Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 493, № 2, стр. 68-73

Вулканизм в зонах субдукции имеет сложный механизм магматического питания, включающий многоуровневую систему магматических очагов в коре и в верхней мантии. Для Ключевской группы вулканов в предыдущих исследованиях получено детальное строение среды до глубин в 30 км [1–4]. Для Ключевского вулкана было определено несколько магматических очагов на разных уровнях в коре. На границе кора–мантия, на глубине 30–35 км выявлен значительный объем магматических расплавов, который является основным источником питания для вулканов Ключевской и Безымянный. В этой зоне по долговременным наблюдениям отмечается повышенная сейсмическая активность. Это связано с воздействием магматических расплавов и флюидов на окружающую твердую среду. Для Ключевского вулкана система питания представляет вертикальный канал, в то время, как для Безымянного вулкана определен близповерхностный долгоживущий магматический объем [3], где, скорее всего, происходит дифференциация магматических расплавов, с последующими извержениями более легких андезитовых магм. Сейсмотомографические модели строения среды под Ключевской группой вулканов в предыдущих исследованиях были получены по записям землетрясений на локальных сейсмических сетях. Изучение структур на больших глубинах, соответствующих участкам коры и мантии между погружающимся слэбом и поверхностью Земли, было ограничено отсутствием наблюдений на плотных сейсмических сетях с большой апертурой. К настоящему времени, в районе Ключевской группы вулканов проведен широкомасштабный эксперимент по регистрации сейсмических событий на временных сетях сейсмических станций общим числом более 100 и размерами сети до 150 км [5] (рис. 1).

Рис. 1.

Положение сейсмических станций в районе Ключевской группы вулканов в период наблюдений с августа 2015 г. по июль 2016 г. Различным цветом отмечены станции с различными интервалами непрерывных наблюдений.

Кроме данных, полученных в результате этого эксперимента, для построения скоростных моделей использовались данные наблюдений на временных сейсмических станциях на вулкане Толбачик в 2014–2015 гг. и данные постоянных станций сети Камчатского филиала Единой Геофизической службы РАН. Общее количество сейсмостанций (временные и постоянные) составляло 208 и суммарное количество зарегистрированных землетрясений 6609. Такой объем данных позволил получить сейсмотомографическую модель до глубин в 150 км, то есть до верхних границ погружающейся субдукционной плиты.

На рис. 2 (слева) представлена структура аномалий скоростей продольных сейсмических волн (Р-волн) на глубине 50 км под Ключевской группой вулканов. Очевидна ярко выраженная аномалия пониженных скоростей к востоку от Ключевского вулкана. Эта аномалия практически однородна для всех вулканов Ключевской группы.

Рис. 2.

На левом рисунке показана структура аномалий скоростей Р-волн под Ключевской группой вулканов на глубине 50 км. Справа – скоростные аномалии продольных (Р-волн) и поперечных (S-волн) по глубинному разрезу на профиле 1А–1В (влк. Кизимен – влк. Шивелуч). Точками отмечены гипоцентры землетрясений под вулканами и в зоне субдукции.

На поперечных разрезах по профилю 2А–2В (рис. 3) прослеживается система питания Ключевского вулкана с верхней границы субдукционной плиты. На разрезе по профилю 3А–3В (рис. 3) система питания для вулкана Толбачик также имеет связь с субдукционной плитой.

Рис. 3.

Структура аномалий продольных (Р-волн) и поперечных (S-волн) под Ключевской группой вулканов по разрезам 2А–2В и 3А–3В из рис. 2. Точками отмечены гипоцентры землетрясений под вулканами и в зоне субдукции.

При рассмотрении аномальных структур по профилю 1А–1В (Кизимен–Шивелуч) (рис. 2) очевидно существование единого аномального тела в диапазоне глубин 30–70 км. Эта аномалия ориентирована параллельно субдукционной плите. В районе вулкана Шивелуч аномалия погружается вдоль границы окончания слэба до глубин в 150 км. К сожалению, данные, полученные на широкоапертурной сети сейсмических станций в районе Ключевской группы вулканов не позволяют построить скоростную модель для больших глубин с хорошим разрешением. Тем не менее, по предыдущим исследованиям при использовании данных регистрации землетрясений на мировых сейсмических сетях и на всех сейсмических станциях Геофизической службы РАН по наблюдениям за 1955–1997 гг. для зоны стыка Алеутской и Курило-Камчатской вулканических дуг была построена сейсмотомографическая скоростная модель, по которой прослеживается низкоскоростная субвертикальная аномалия до глубин в 1000 км [6]. Этот мантийный плюм вполне может быть источником магматических расплавов, которые проникают к поверхности в зоне разрыва, вызванного окончанием погружающейся Тихоокеанской плиты. Косвенным подтверждением такого предположения является существование аномального теплового потока на морском дне в районе стыка Алеутской и Курило-Камчатской вулканических дуг [7].

Таким образом, сейсмотомографическая модель скоростной структуры под Ключевской группой вулканов, построенная по широкоапертурной сейсмической сети, представляет систему магматических объемов и питающих каналов в нижней коре и верхней мантии. Очевидно наличие мантийного источника питания под вулканом Шивелуч. Эта система питания, скорее всего, образовалась из-за исчезновения слэба на северном окончании субдуцирующей океанической плиты. Горячая астеносфера с летучими компонентами поступает вдоль границы субдуцирующей плиты и обеспечивает высокую активность Ключевской группы вулканов. На рис. 4 представлена томографическая модель, построенная по региональным данным для зоны стыка Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг на глубине 150 км [8]. Явно прослеживается положение холодной погружающейся плиты и ее окончание в районе зоны стыка, где присутствует разогретая астеносфера.

Рис. 4.

Структура аномалий скоростей продольных волн (P-wave) в зоне стыка Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг на горизонтальной плоскости на глубине 150 км по модели региональной томографии из работы [8].

Для вулканов Ключевской группы существует также система питания непосредственно с верхней границы погружающейся океанической плиты (рис. 3). Генерация магматических расплавов, связанная с частичным плавлением погружающейся плиты в зонах субдукции, является общепринятой. Понижение температуры плавления океанической коры, из которой состоит погружающаяся плита на глубинах около 100 км из-за процессов дегидратации приводит к возникновению расплавов. По всей видимости, основные вулканы Восточного вулканического пояса Камчатки имеют такой механизм образования магматических расплавов. Если считать, что вулканы Ключевской группы получают магматические расплавы только из погружающейся плиты, то их продуктивность должна быть сравнима со всеми вулканами вдоль зоны субдукции. Мы провели сравнение извергнутых вулканических продуктов для всех голоценовых вулканов для Ключевской группы вулканов и для Восточного вулканического пояса Камчатки.

Сравнение проводилось по объемам вулканических построек. Конечно, этот метод не является совсем корректным, так как не учитываются эксплозивные продукты извержений, но сравнительные характеристики получить можно. В Ключевской группе оценивались объемы для 15 вулканических построек, в Восточном вулканическом поясе – для 53 построек. Продуктивность Ключевской группы вулканов в 11 раз выше, чем продуктивность всех остальных голоценовых вулканов Восточного пояса. Это можно объяснить только наличием дополнительных источников магматических расплавов.