Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 511, № 1, стр. 46-54

ВВЕДЕНИЕ

Крупные эксплозивные извержения, сопровождающиеся возникновением кальдер и мощных толщ пирокластических отложений, оказывают существенное влияние на климат и создают угрозу для человеческой цивилизации и животного мира. В подавляющем большинстве случаев центры таких извержений приурочены к зонам субдукции и расположены на активных континентальных окраинах и вулканических дугах [1]. По сравнению с извержениями меньшей мощности, не сопровождающимися перестройкой рельефа и выбросом большого количества вулканического материала, крупные извержения происходят значительно реже. Однако катастрофический характер последствий требует уточнения периодичности таких событий, особенно на ближайшем к современности хронологическом отрезке.

В пределах Курильской островной дуги (КОД) насчитывается около 20 эруптивных центров, появившихся в конце плейстоцена и в голоцене [2, 3], их формирование сопровождалось взрывами большой мощности и образованием кальдер. Они расположены практически на всех островах, но наибольшее количество сосредоточено в самой населенной южной части островной дуги, особенно на о. Итуруп. В конце плейстоцена и начале голоцена на этом острове произошло как минимум 5 мощных эксплозивных событий, в результате которых образовались 4 крупные кальдеры обрушения (Медвежья, Цирк, Урбич, Львиная Пасть) и мощная толща пемзовых туфов на перешейке Ветровом [1] (рис. 1 а).

Рис. 1.

Расположение перешейка Ветровой и разреза Гурам на о. Итуруп (а), звездочками показаны активные вулканы, заштрихована площадь распространения пемз плейстоценового извержения на перешейке Ветровой ~20 000 л.н. по [9]; реконструкция предполагаемого сектора рассеивания тефры (серый треугольник) извержения, произошедшего ~2100‒2000 л.н. в районе перешейка Ветровой в центральной и южной частях Курильской островной дуги (б), под названиями островов указаны мощности слоя CKr по опубликованным данным [4–6, 18]; линия с штрихами – ось Курило-Камчатского глубоководного желоба; стрелки – направление движения Тихоокеанской плиты.

В ходе региональных тефростратиграфических исследований 2007–2008 гг. в почвенно-пирокластических разрезах на островах Уруп, Чирпой, Симушир, Ушишир, Расшуа и Матуа был обнаружен горизонт кислой тефры (~74‒79 SiO₂ мас. %, ~1.4‒1.8 K₂O мас. %), получивший индекс CKr. Время формирования тефры установлено по радиоуглеродным (¹⁴С) датам подстилающих органогенных отложений и укладывается в интервал около 2490‒2100 лет назад (рис. 1 б) [4‒6]. Мощность горизонта уменьшается в северо-восточном направлении (рис. 1 б). Это позволило предположить, что потенциальный источник извержения мог находится на о. Итуруп [4, 5], а ось изопахит имела преимущественно северо-восточное направление (Аз. между 49 и 63°) (рис. 1 б). Находка этого горизонта предполагает, что извержения кислых магм достаточно большой мощности происходили на южных островах КОД не только на рубеже плейстоцена и голоцена, но и в последние несколько тысяч лет. Это определяет необходимость детального изучения центров мощного эксплозивного вулканизма в южной, наиболее населенной части КОД, определения масштабов их извержений и характера распространения пирокластического материала.

Труднодоступность и сложные условия изучения проявлений мощных эксплозивных извержений на Курильских островах делают практически невозможным детальное картирование эруптивных центров и связанных с ними пирокластических толщ, что не дает возможности оценить масштабы извержений, произошедших в прошлом. Альтернативным способом получения информации об этих событиях является изучение прослоев тефры в осадочных отложениях островной и континентальной суши, морских бассейнах и материковых льдах посредством корреляции их составов вблизи и на значительном удалении от центров извержений [7, 8].

ПЕМЗЫ ПЕРЕШЕЙКА ВЕТРОВОГО И РАЗРЕЗА ГУРАМ

Пемзовые туфы на перешейке Ветровой представляют огромный интерес, так как, несмотря на большой объем изверженного материала, для этого события неизвестно точное положение эруптивного центра, а время и длительность самого извержения остаются дискуссионными. Пемзовая толща заполняет грабен перешейка Ветровой на о. Итуруп и обнажается в клифах к западу между самим перешейком и горой Широкая, образуя урочище Белые Скалы (рис. 1 а). Со стороны побережья Охотского моря в толщу туфов врезаны два уровня морских террас. По данным Р.Ф. Булгакова [9] подстилающие ее породы наблюдались недалеко от Охотского побережья в северо-западной части распространения пемзовых туфов. Максимальные мощности пирокластики вероятно превышали 260 м. Значительная часть пирокластического материала образует шлейф на дне залива Простор Охотского моря (рис. 1 а) [10]. По предварительной оценке, объем изверженных пород составляет около 100 км³ [11]. Состав пирокластики отвечает низко-умереннокалиевым, умеренно глиноземистым дацитам нормального ряда [12]. Несмотря на большой объем изверженного материала, характерный для кальдерообразующих извержений, отчетливых признаков кальдерной депрессии на острове не установлено. Предполагается, что эруптивный центр расположен в заливе Простор [13], но и это предположение требует дальнейшей проверки.

По данным [9], мощная толща пемзовых туфов сформировалась в интервале между ¹⁴С-датами 38 500 ± 500 и 5350 ± 50 лет назад, полученными соответственно по лигниту подстилающей почвы и раковинам моллюсков в перекрывающих прибрежно-морских галечников. Термолюминесцентным методом возраст самих пемз оценен в 20 000 ± 6000 лет [9]. Таким образом, образование пемзовой толщи на перешейке Ветровом в урочище Белые Скалы произошло не позднее конца позднего плейстоцена.

Высказывалось также мнение, что активность этого эруптивного центра могла проявляться и в голоценовое время около 1000 лет назад [14], но это заключение было сделано на основе датирования осадочных отложений, содержащих вулканогенный материал, а не самого горизонта тефры. Соответственно, идентификация и датировка этих событий требуют дальнейшего уточнения. Таким образом, несмотря на то, что в настоящее время в районе перешейка Ветровой не наблюдается никаких признаков вулканической активности, есть основание предполагать, что эксплозивные извержения могли происходить здесь в последние несколько тысяч лет.

В ходе экспедиционных работ 2018 г. на о. Итуруп в правом борту безымянного ручья, устье которого расположено в 2.25 км к западу от устья ручья Пемзового и в 9.4 км на запад-юго-запад от перешейка Ветрового, был вскрыт разрез голоценовых отложений, содержащий прослои тефры. Разрез был назван “Гурам” (рис. 2 а). Наиболее мощный (примерно 20-сантиметровый) слой тефры в этом разрезе, состоящий из светло-серого вулканического песка с белыми пемзовыми лапиллями размером до 5 см (описание разреза см. в приложении 1 ) и залегающий непосредственно на палеопочве, свидетельствует об эксплозивном извержении. По данным радиоуглеродного датирования (см. приложение 2 ), формирование палеопочвы, подстилающей горизонт тефры, происходило около 7700‒2500 лет назад (рис. 2, приложение 2 ). AMS ¹⁴С-датирование сохранившихся в тефре обугленных стеблей бамбучника курильского (Sasa kurilensis), погибшего вследствие перекрытия тефрой (рис. 2 б), позволило с большой точностью установить, что эксплозивное извержение на о. Итуруп в районе перешейка Ветровой произошло около 2115‒1995 л.н. (кал). Это событие существенно моложе полученных ранее оценок времени образования мощной толщи пемзовых туфов в урочище Белые Скалы и на перешейке Ветровом в конце позднего плейстоцена и, таким образом, свидетельствуют о еще одном эксплозивном извержении в этом районе в позднеголоценовое время.

Рис. 2.

Положение слоя пирокластики CKr в разрезе Гурам (а); стебли обугленного бамбучника и пемза в слое CKr (б). Приведены калиброванные (2σ) радиоуглеродные даты. Детальное описание разреза Гурам и стратиграфическая колонка представлены в приложении 1 , методики радиоуглеродного датирования, ¹⁴С-даты и результаты их калибровки – в приложении 2 .

Пемзовые лапилли имеют светло-серую и желтовато-серую окраску, максимальные размеры 3‒5 см (рис. 2 б). Они содержат около 30% вкрапленников, представленных плагиоклазом, авгитом, гиперстеном, кварцем, магнетитом и ильменитом. Вкрапленники погружены в пузыристую витрофировую основную массу, состоящую преимущественно из бесцветного прозрачного вулканического стекла. По минеральному составу пемзы разреза Гурам полностью соответствуют пемзам перешейка Ветрового и урочища Белые Скалы.

По результатам исследования валового состава индивидуальных пемзовых лапиллей (детали методики анализа см. в приложении 2 ) пемзы разреза Гурам отвечают умеренно-калиевым, умеренно-глиноземистым дацитам нормальной щелочности. Стекло основной массы пемз (детали методики анализа см. приложение 2 ) имеет состав умереннокалиевых риолитов нормальной щелочности, глиноземистость которых варьирует от высокой до умеренной (рис. 3).

Рис. 3.

Составы пемзовых лапиллей и стекол основной массы (а, в, д) и увеличенные участки диаграмм для составов стекол основной массы (б, г, е). Условные обозначения: 1 – разрез Гурам, 2 – пемзовые туфы перешейка Ветрового и Белых Скал [12], 3 – пемзовые туфы кальдеры Медвежьей, 4 – пемзовые туфы кальдеры Львиная Пасть, 5 – пепел CKr с острова Матуа, 6 – пепел CKr с острова Уруп (разрез 3709), а – составы индивидуальных пемзовых лапиллей, б – составы стекол основной массы пемзовых лапиллей и пепловых частиц (для стекол перешейка Ветрового и кальде-ры Львиная Пасть приведены средние значения). Серыми кружками показаны весь диапазон составов стекла основной массы пемз перешейка Ветрового и Белых Скал. А – андезит, Д – дацит, Р – риолит, ТД – трахидацит. Дополнительные диаграммы см. приложение 4 .

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИСТОЧНИКА ПЕМЗ В РАЗРЕЗЕ ГУРАМ

Для установления потенциальных источников пемз, найденных в разрезе Гурам, необходимо провести сравнение их составов с кислыми продуктами эксплозивных извержений вулканов о. Итуруп. Такой состав имеют пемзовые отложения: (1) кальдеры Львиная Пасть, расположенной в 115 км на юго-запад с возрастами извержений 12 300 и 13 000 кал. л. н. [15], (2) кальдеры Медвежья, в 49 км на северо-восток, (3) перешейка Ветрового и урочища Белые Скалы, расположенных в непосредственной близости от разреза Гурам (рис. 1).

От стекла основной массы пемз кальдеры Львиная Пасть стекло пемз разреза Гурам отличается более низким содержанием суммы щелочей, главным образом за счет более низкого K₂O, значительно более высоким содержанием FeO при сходном значении MgO и пониженной глиноземистостью (рис. 3, приложение 4 ). Кроме этого, на рис. 3 и в приложении 4 видно, что валовые составы пемз кальдеры Львиная Пасть значимо отличаются от пемз разреза Гурам в среднем пониженными содержаниями SiO₂ и более высокими содержаниями Al₂O₃ и K₂O. При этом по характеру распределения концентраций рассеянных элементов пемзы Львиной Пасти сходны с пемзами разреза Гурам (рис. 4 и 5), отличаясь лишь значимым Sr-максимумом. Тем не менее, с учетом значимой разницы в концентрациях петрогенных элементов, а также значительно более раннего, по сравнению с интересующим нас хронологическим интервалом, времени извержения в кальдере Львиная Пасть, мы не рассматриваем его в качестве потенциального источника пемз разреза Гурам.

Рис. 4.

Распределения содержаний редких и рассеянных элементов, нормированных на состав примитивной мантии по [17], в валовых составах пемзовых лапилли разреза Гурам и перешейка Ветрового в сравнении с транзитными пеплами горизонта CKr о. Матуа и о. Уруп. Методика измерений редких элементов методом ИСП МС приведена в приложении 2 , значения измерений в приложении 3 .

Рис. 5.

Пузыристое строение стекла основной массы вокруг вкрапленника кварца пемзы из разреза Гурам (а) и стекловатой пепловой частицы из торфяника на о. Уруп (б, обр. 11/3709). Изображения получены на сканирующем электронном микроскопе “TESCAN” MIRA 3LMU в режиме обратно-рассеянных электронов (BSE).

Еще одно проявление кислых пемз находится вблизи вулкана Меньший Брат в кальдере Медвежьей [16] на севере о. Итуруп. От пемз кальдеры Медвежья изученные пемзы разреза Гурам значимо отличаются по валовому составу (рис. 3, приложение 4 ). В отличие от пемз разреза Гурам пемзы кальдеры Медвежьей относятся к риолитам (рис. 3, приложение 4 ), обогащены K₂O, крупноионными литофильными элементами (LILE) и обеднены CaO и Al₂O₃ (рис. 3–4). Стекло основной массы этих пемз ближе по составу к стеклу пемз кальдеры Львиная Пасть (рис. 3, приложение 4).

На рис. 3 и в приложении 4 хорошо видно, что по своим составам пемзовые лапилли разреза Гурам близки к наиболее кремнистым составам пемз перешейка Ветрового и урочища Белые Скалы (рис. 3, приложение 4 ). Составы стекла основной массы также пересекаются с составами пемз перешейка Ветрового и урочища Белые Скалы, отличаясь от них чуть более высокими средними содержаниями SiO₂ и пониженными содержаниями щелочей. При этом составы близки по содержанию калия, но имеют более широкие вариации в сторону пониженных концентраций Na₂O и Al₂O₃. Стекла основной массы пемз из разреза Гурам обладают немного повышенными содержаниями FeO при близком MgO. Характер распределения нормированных концентраций редких и рассеянных элементов пемз разреза Гурам сходен с пемзами перешейка Ветрового. В спектрах последних иногда проявляется положительная Sr-аномалия, которая отсутствует в составах исследованных пемз Гурама (рис. 4).

Таким образом, учитывая указанные сходства в содержаниях породообразующих и рассеянных элементов и географическое расположение, мы полагаем, что источником тефры разреза Гурам было извержение, произошедшее на перешейке Ветровом и не связанное с активностью кальдер Медвежья и Львиная Пасть.

МАРКИРУЮЩИЙ ГОРИЗОНТ ТЕФРЫ CKr НА ОСТРОВАХ КОД

Распространенность пепла CKr на значительном расстоянии позволяет использовать его в качестве маркируюшего горизонта при изучении голоценовых осадочных пород КОД. Радиоуглеродные даты, полученные ранее разными исследователями по подстилающим органогенным отложениям на островах Уруп, Чирпой и Матуа, показывают, что горизонт CKr образовался около 2490‒2100 л. н. (кал.) [4‒6, 18].

Близкие значения возрастов горизонта CKr на этих островах (около 2490‒2100 л. н.) и тефры в разрезе Гурам на о. Итуруп (около 2100‒2000 л. н.) позволяют предположить их возможную генетическую связь. В связи с этим было проведено изучение составов стекол пепловых частиц и валовых составов пеплов из горизонтов CKr в отложениях островов Матуа и Уруп (рис. 2 б). На острове Матуа горизонт CKr был опробован в разрезе почвенно-пирокластических отложений в его юго-восточной части [18]. Пепловые горизонты на острове Уруп, которые также отнесены к слою CKr, были опробованы в разрезах двух торфяников на полуострове Ван дер Линда [5]. На острове Матуа возраст погребенной пеплом почвы составляет около 2100 л. н. [18], на острове Уруп время формирования опробованных пирокластических горизонтов определяют по ¹⁴С-датам подстилающих слоев торфа интервалом 2490‒2100 л. н. [5]. В образцах из описанных выше горизонтов были обнаружены частицы пузыристых гомогенных стекол, похожих на стекло основной массы пемз разреза Гурам и содержащих кристаллы плагиоклаза, ортопироксена, клинопироксена, кварца и магнетита (рис. 5). Важно отметить, что в ядерных частях кристаллов плагиоклаза из частиц тефры с о. Уруп часто встречаются ассоциации стекловатых расплавных и существенно газовых флюидных включений, которые типичны для плагиоклаза пемз разреза Гурам и более древних пемз из толщи перешейка Ветрового и урочища Белые Скалы [12].

На рис. 3 видно, что стекла пепловых частиц горизонтов тефры CKr с о. Уруп и Матуа имеют составы, относящиеся к умеренно-калиевым риолитам. При этом составы стекол пепловых частиц с о. Уруп и наиболее близки к составам стекол разреза Гурам, а у тефры с острова Матуа отличаются немного повышенным содержанием SiO₂ и пониженным – Na₂O при аналогичных с Гурамом содержаниях Al₂O₃, CaO, K₂O, FeO и MgO. Содержания редких элементов в валовых составах пеплов из горизонта CKr островов Уруп и Матуа и пемз разреза Гурам демонстрируют похожий характер распределения редких и рассеянных элементов (рис. 4).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Остров Итуруп в конце плейстоцена и в начале голоцена стал ареной мощного эксплозивного вулканизма, сопровождавшегося образованием кальдер и мощных толщ пирокластических отложений кислого состава. Извержение, произошедшее в позднем плейстоцене в районе современного перешейка Ветрового, было одним из наиболее мощных вулканических событий [2, 12]. Однако следов, которые свидетельствовали бы о существенной вулканической активности в позднем голоцене и настоящее время в этой части острова до сих пор обнаружено не было.

Результаты минералого-геохимического анализа пемз разреза Гурам показывают, что их происхождение связано с магмой, аналогичной по минеральному и химическому составу магме, сформировавшей пемзовую толщу перешейка Ветрового и урочища Белые Скалы. Небольшие отличия в составах стекол основной массы пемз Гурама и перешейка Ветровой могут быть объяснены процессами кристаллизационной дифференциации в малоглубинном очаге. В работе [12] было показано, что эволюция состава расплава очага, питавшего извержение перешейка Ветрового, была обусловлена преимущественно кристаллизацией плагиоклаза, состав которого варьировал от основного до среднего, и в меньшей степени Fe‒Ti-оксидных минералов. Образование кварца связано лишь с самыми поздними этапами кристаллизации, непосредственно предшествовавшими извержению. Эти особенности объясняют незначительный рост содержаний кремнезема и уменьшение концентраций глинозема и щелочных металлов в расплавах, которые отличают составы стекол пемз Гурама от пемз перешейка Ветрового и Белых Скал. Таким образом, наши данные позволяют сделать заключение, что пепловые частицы горизонта CKr на островах Уруп и Матуа представляют тефру извержения произошедшего в районе перешейка Ветрового, зафиксированного в разрезе Гурам.

Результаты датирования наиболее раннего слоя пирокластики и подстилающих его отложений в разрезе Гурам дают основание говорить, что эруптивная активность, приведшая к аккумуляции тефры, началась не позднее 2100‒2000 л.н. Оценка мощности извержения, приведшего к образованию горизонта CKr, на сегодняшний день затруднена из-за неопределенности в оценке площади рассеивания тефры. Однако, если принять, что изопахиты имеют форму эллипсов, оси которых ориентированы в направлении биссектрисы области, показанной на рис. 1 б, можно рассчитать минимальный объем извержения, опираясь на мощности тефры CKr на различных островах. При этом максимальные, из доступных для измерения, размеры будет иметь изопахита 1 см, удаленный край которой находится в районе о. Матуа. Используя методику [19], минимальный объем извержения по этой изопахите можно оценить около 1.5 × 10⁹ м³. Эта величина может быть в 2–5 раз меньше оценок, более точно учитывающих форму изопахит и закономерное утонение мощности при удалении от центра извержения [19]. Полученный объем отвечает плинианскому извержению с высотой эруптивной колонны около 25 км (VEI ~ 4–5) по [20]. Из этого следует, что достаточно сильное эксплозивное извержение в районе перешейка Ветрового произошло в недавнем геологическом прошлом, уже после формирования основного объема развитых там пемзово-пирокластических отложений в конце позднего плейстоцена. Это подтверждает сделанное ранее предположение [14] о нескольких импульсах эксплозивной вулканической активности в рассматриваемой части острова. Полученные данные позволяют однозначно заключить, что наиболее поздние импульсы произошли уже в позднем голоцене. Это заключение поднимает вопрос о пересмотре характера вулканической опасности северной части острова Итуруп и требует учета возможных эксплозивных извержений большой мощности. Сам перешеек Ветровой, по-видимому, следует рассматривать как район активного вулканизма.

Учитывая вышесказанное, мы считаем, что характер распространения и изменения мощностей горизонта CKr свидетельствует о распространении тефры упомянутого извержения в северо-северо-восточном направлении (рис. 1 б), что подтверждает предположение о том, что источником тефры было извержение на острове Итуруп [4, 5]. Полученные нами данные предполагают, что центр этого извержения был расположен в районе перешейка Ветрового.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе охарактеризована первая находка кислой пирокластики позднеголоценового возраста в районе перешейка Ветрового на о. Итуруп, которая дает основание рассматривать его как потенциально вулканоопасный район, с эруптивным центром, способным производить эксплозивные извержения большой мощности (VEI 4–5). Полученные результаты свидетельствуют о том, что в районе перешейка Ветровой около 2100‒2000 л. н. произошло извержение, ставшее причиной образования горизонта тефры CKr, распространенной в центральной части КОД между островами Матуа и Итуруп. Это позволяет использовать горизонт CKr в качестве тефрохронологического и тефростратиграфического маркера для островов центральной части КОД при построении палеогеографических реконструкций, корреляции разрезов, датировании отложений и форм рельефа.

Наличие признаков активного эксплозивного вулканизма в последние несколько тысяч лет в южной части КОД, близкой к густонаселенным и экономически развитым районам Дальнего Востока России и Японии, требует пересмотра прогнозов вулканической опасности в регионе. Это особенно важно, так как о. Итуруп принадлежит к территориям опережающего развития Дальнего Востока России, что означает расширение хозяйственной деятельности на острове в ближайшие годы.