулкана перекрывается довольно мощной толщей осадочных отложений (до 0.6 с удвоенного времени распространения сигнала), что может указывать на его довольно древний возраст. Об этом же свидетельствуют положение и морфология вершинной части вулкана.

По-видимому, плоская вершинная поверхность сформировалась в результате абразии в приповерхностных условиях. В настоящее время эта поверхность наклонена к северо-западу и располагается на глубинах от 151 до 400 м. Еще один плоский участок дна, также с наклоном к северо-западу, располагается на глубинах от 450‒500 м до 1000 м. Вряд ли можно связывать формирование этих поверхностей с позднеплейстоценовым понижением уровня моря, т. к. в этом случае придется допустить очень значительное, не менее 300 м, погружение северо-западного края привершинной плоской поверхности в голоцене. Скорее всего, вулкан Лисянского имеет дочетвертичный возраст. Судя по всему, он образован двумя тесно слившимися вулканическими конусами, поднимавшимися до уровня моря. В результате абразии их вершины были срезаны и образовались плоские поверхности. Затем произошло значительное асимметричное погружение массива. Амплитуда погружения увеличивается в северо-западном направлении – от нескольких десятков метров на юго-восточном краю плоской вершинной поверхности юго-восточного вулкана до 1000 м или даже больше на северо-западной окраине вулкана.

Диаметр основания подводного вулкана Лисянского 10–12 км, а объем ~30 км³ [Блох и др., 2020а, 2020в; Подводный …, 1992].

В дополнение к имеющимся анализам горных пород [Подводный, 1992] нами выполнены химические анализы еще 6 драгированных образцов (см. табл. 1). Нужно отметить, что анализы, опубликованные ранее, по сравнению с нашими, охватывают более широкий диапазон химических составов драгированных лав. Тем не менее, химизм всех пород соответствует базальтам, андезибазальтам и андезитам (рис. 4). Из анализов, впервые публикуемых в настоящей статье, один состав (обр. В15-27/4) отвечает андезибазальту, другой (В15-27/6) относится к андезиту, а остальные четыре анализа попадают в пограничную зону базальт-трахибазальт-андезибазальт с некоторым тяготением к составу базальта.

Рис. 4.

Классические классификационные диаграммы вулканических пород ряда базальт–андезибазальт–андезит. 1 – данные из работ [Антонов и др., 1987; Подводный …, 1992; Zhuravlev et al., 1987]; 2 – данные из работы [Ерохов и др., 1975]; 3 – данные авторов настоящей статьи. I – низкокалиевые, II – умереннокалиевые, III – высококалиевые и IV – щелочные вулканиты, согласно [Pecerillo, Taylor, 1976].

Петрографическая классификация пород может несколько отличаться от химической. В петрографической номенклатуре учитываются колебания в количестве вкрапленников и основной массы, их минеральный состав, в частности присутствие или отсутствие оливина, ромбического пироксена, роговой обманки, биотита, состав плагиоклаза, а также степень преобразования исходной породы. В связи с этим изученные вулканиты можно разделить на три типа: 1) базальты и андезибазальты пироксен-плагиоклазовые с рудным минералом и небольшим и переменным количеством оливина, средне-крупнопорфировый, отношение вкрапленники/основная масса от 1/1 до 1/5 (образцы В15-27/4, В15-27/8, В15-28/4). Образец В-15-28/4 отличается более высокой пористостью, присутствием единичных измененных кристаллов роговой обманки и гидротермально проработан (стекло основной массы полностью замещено хлоритом. Хлорит так же имеет место быть в свободных пространствах). Вероятно, это краевая часть потока. Образец В15-27/8, также значительно затронут поздними процессами, что хорошо видно по измененным кристаллам рудного минерала (рис. 5); 2) базальт пироксен плагиоклазовый с небольшим количеством рудного минерала, без оливина и без роговой обманки, порфировый. Отношение вкрапленники/основная масса изменяется от 1.1 до 1.5 (образцы В15-28/5а и В15-28/6); 3) базальт и андезибазальт пироксен-роговообманково-плагиоклазовый с рудным минералом и, возможно, единичными кристаллами оливина и биотита. Слабо порфировый. Отношение вкрапленники/основная масса составляет 3/1 (образцы В15-28/5б и В-15-27/6).

Рис. 5.

Структуры базальтов и андезибазальтов.

Представляется, что наиболее ранней и глубинной является порода первого типа. Более низкотемпературный и менее глубокого заложения – безоливиновый базальт второго типа. Роговообманковая порода, вероятно, самая поздняя, дайковая или субповерхностная. Хлоритизация пород и окисление рудных компонентов свидетельствуют о наличии поздних фумарольно-гидротермальных проявлений (рис. 6).

Рис. 6.

Позднее преобразование базальтов. а – оторочки гидроксидов железа вокруг вкрапленников оливина; б – развитие хлоритовых оторочек внутри свободных пространств в базальте. Ст – стекло, Ол – оливин, Пир – пироксен, Пл – плагиоклаз, Хл – хлорит.

Выполненные петромагнитные исследования 6 образцов драгированных пород показали, что остаточная намагниченность изменяется в широком диапазоне от 1.66 до 18.93 А/м (табл. 2), что хорошо согласуется с данными предыдущих исследований [Подводный …, 1992]. Высокие значения намагниченности обусловлены содержанием высокой концентрации кристаллов титаномагнетита (объемная концентрация ферромагнетика достигает 1.78%, магнитная восприимчивость изменяется в диапазоне (8–44) × 10^–3 СИ). Породы содержат низкокоэрцитивные магнитные зерна (Bcr = = 18.5–28.2 мТл) с невысокой степенью окисления (медианное магнитное поле изменяется от 5 до 22 мТл).

Зерна титаномагнетита в большинстве исследованных образцов имеют невысокую степень окисления (медианное магнитное поле изменяется от 5 до 22 мТл). Фактор Кёнигсбергера изменяется в диапазоне от 1.49 до 13.61, степень магнитной анизотропии образцов невысокая и не превышает 4%. Возможно, кристаллизация базальта имела место во внешних частях лавовых потоков.

Термомагнитный анализ (ТМА) по температурной зависимости магнитного момента насыщения Ms(T) шести образцов, драгированных с подводного вулкана Лисянского, показал, что образцы разбиваются на три группы (рис. 7).

Рис. 7.

Термомагнитные кривые M_s(T) для подводного вулкана Лисянского.

В первой группе образцов (В15-27/4, В15-28/4, В15-28/5а) на кривой первого нагрева присутствует два перегиба, соответствующие двум диапазонам температур: 210–350°С и 350– 500°С. Эти два диапазона отвечают содержанию титана X в титаномагнетите Fe_{(3 – X)}Ti_XO₄ соответственно: 0.3–0.5 и 0.09–0.3 (см. рис. 7, жирная кривая). После нагрева до 700°С на кривой второго нагрева имеет место единственный перегиб, температура которого лежит в диапазоне 500–550°С, приближаясь к температуре Кюри магнетита (тонкая кривая). Кривая второго нагрева проходит выше кривой первого нагрева. В этих образцах имеют место две генерации титаномагнетита с высоким и низким содержанием титана. В ходе нагрева происходит гетерофазное разложение титаномагнетита до титаномагнетита с меньшим содержанием титана и ильменита.

Во второй группе образцов (В15-27/6, В15-27/8) на кривой первого нагрева имеет место единственная тока Кюри, лежащая в диапазоне 500–550°С, приближающаяся к точке Кюри магнетита и отвечающая титаномагнетиту с низким содержанием титана X: 0.02–0.09 формульных единиц (ф. е.). Кривая второго нагрева проходит ниже кривой первого нагрева, необратима и имеет перегиб в районе 550–580°С. В ходе нагрева в этом образце произошло однофазное окисление титаномагнетита до маггемита.

В третью группу попал образец В15-28/6. На кривой нагрева имеет место единственная точка Кюри 400°С, отвечающая содержанию титана X = = 0.23 ф. е. в титаномагнетите Fe_{(3 – X)}Ti_XO₄. Кривая второго нагрева проходит выше кривой первого нагрева, необратима и имеет единственную точку Кюри в районе 500°С, соответствующую низкому содержанию титана X = 0.09 ф. е. В этом образце в ходе нагрева произошло гетерофазное разложение титаномагнетита с относительно высоким содержанием титана на титаномагнетит, по своему составу приближающийся к магнетиту, и ильменит.

Петромагнитные исследования хорошо согласуются с петрографическими. Как показано выше образцы В-15-27/4 и В-15-28/4 (первый петромагнитный тип) предположительно относятся к оливинсодержащим породам наиболее глубинного генезиса, образец В15-18/6 (третий петромагнитный тип) характеризует породы менее глубинного генезиса. В их составе отсутствуют как оливин, так роговая обманка. Образцы В15-27/8 и В15-27/6 (второй петромагнитный тип) сильно гидротермально изменены, что хорошо видно на фото (см. рис. 6).

К подводному вулкану Лисянского приурочена положительная магнитная аномалия ΔТ_а, осложненная несколькими локальными экстремумами с размахом ~1300 нТл (см. рис. 2б).

С помощью программы ИГЛА [Блох, Трусов, 2007] установлено, что вектор эффективной намагниченности горных пород Jэф имеет склонение 72.2°, наклонение 43.1° и развернут относительно нормального магнитного Земли на 49° (рис. 8), что свидетельствуют о приуроченности времени образования подводного вулкана Лисянского, как и других вулканов КОД [Блох и др., 2015, 2018, 2019, 2020б, 2021а, 2021б], к периоду геомагнитных инверсий.

Рис. 8.

Уточнение направления вектора эффективной намагниченности Jэф подводного вулкана Лисянского с помощью программы ИГЛА.

Анализ особых точек функций с помощью интегрированной системы СИНГУЛЯР [Блох и др., 1993, 2021а] показал приуроченность основных особенностей функций, описывающих аномальные поля, к верхней кромке вулканических пород, а также позволил предположить наличие подводящих каналов субвертикального, северо-восточного и северо-западного направлений, и периферических магматических очагов на глубинах около 1 км и 2.5–3 км (рис. 9).

Рис. 9.

Изображение, синтезированное системой СИНГУЛЯР для локализации особых точек функции, описывающее аномальное магнитное поле ΔT_а подводного вулкана Лисянского, наложенное на рельеф дна. Местоположение профилей представлено на рис. 2а.

Трехмерное моделирование вулканической постройки с помощью пакета структурной интерпретации гравитационных и магнитных аномалий СИГМА-3D [Бабаянц и др., 2004] показало, что максимальная эффективная намагниченность подводного вулкана Лисянского составляет 3.8 А/м (см. рис. 2в, г), что хорошо согласуется с данными петромагнитных исследований. При этом среднеквадратическая погрешность подбора аномального магнитного поля после 93 итераций оказалась равной 29 нТл. Участки максимальной намагниченности вулканической постройки приурочены к ее вершине, а также к северному и северо-западным участкам привершинной части склонов.

Томографическая интерпретация, направленная на изучение глубинного строения подводного вулкана Лисянского, была осуществлена с использованием первой вертикальной производной магнитного поля. На 3D-диаграмме выделена линейная область с четырьмя локальными субвертикальными положительными зонами, прослеживающимися до эффективной глубины 1 км (рис. 10). На юго-востоке можно выделить еще одну обособленную интенсивную субвертикальную положительную зону с эффективной глубиной залегания нижней кромки порядка 2 км. На одном из вертикальных срезов возможно проследить взаимный наклон зон линейной области и обособленной зоны и предположить, что все выделенные объекты могут иметь один генезис.

Рис. 10.

Томографическая интерпретация аномального магнитного поля подводного вулкана Лисянского. Изолинии аномального магнитного поля ΔT_а (а), 3D-диаграмма, отражающая пространственное распределение квазинамагниченности горных пород, слагающих постройку подводного вулкана Лисянского (б), и ее вертикальные срезы (в).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных комплексных геолого-геофизических исследований получены новые сведения о строении подводного вулкана Лисянского, петромагнитных свойствах горных пород, слагающих вулканическую постройку, их химическом и минеральном составах.

На вершине вулкана опробованы порфировые оливин-клинопироксен-плагиоклазовые андезибазальты и пироксен-плагиоклазовые андезиты, у подножия – оливин-клинопироксен-плагиоклазовые базальты.

Впервые для данного вулкана выявлены отчетливые минералогические признаки фумарольно-гидротермальной деятельности.

Высокие значения намагниченности базальтов обусловлены значительным содержанием зерен титаномагнетита, имеющих псевдооднодоменную структуру.

В пределах вулканической постройки выделены периферические магматические очаги и установлено направление подводящих каналов.

Установлено, что подводный вулкан Лисянского, как и другие изученные нами вулканы КОД, образовался во время геомагнитных инверсий.