Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 497, № 2, стр. 165-170

Вулкан Авачинский¹¹ (высота 2751 м)²² на полуострове Камчатка (рис. 1) морфологически относится к типу Сомма-Везувий. Голоценовый вулкан Молодой конус располагается в кратере позднеплейстоценового вулкана Палео-Авача, с которым и связана современная активность. С 1737 г. по настоящее время произошло 15 извержений, различающихся по характеру и интенсивности [1, 2]. После эксплозивного извержения субплинианского типа в 1945 г. на вулкане образовался кратер диаметром ~250 м и глубиной ~170 м. Извержение, произошедшее в январе 1991 г., носило эффузивный характер и результатами его явились лавовая пробка в кратере (объемом V = = 8.3 × 10⁶ м³) и лавовый поток на склоне вулкана (V = 4.4 × 10⁶ м³) [1].

Рис. 1.

Расположение вулкана Авачинский на Камчатке и радиотелеметрические сейсмические станции в его окрестности. Название РТСС: AVH – Авача, SMA – Сомма, SDL – Седловина, UDL – Угловая.

Следующее извержение, в виде слабой газовой эксплозии с выбросом пепла и некрупных глыб, произошло 05.10.2001 г. При этом образовалась трещина/ров, рассекшая лавовую “пробку” в СЗ–ЮВ направлении с азимутом 325°. В обоих случаях перед извержениями в постройке вулкана регистрировались вулканические землетрясения (ВЗ) с энергетическим классом K < 6.6 (K = lg E, Дж) [4].

Микросейсмичность района Авачинского вулкана, в основном, контролируется 4 радиотелеметрическими сейсмическими станциями (РТСС) Камчатского филиала Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба РАН”, расположенными на расстояниях от 2.4 до 6 км от кратера (рис. 1). Однако землетрясения с K ≥ 3.7 регистрировались РТСС, расположенными на более удаленных расстояниях. Сеть РТСС позволяет определять координаты ВЗ в районе вулкана с энергетическим классом K ≥ 1.5 (K = lg E, Дж). Для вычисления координат очагов использовалась одномерная скоростная модель с возможностью поиска решений положений гипоцентров выше уровня моря [4]. Анализировались землетрясения, опубликованные в служебной базе данных КФ ФИЦ ЕГС РАН (http://www.emsd.ru/ts/). Обработка землетрясений и вычисление их параметров осуществлялись с помощью интерактивной программы DIMAS [5].

С 29 октября по 23 декабря 2019 г. в районе постройки вулкана Авачинский регистрировались рои ВЗ различных типов. В последний раз подобная сейсмичность наблюдалась в октябре-ноябре 2005 г. Всего было зарегистрировано 120 ВЗ с K = 1.2–6.6 и диапазоном глубин от 2620 до –2040 м, причем землетрясений с очагами ниже уровня моря было всего 5.

В работе [6] на основании определенных критериев разработана методика выделения в потоке ВЗ плоско-ориентированных кластеров (ПОК). В сейсмической активизации вулкана Авачинский были выделены ПОК и определены характеристики сейсмогенных площадок в интерактивной программе FracDigger (№ 2016616880)³³. Выделение ПОК происходило на основании следующих критериев: 1) временное ограничение событий менее суток; 2) разброс гипоцентров землетрясений в горизонтальной плоскости ≤6 км; 3) их удаление от плоскости сейсмогенной площадки ≤200 м; 4) количество землетрясений в кластере ≥6.

На основании общепринятой классификации [7] разделение ВЗ осуществлялось по записям на РТСС SMA с использованием волновых форм и спектрального состава. Волновые формы приведены на левых панелях рис. 2, их спектральный состав – на правых.

Рис. 2.

Волновые формы землетрясений, зарегистрированные вертикальной компонентой на РТСС SMA (SHZ) во время активизации вулкана Авачинский в октябре-декабре 2019 г., и их спектральная плотность мощности: ВТЗ – 9.12.2019 г. в 14:54 с Кs = 6.6, H = –1.42 км; ГЗ –10.12.2012 г. в 23:03 с Кs = 3.5, H = 1.8 км; ДЗ –18.11.2019 г. в 16:01 с Кs = 3.9, H = 1.8 км; ОЗ × 3 – 5.11.2019 г. в 11:46 с Кs = 3.6, H = 1.8 км; СВД – 26.12.2019 г. в 08:49.

Вулкано-тектонические землетрясения (ВТЗ), обусловленные хрупким разрушением геосреды, имели четкие вступления P и S-волн и t_s – t_p ≈ 0.8 c. На кривой спектральной плотности мощности (СПМ) выделяются три спектральных максимума – 10, 12 и 15 Гц (рис. 2).

Гибридные землетрясения (ГЗ) имели четкие вступления с t_s – t_p ≈ 0.9 c, и наблюдалась запись хорошо выраженных кода-волн с более низкими частотами. На кривой СПМ выделяются два спектральных максимума – 2.5 и 5.5 Гц (рис. 2). Механизм ГЗ принято связывать с процессом хрупкого разрушения геосреды с образованием трещины и дальнейшего ее заполнения магмой/флюидом [8].

Для длиннопериодных землетрясений (ДЗ) характерны нечеткие вступления P и S-волн и более низкая частота относительно предшествующих типов, с двумя спектральными максимумами 1.5 и 4.0 Гц на СПМ (рис. 2). Принято считать, что механизм ДЗ связан с разрушением геосреды с низкой плотностью или заполнением трещины магмой/флюидом. ДЗ часто наблюдались перед извержениями.

Особые землетрясения (ОЗ) с K = 1.9–4.2 имели волновую форму, отличную от других ВЗ. Они имели сравнительно короткую запись с резким вступлением Р-волны и t_s – t_p ≈ 0.5 c, при более низкой частоте в начальной части записи по сравнению с кода-волнами (рис. 2, верхняя панель). По волновым формам и частотному спектру ОЗ напоминали основную фазу (main phase) особых (special-type) землетрясений, зарегистрированных во время слабой активизации вулкана Иво-Дзима, Япония [9]. На кривой СПМ выделяются 5 спектральных максимумов: 2, 11–12, 15, 17 и 26 Гц (рис. 2, верхняя панель).

Кривые СПМ достаточно убедительно свидетельствуют о различии спектральных составов для выделенных типов ВЗ.

Сейсмическая активизация закончилась слабым высокочастотным спазматическим вулканическим дрожанием (СВД), которое регистрировалось с 04 : 00 25.12. до 11 : 00 26.12.2019 г. На кривых СПМ выделяются два спектральных максимума: 19, 23.5 Гц (рис. 2, нижняя, правая панель), которые близки к высокочастотным максимумам ОЗ. Так как в этот период отмечалось значительное усиление фумарольной активности, то можно предположить, что СВД возникло в результате движения флюида по проницаемой зоне, образовавшейся в результате сейсмической активизации.

На временном распределении землетрясений и на кумулятивной кривой их количества (рис. 3, правые панели) выделяются шесть роевых последовательностей ВЗ с 1.4 < K < 6.6. Глубины основной массы очагов располагались на уровне 0 < h < < 2 км и тяготели к двум горизонтам ~0.5 и ~1.8 км, а их эпицентры были сосредоточены в С–СВ-секторе конуса вулкана (рис. 3, левые панели).

Рис. 3.

Карта эпицентров землетрясений, произошедших в постройке вулкана Авачинский в октябре-декабре 2019 г., и проекция гипоцентров на вертикальную плоскость по линии А–Б (левая панель); распределение во времени энергетического класса (K), кумулятивная кривая числа землетрясений, глубины гипоцентров землетрясений (правая панель). Черным прямоугольником выделен период СВД.

В рамках роевых последовательностей выделились 15 ПОК с центрами на глубинах от 300 до 1840 м (рис. 4, верхняя панель, табл. 1). В основном, кластеры имели субвертикальное расположение с углами падения от 59° до 84°, но кластеры № 1, 8, 12 – субгоризонтальное, с центром на высоте ~1800 м (см. табл. 1).

Рис. 4.

3D-визуализация плоско-ориентированных кластеров ВЗ, выделенных в период октябрь–декабрь 2019 г., с верхней плоскостью на высоте 2000 м, а нижней – 2000 м (верхняя панель). График процентного содержания ВЗ в кластерах (нижняя панель).

Рассматривалось процентное содержание типов ВЗ в ПОК (рис. 4, нижняя панель). В начале активизации преобладали ВТЗ, а в 4 последних кластерах процент ВТЗ резко снизился. Обратная картина относится к ДЗ, наибольшее число которых регистрировалось в конце активизации. ГЗ были зарегистрированы только в кластере № 12, в то время как ОЗ регистрировались в первой половине активизации.

Почти все ВЗ были сосредоточены в постройке Молодого конуса. Согласно геофизическим данным, периферический магматический очаг располагается на глубине от 0 до –2 км [10] или на глубинах ниже –2 км [11], что указывает на отсутствие связи активизации с процессами в вулканическом очаге.

Аналогичные сейсмические активизации происходили в периоды, в которых прослеживается сезонная закономерность: февраль–апрель 1996 г., конец августа–октябрь 2001 г., октябрь–ноябрь 2005 г. [4]. Она указывает на связь активизаций с повышенной обводненностью конуса за счет количества метеорных осадков осенью и таяния снежно-ледового покрова весной. Молодой конус сложен толщей рыхлых вулканогенных отложений с отдельными прослоями лав и относительно свободно проницаем для метеорных вод.

Разнообразие типов ВЗ указывает на несколько механизмов их возникновения, роль которых изменялась в течение сейсмической активизации. Она началась с формирования горизонтального ПОК на высоте ~1800 м, который на две трети был представлен ВТЗ и на треть ОЗ. На этом же уровне происходили события в горизонтальных кластерах № 8, 12. Причем доля ВТЗ в них снизилась до половины и менее трети соответственно. События этих ПОК фиксируют границу субгоризонтального горячего магматического тела и отражают его реакцию на контакт с холодными метеорными водами, что приводит к взрывному кипению с образованием трещин и возникновению ОЗ.

Субвертикальные ПОК № 5, 7, представленные только ВТЗ, имели близкие углы падения (75°–80°) и азимут простирания СЗ–ЮВ, что может свидетельствовать о субвертикальном магматическом теле, испытывающие контакт с метеорными водами. Причем 8 из 12 субвертикальных кластеров имели близкий азимут простирания. Таким телом могла быть дайка – канал поступления магмы во время извержения 1991 г., совпадающий с азимутом трещины/рва в кратере – результатом извержения 1991 г.

Если в первой половине периода активизации преобладали ВТЗ и существенную долю составляли ОЗ, то затем роль ВТЗ постепенно снижалась, ОЗ практически исчезли, и стали преобладать ДЗ. Это может свидетельствовать о том, что процесс хрупкого разрушения уступил главную роль процессу, обусловленному взрывным вскипанием водного флюида в пределах лавово-пирокластической толщи конуса. Наличие ДЗ, ОЗ и ГЗ говорит о различных механизмах их генерации и различной роли процессов хрупкого разрушения. Активизация закончилась генерацией СВД 25 и 26 декабря, обусловленного интенсивным движением флюида.

Детальный анализ сейсмических событий с применением методики выделения ПОК указывает на то, что активизация Авачинского вулкана в конце 2019 г. возникла в результате взаимодействия метеорных вод с магматическими телами в конусе вулкана.