Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 501, № 1, стр. 43-48

Камбальный является самым южным стратовулканом голоценового возраста на Камчатском полуострове. До недавнего времени данные о его исторических извержениях отсутствовали, в связи с чем этот вулкан относился к категории спящих. Возраст самых молодых пирокластических потоков оценивался примерно 600 лет [18]. 25 марта 2017 г. на вулкане Камбальный неожиданно началось извержение, которое сопровождалось интенсивной сейсмичностью [5] и мощной газовой эмиссией [1]. Так, первый взрыв выбросил облако газа и пепла на высоту более 5–6 км [1], после чего в течение суток шлейф от извержения распространился в южном направлении на расстояние около 1000 км, создав определенный риск для воздушных перевозок в регионе [1]. До середины апреля 2017 г. произошло еще несколько взрывов, некоторые из которых превосходили по мощности первый выброс. После этого извержение постепенно завершилось, и дальнейшая активность Камбального проявлялась в умеренной фумарольной эмиссии, продолжавшейся еще несколько месяцев. По ходу этого извержения не были замечены лавовые потоки и какие-нибудь следы выброса ювенильного материала, в связи с чем считается, что это извержение имело фреатическую природу [4].

Вулкан Камбальный расположен на окончании субмеридионального одноименного хребта, который определяется как тектономагматическое поднятие средне-верхнечетвертичного возраста в Паужетской вулканотектонической депрессии [6]. Постройку вулкана слагают породы основного состава, а именно чередующиеся шлаковидные и массивные базальты, агломератовые лавы и пирокластические отложения [8]. Объем пирокластики на Камбальном примерно в два раза больше лавовых потоков, что типично для базальтовых стратовулканов [18]. На вершине вулкана находится кратер размером 750 × 550 м, глубиной до 150 м, открытый на юго-запад. В юго-восточной части вершины к кратеру примыкает воронка взрыва глубиной 10–50 м и размером 200 × 100 м. Данные структуры имеют позднеголоценовый возраст и образовались в результате одного или нескольких направленных взрывов [4]. По ходу недавнего извержения в 2017 г. в районе вершины образовался провал-воронка размером 115 × 100 м.

В окрестности вулкана Камбальный находится множество ареалов гидротермальной активности, которые являются одними из наиболее значимых на Камчатке. Наиболее известным является Паужетское геотермальное поле, расположенное на юго-западе от вулкана на расстоянии около 20 км, где была построена первая в СССР геотермальная электростанция [7]. Мощные термопроявления, которые также рассматриваются высоко перспективными для промышленной эксплуатации, наблюдаются и в районе вулкана Кошелевского на западе от Камбального. Еще один ареал повышенной геотермальной активности обнаруживается на севере Камбального хребта [3].

До недавнего времени геофизическая изученность вулкана Камбальный и окрестностей была сильно ограничена в силу удаленности и труднодоступности данного региона. Так, в этом районе функционирует всего одна постоянная сейсмическая станция Паужетка (PAU) на расстоянии 22 км от вершины вулкана; остальные станции мониторинга расположены на расстояниях более 100 км. В связи с этим детали процесса сейсмической активизации во время извержения не могли быть определены с большой точностью. С целью изучения локальной сейсмичности и определения глубинной структуры под вулканом, с июля 2018 г. по июль 2019 г. на склонах вулкана и его окрестностях была установлена временная сейсмическая сеть, состоящая из десяти трехкомпонентных широкополосных станций (рис. 1). В данной статье представлены первые результаты изучения строения верхней коры под вулканом, полученные методом шумовой томографии.

Рис. 1.

Район вокруг вулкана Камбальный. Рельеф показан изолиниями через 200 м. Фиолетовый квадрат – постоянная станция Паужетка; синие квадраты показывают положение станций временной сети, установленной в 2018–2019 гг. Зеленые ромбы – ареалы геотермальной активности; красные звезды – моногенные конусы. Вкладка показывает положение района исследований (зеленый квадрат) и вулканы Камчатки (красные точки).

Сейсмическая шумовая томография – это относительно недавно возникший метод [19], который активно развивался в течение последних 15 лет, и теперь применяется для изучения геологических структур в самых разных масштабах [20]. В частности, он регулярно применяется для изучения приповерхностных слоев в вулканических системах [11, 13, 15]. Основная идея этого метода состоит в том, что кросс-корреляция случайного сейсмического шума, создаваемого равномерно распределенными в пространстве источниками и записанного на двух приемниках, сходится к функции Грина (импульсному отклику среды) между этими двумя приемниками [12]. Таким образом, вычисление кросс-корреляций сейсмического шума теоретически может быть использовано для эмпирического синтеза виртуальных точечных сейсмических источников, находящихся в местоположении каждого из используемых приемников. С учетом реальных свойств сейсмического шума, регистрируемого на поверхности земли [9], восстановление объемных сейсмических волн из кросс-корреляций шума [16] может быть получено только в определенных благоприятных условиях. В то же время фундаментальные моды поверхностных волн могут быть достаточно легко восстановлены для почти всех пар станций. Поэтому в нашей работе мы применяем наиболее разработанный метод поверхностно-волновой шумовой томографии [20].

Выделение записей поверхностных волн из непрерывных сейсмических записей проводилось согласно схеме, предложенной в работе [10]. Основными источниками шума являются прибойные волны Тихого океана и Охотского моря, а также в меньшей степени Северного Ледовитого океана. Обработка данных включала в себя предварительную фильтрацию, внесение инструментальной поправки, удаление среднего, линейного и полиномиальных трендов, полосовую фильтрацию в окне 0.06–4 Гц, понижение частоты дискретизации со 100 до 10 Гц, однобитную нормализацию и спектральное отбеливание в окне фильтрации до и после нормализации во временной области. Далее производилась кросс-корреляция в скользящем окне сейсмических записей на вертикальных компонентах по всем парам станций, имеющихся в наличии. Пример развертки по времени результатов корреляции с августа 2018 г. до середины января 2019 г. для одной пары станций (КМ01-КМ05) показан на рис. 2а. Далее полученные значения функции корреляции осреднялись по всему периоду наблюдения, как показано для выделенной пары станций на рис. 2б.

Рис. 2.

Пример выполнения кросс-корреляции по паре станций KM01 и KM05 в скользящих окнах (а) и результат осреднения для всего периода наблюдений (б).

Полученные корреляционные функции являются аналогами записей поверхностных волн Рэлея, пробегающих от одной станции к другой. Для этих записей проводился спектрально-временной анализ СВАН (FTAN) [14], суть которого состояла в их фильтрации в серии узких последовательных полос частот. Поиск максимума огибающей по полученным сигналам для каждой частоты дает дисперсионные кривые, показывающие зависимость групповой скорости волны Рэлея от частоты. Поскольку количество пар станций было невелико, построение дисперсионных кривых производилось вручную.

Построение распределения глубинного строения под сетью станций по имеющемуся набору дисперсионных кривых производилось на основе двухэтапного алгоритма поверхностно-волновой томографии SURF_TOMO [17]. На первом этапе строились двумерные карты групповых скоростей для отдельных частот (рис. 3) путем выполнения нескольких итераций с учетом искривления лучей на полученных сейсмических неоднородностях. После этого в каждой точке области строилась локальная дисперсионная кривая, которая в результате итеративной линеаризованной инверсии трансформировалась в одномерное распределение скорости поперечных волн, Vs. Проведение этой процедуры во всех точках области позволило построить трехмерное распределение Vs, которое показано на рис. 4 на четырех горизонтальных  сечениях на глубинах от 0.5 до 2.5 км.

Рис. 3.

Аномалии групповых скоростей волны Рэлея на периодах 1–4 с. Черными треугольниками обозначены сейсмические станции. Рельеф изображен с помощью изолиний, проведенных через каждые 200 м.

Рис. 4.

Аномалии скоростей S-волны на четырех горизонтальных сечениях на глубинах от 0.5 до 2.5 км. Черными треугольниками обозначены сейсмические станции. Рельеф изображен с помощью изолиний, проведенных через каждые 200 м.

К сожалению, из-за малого количества станций и низкой плотности данных разрешение томографической модели оказалось не слишком высоким. Тем не менее был проведен ряд синтетических тестов, который показал, что на качественном уровне имеющаяся система наблюдений дает возможность восстанавливать крупные аномалии со сменой знака в районе хребта и вершины вулкана Камбальный, что, в целом, соответствует тем результатам, которые получены после инверсии экспериментальных данных. Следует также отметить, что на качественном уровне распределение скоростных аномалий в настоящем исследовании согласуется с результатами, полученными из томографической инверсии по объемным волнам, построенными по временам вступлений от локальной сейсмичности.

Полученные результаты уточняют строение верхней части постройки вулкана Камбальный и, в целом, согласуются с геологическим данными. В распределении групповых скоростей волн Рэлея и скоростей S-волн на юге и западе от вулкана Камбальный расположен сегмент с доминирующими низкими скоростями. Наиболее высокоамплитудная отрицательная аномалия расположена под западным склоном Камбального и под седловиной по направлению к вулкану Кошелева. Низкие скорости там могут соответствовать отложениям слабо сцементированной пирокластики, которая накопилась там по ходу извержений обоих вулканов. Другим вариантом интерпретации в этом случае может быть наличие глубинных гидротермальных процессов на участке между двумя вулканами, которые ответственны за мощные гидротермальные проявления в районе Кошелевского вулкана. Следует отметить, что именно над этой низкоскоростной аномалией расположены моногенные конуса на западном склоне Камбального, что дает основание предположить, что эта аномалия может быть связана с верхней частью магматического канала, ответственного за извержения вулкана в голоцене. В этом случае взаимодействие магматического тела с метеорными водами является причиной гидротермальной активности, а также эпизодических фреатических извержений Камбального, как, например, того, которое случилось весной 2017 г.

На севере от вулкана Камбальный вдоль одноименного хребта также наблюдается низкоскоростная аномалия, которая также может ассоциироваться с распределением геотермальных источников в верхах коры, формирующих крупный ареал гидротермальных проявлений Камбального и Паужетского полей. Повышенные значения скорости S-волны в западной части стратовулкана и хребта Камбального на глубинах порядка 1 км и ниже, скорее всего, приурочены к высокоскоростному фундаменту, сложенному основными породами.

Данная статья представляет первые результаты изучения глубинного строения в окрестностях вулкана Камбальный, который в 2017 г. пережил мощное фреатическое извержение. Хотя данные о поверхностных волнах, полученные с помощью кросс-корреляции сейсмического шума, не способны обеспечить высокое разрешение полученных сейсмических моделей, на качественном уровне они позволяют выделить низкоскоростной сегмент на юге и западе от Камбального вулкана, с которым могут быть связаны гидротермальные проявления и магматическое тело в верхней коре.