Вулканология и сейсмология, 2021, № 3, стр. 3-17

ВВЕДЕНИЕ

Извержения Авачинского вулкана¹¹, расположенного вблизи краевого центра г. Петропавловск-Камчатский (23 км) и международного аэропорта Елизово (30 км), представляют потенциальную опасность для агломерации с населением более 200 тыс. (рис. 1а). В связи с этим сейсмическая активизация осенью 2019 г. вызвала особенный интерес у научной общественности [Малик, Некрасова, 2020; Муравьев, 2020; Шакирова и др., 2020].

Рис. 1.

Расположение вулкана Авачинский (а) и РТСС в его окрестности (б).

На врезке: образовавшаяся на пробке трещина после извержения 2001 г. Красной линией (влк. Авачинский – AVH) показано направление обзора видеокамеры РТСС AVH. Название РТСС: AVH – Авача, SMA – Сомма, SDL – Седловина, UDL – Угловая. Съемка 28.06.2005 г. Фото И.К. Дубровской.

Морфологически вулкан относится к типу Сомма-Везувий: голоценовый вулкан Молодой конус, с которым связана вся современная активность, располагается в кратере позднеплейстоценового вулкана Палео-Авача. За период с 1737 г. по настоящее время известно 15 извержений, которые значительно различаются по характеру и интенсивности [Мелекесцев и др., 1994, 2002].

После наиболее сильного эксплозивного извержения субплинианского типа в 1945 г., на вулкане образовался кратер диаметром ~250 м и глубиной ~170 м. Следующее извержение в январе 1991 г. носило, преимущественно, эффузивный характер. В результате этого извержения в кратере образовалась мощная лавовая пробка объемом 8.3 × 10⁶ м³, и на склоны вулкана излился лавовый поток (V = 4.4 × 10⁶ м³) [Мелекесцев и др., 1994; Иванов и др., 1995]. В результате следующего извержения 5 октября 2001 г., в виде слабой газовой эксплозии высотой ~1000 м над кратером с выбросом небольшого количества пепла и обломков пород извержения 1991 г., образовалась трещина-ров, рассекшая лавовую “пробку” в СЗ–ЮВ направлении с азимутом 325° [Мелекесцев и др., 2002].

Тепловая съемка, выполненная 6 ноября 2001 г., показала термические аномалии в центре трещины и по ее краям, причем проекция центра трещины совпадала с тепловой аномалией в донной части кратера, где началось излияние лавы в 1991 г. [Дубровская и др., 2019]. На снимках трещины просматриваются контуры воронок, которые, по-видимому, образовались в результате эксплозии (см. рис. 1б, врезка). Следует отметить, что в обоих случаях перед извержениями регистрировались вулканические землетрясения (ВЗ) с энергетическим классом K < 6.6 (K = lg E, Дж), в основном, происходящие в постройке вулкана [Сенюков и др., 2006]. Однако сравнительно слабая сейсмическая активность в первом случае и отсутствие опыта прогноза извержений для этого вулкана во втором случае не позволили дать краткосрочный прогноз обоих извержений.

Для Авачинского вулкана характерна постоянная фумарольная активность с целой сетью отдельных фумарол, расположенных по периферии кратера и на окончаниях трещины-рва. Температуры фумарол колеблются в широких пределах, наиболее мощные достигают температур свыше 600–800°С [Малик и др., 2017].

В октябре–декабре 2019 г. наблюдалось усиление сейсмической активности Авачинского вулкана. С 27 октября на инфракрасной камере Камчатского филиала Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба РАН” (КФ ФИЦ ЕГС РАН), установленной на радиотелеметрической сейсмической станции (РТСС) “Авача” (AVH) в 6 км от кратера вулкана (см. рис. 1б), было зафиксировано свечение в западной части кратера (http://www.emsd.ru/~ssl/ monitoring/main.htm). Визуально в этот период отмечалась повышенная фумарольная активность и сильная загазованность кратера.

В данной работе авторы дают подробное описание активности вулкана Авачинский в конце 2019 г. с упором на сейсмичность, и рассматривается разумное объяснение возможных механизмов ее возникновения.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ВУЛКАНИЧЕСКИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ

Начиная с 1950-х гг., в процессе возникновения и развития научного направления “вулканическая сейсмология” стояла проблема классификации землетрясений, связанных с активностью вулканов, т.е. предшествовавших и сопровождавших извержения. Одной из первых попыток классификации ВЗ по форме записи и их связи с вулканической деятельностью была предпринята Г.С. Горшковым [1954а]. Так как в это время регистрация землетрясений была аналоговой с небольшим увеличением и малой скоростью развертки, то предложенная классификация была достаточно упрощенной. В следующей его работе [Горшков, 1954б] были затронуты вопросы терминологии и впервые дано определение “вулкано-тектонических”, как землетрясений, имеющих волновую форму тектонических, но приуроченных к районам действующих вулканов.

В основу известной классификации японского исследователя [Minakami, 1961] положена связь ВЗ с активностью вулкана и местоположением их очагов. Позднее, на примере извержений вулканов Камчатки, П.И. Токаревым [1966] были выделены 5 типов ВЗ, хорошо согласующихся с классификацией [Minakami, 1961]. Данная классификация используется российскими вулканологами и в настоящее время.

В дальнейшем, с применением в сейсмологии цифровой регистрации и компьютерной обработки землетрясений, появилась возможность более детального исследования волновых форм ВЗ и большей точности определения координат очагов слабых ВЗ, что послужило толчком к возникновению новой типизации ВЗ, основы которой были заложены в работах [McNutt, 1996; Power et al., 1994; Гордеев, Сенюков, 1998; Zobin, 2017]. Выделяются три основных типа ВЗ: вулкано-тектонические, гибридные и длиннопериодные, которые будут рассмотрены на примере землетрясений, зарегистрированных во время активизации Авачинского вулкана в 2019 г.

Кроме этих типов ВЗ, наблюдаемых на всех вулканах мира, в некоторых случаях регистрировался еще один тип – “tornillo” (“винт”, ТЗ), который характеризуется монохромным частотным спектром и большой длительностью кода-волн [Cannata et al., 2012; Gomez, 1999]. Так, при сейсмических активизациях вулкана Вулькано²² (Липарские острова, Италия), напоминающих активизацию Авачинского, регистрировались ТЗ, возникновение которых объяснялось взаимодействием водного флюида с магматическим телом [Milluzzo et al., 2010]. Также ТЗ наблюдались на вулкане Галерас (Центральные Анды) перед и после извержений [Gomez, 1999].

Во время сейсмической активизации вулкана Иво-Дзима (Японские острова) в сентябре 1997 г. регистрировались ТЗ и ВЗ с особой волновой формой. Особенностью ВЗ данного типа была предваряющая основной толчок короткая запись слабых колебаний (emergent phase). Предполагается, что такие землетрясения могут возбуждаться пузырьками газа с последующим сдвиговым разрушением высоковязкой риолитовой магмы [Uchida, Sakai, 2002].

МЕТОДИКИ НАБЛЮДЕНИЙ И ОБРАБОТКА ИХ РЕЗУЛЬТАТОВ

За активностью вулкана Авачинский ведется непрерывное видеонаблюдение с помощью цифровой IP-камеры, установленной на РТСС AVH, расположенной в 6 км от кратера (см. рис. 1б). Видеокамера позволяет вести съемку в видимом и инфракрасном диапазонах, что дает возможность осуществлять мониторинг динамики фумарольной активности (интенсивность и температура) над кратером вулкана. Во время активизации вулкана в конце 2019 г. камерой были зарегистрированы весьма интересные события. Данные мониторинга активности вулкана взяты с сайта КФ ФИЦ ЕГС РАН. (http://www.emsd.ru/~ssl/monitoring/main.htm)

Сейсмический режим района вулкана Авачинский контролируется сетью из четырех РТСС, расположенных на расстояниях от 2.4 до 6 км от кратера вулкана (см. рис. 1б). Данная сеть позволяет определять координаты слабых ВЗ в постройке вулкана с энергетическим классом K_S ≥ 1.5 (K_S = = logЕ, Дж).

Трехкомпонентный комплект короткопериодных каналов (SH) на базе сейсмометра СМ3 (Т_S = = 1.2 с) позволяет регистрировать скорость смещения грунта в полосе частот 0.8–20 Гц. Для регистрации слабых землетрясений РТСС имеют высокочувствительный канал, регистрирующий вертикальную составляющую (EHZ), с резонансной характеристикой в диапазоне частот 8–12 Гц по уровню 0.7. Записи землетрясений привязаны к универсальному координированному времени (Coordinated Universal Time, UTC), которое также было использовано в статье.

Для вычисления координат очагов применялась локальная одномерная скоростная модель с возможностью поиска решений положений гипоцентров выше уровня моря [Сенюков, 2006]. Погрешность определения очагов землетрясений в районе вулкана Авачинский оценивается около одного километра как в плане, так и по глубине [Нуждина и др., 2019]. В работе анализировались параметры землетрясений, обработанных в режиме, близком к реальному времени, и опубликованных в служебной сетевой базе данных КФ ФИЦ ЕГС РАН (http://www.emsd.ru/ts/). Обработка землетрясений и вычисление их параметров осуществлялись с помощью интерактивной программы DIMAS [Дрознин, Дрознина, 2010; Droznin, Droznina, 2011]. В статье глубины гипоцентров выше уровня моря имеют знак “+”, а ниже “–”.

В работах [Кирюхин и др., 2016, 2017; Kiryu-khin, 2017] разработана методика выделения в потоке ВЗ плоско-ориентированных кластеров 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. В сейсмической активизации вулкана Авачинский в 2019 г. выделялись плоско-ориентированные кластеры и определялись характеристики сейсмогенных площадок в интерактивной программе Frac Digger (№ 20 166 16 880)³³.

СЕЙCМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫЕ В РАЙОНЕ ВУЛКАНА АВАЧИНСКИЙ В ОКТЯБРЕ–ДЕКАБРЕ 2019 г.

С конца октября 2019 г. в районе постройки вулкана Авачинский регистрировались ВЗ различных типов.

Выделение типов ВЗ в период активизации вулкана Авачинский в 2019 г. было осуществлено на основании волновых форм землетрясений и их спектрального состава, зарегистрированных на ближайшей к вулкану РТСС SMA. Были выделены три общепринятых типа и четвертый “особый” тип ВЗ.

Вулкано-тектонические землетрясения (ВТЗ), обусловленные хрупким разрушением геосреды, имели четкие вступления P и S-волн и t_s-p = 0.8 c (рис. 2а). На спектрограммах ВТЗ выделяются интенсивные амплитудные плотности с частотами в диапазоне f = 12–15 Гц (рис. 3а).

Рис. 2.

Волновые формы землетрясений, зарегистрированных на вертикальной компоненте РТСС SMA (SHZ) во время активизации вулкана Авачинский в октябре–декабре 2019 г.

a – ВТ землетрясение 9.12.2019 г. в 14:54 с Ks = 6.6, H = –1.42 км; б – ГЗ 10.12.2012 г. в 23:03 с Ks = 3.5, H = 1.8 км; в – ДЗ 18.11.2019 г. в 09:09 с Ks = 2.7, H = 1.8 км; г – “особое” землетрясение 5.11.2019 г. в 11:46 с Ks = 3.6, H = 1.8 км.

Рис. 3.

Спектрограммы четырех типов ВЗ, зарегистрированных на вертикальной составляющей (SHZ) РТСС SMA во время активизации вулкана Авачинский в октябре–декабре 2019 г. a – ВТЗ землетрясение 9.12.2019 г. в 14:54 с Ks = 6.6, H = –1.42 км; б – ГЗ 10.12.2012 г. в 23:03 с Ks = 3.5, H = 1.8 км; в – ДЗ 18.11.2019 г. в 09:09 с Ks = 2.7, H = 1.8 км; г – “особое” землетрясение 5.11.2019 г. в 11:46 с Ks = 3.6, H = 1.8 км.

Гибридные землетрясения (ГЗ) характеризовались четкими вступлениями с t_s-p = 0.9 c, после которых наблюдалась запись явно выраженных кода-волн с более низкими частотами (см. рис. 2б). На спектрограмме ГЗ выделяются два пятна плотности с f₁ = 6 Гц в начальной части записи и с f₂ ≈ ≈ 2 Гц для коды-волн (см. рис. 3б). Механизм ГЗ принято связывать с процессом хрупкого разрушения геосреды с образованием трещины и дальнейшего ее заполнения магмой или флюидом [Гордеев, Сенюков, 1998].

Длиннопериодные землетрясения (ДЗ). Для них характерны нечеткие вступления P- и S-волн и более низкая частота относительно предшествующих типов (см. рис. 2в). На спектрограмме в течение 5 с выделяется пятно спектральной плотности с f ≈ 1.5–2 Гц (см. рис. 3в). Принято считать, что механизм ДЗ связан с разрушением геосреды с низкой плотностью или заполнением трещины магмой/флюидом. ДЗ часто наблюдаются перед извержениями, когда в канале вулкана или трещинах повышается давление за счет поступления свежей порции магмы.

Особые землетрясения (ОЗ). В потоке сейсмических событий, сопровождающих активизацию, были зарегистрированы 9 землетрясений с K_s = = 1.9–4.2, волновые формы которых отличались от волновых форм по общепринятой классификации ВЗ. В начальной части записи таких землетрясений преобладала более низкая частота по сравнению с кода-волн (см. рис. 2г). Авторы назвали их “особые” землетрясения, которые на РТСС SMA имели сравнительно короткую запись с резким вступлением Р-волны и t_s-p = 0.5 c. По волновым формам и частотному спектру они напоминали основную фазу (main phase) особых (special-type) землетрясений, зарегистрированных во время слабой активизации вулкана Иво-Дзима, Япония [Uchida, Sakai, 2002]. На спектрограмме ОЗ выделяются пять линейных пятен спектральной плотности с частотами f₁= 8 Гц, f₂= = 10 Гц, f₃= 12 Гц, f₄= 14 Гц, f₅= 21 Гц (см. рис. 3г). Причем частота f₅= 21 Гц появляется после вступления S-волны.

В целом на спектрограммах достаточно убедительно видны различия спектральных составов для типов ВЗ, зарегистрированных во время активизации вулкана Авачинский в конце 2019 г. (см. рис. 3).

Рассмотрим некоторые особенности ОЗ. Как правило, первое вступление Р-волны ОЗ имело положительную полярность (7 из 9). Не исключено, что такие землетрясения могут быть связаны с “взрывными” процессами, происходящими в конусе вулкана. В пользу этого предположения говорят траектории движения частиц первых вступлений в плоскостях EW–Z и NS–Z, которые близки к направлению на источник (рис. 4), что наблюдается в ближней зоне при взрывах на выброс или вблизи границы с резким изменением свойств среды [Ромашев, 1980].

Рис. 4.

Пример ОЗ, зарегистрированного 5 ноября 2019 г. на РТСС SMA (а); траектория движения грунта в различных группах волн (б). Красными (большими) стрелками показано направление на центр кратера, черными – направление движения грунта. Начало отсчета времени соответствует 11:46:35.

Сейсмическая активизация закончилась слабым высокочастотным спазматическим (ВД), которое начало регистрироваться на РТСС SMA 25 декабря в ~04:00 и прекратилось 26 декабря в 11:00 (рис. 5а, б). В амплитудном спектре хорошо выделяются три спектральных пика – “низкочастотный” с f₁ = 5 Гц и два четко выраженных “высокочастотных” с f₂ = 19 Гц и f₃ = 23.5 Гц (см. рис. 5в). Такая структура спектров близка к структуре спектров ОЗ, где также выделяются близкие частоты. Кроме того, в этот период отмечалось усиление фумарольной активности. ВД могло возникнуть в результате интенсивного движения флюида по проницаемой зоне, сформированной в результате сейсмической активизации.

Рис. 5.

Фрагменты часовых записей на вертикальной составляющей (SHZ) РТСС SMA 24 декабря 2019 г. при отсутствии ВД и 25 декабря с ВД (а); фрагмент записи ВД длительностью 30 с на вертикальной составляющей (SHZ) РТСС SMA (б); амплитудные спектры для двух участков ВД и фона (в). Начало отсчета времени соответствует (на рис. 5б) 21:33:30.

НАБЛЮДАЕМОЕ СВЕЧЕНИЕ НА КРАТЕРЕ ВУЛКАНА

Видеокамерой с РТСС AVH 27 октября 2019 г. в центральной части контура кратера ночью было зафиксировано слабое свечение в виде точки, которое периодически фиксировалось до конца декабря. Уникальное явление наблюдалось 8 декабря с 11:23 до 12:15, когда на месте свечения были зафиксированы 5 вспышек различной интенсивности (рис. 6). Сравнивая облики световых пятен, осредненных в минутном интервале, можно предположить, что их происхождение связано с взрывными процессами на различной глубине. Наиболее интенсивная вспышка произошла в 12:15 (см. рис. 6а). Облик светового пятна дает основание предположить, что она могла быть порождена взрывным процессом, возникшим в результате взаимодействия взрывоспособных вулканических газов с кислородом воздуха. Полусферическая форма и разлет продуктов взрыва указывают на то, что взрыв, по-видимому, произошел ниже поверхности кратера.

Рис. 6.

Наиболее интенсивные вспышки, зафиксированные камерой РТСС AVH в 12:11 и 12:15 (а); фрагменты сейсмических записей на ВЧ канале РТСС SMA, соответствующие временным интервалам вспышек в 12:11 (б) и 12:15 (в) 8 декабря 2019 г. Начало отсчета времени соответствует: б – 12:11:37, в – 12:15:47.

К сожалению, воздушная волна не зарегистрировалась акустическими станциями Камчатки в связи с их большой удаленностью от вулкана. Однако во временной окрестности двух наиболее сильных вспышек в 12:11 и 12:15 на ВЧ канале РТСС SMA записались слабые сейсмические сигналы (рис. 7б, в). В первом случае зарегистрировано два сейсмических сигнала с интервалом между ними 7 с. Характер их волновых форм напоминает ОЗ. Вторая вспышка сопровождалась сравнительно высокочастотным узкополосным сигналом, который очень напоминает колебания грунта при воздействии на него воздушной ударной волны. Длительность сейсмического сигнала (~15 c) и длительное свечение вспышки могут указывать на многоактность этого процесса.

Рис. 7.

Карта эпицентров землетрясений, произошедших в постройке вулкана Авачинский в октябре–декабре 2019 г. (а); проекция гипоцентров на вертикальную плоскость по линии А–Б (б); распределение во времени энергетического класса (K) (в); кумулятивная кривая числа землетрясений (г); глубины гипоцентров землетрясений (д); кумулятивная кривая энергии землетрясений (е); свечение в центральной части кратера (ж) (http://www.emsd.ru/~ssl/monitoring/main.htm). Вертикальной линией отмечен период наблюдаемых воздушных взрывов. Название РТСС: SMA – Сомма, SDL – Седловина, UGL – Угловая.

ДИНАМИКА РАЗВИТИЯ СЕЙСМИЧНОСТИ АВАЧИНСКОГО ВУЛКАНА В КОНЦЕ 2019 г.

Сейсмичность вулкана в конце 2019 г. была представлена шестью роевыми последовательностями вулканических землетрясений, которые хорошо выделяются на кумулятивной кривой числа землетрясений (см. рис. 7г). Глубина основной массы очагов располагалась выше уровня моря (0 < h < 2 км) и тяготела к двум горизонтам ~0.5 и ~1.8 км н. у. м., а эпицентры были сосредоточены в северо–северо-восточном секторе конуса вулкана (см. рис. 7а, б). Энергетический класс ВЗ был заключен в пределах 1.4 < K_S < 6.6. Наибольшая энергия выделилась во время 5-го роя, когда произошло самое сильное землетрясениe с K_S = 6.6 (см. рис. 7в).

В период сейсмической активности вулкана Авачинский с октября по декабрь 2019 г., согласно методике, описанной выше, было выделено 15 плоско-ориентированных кластеров, центры которых располагались в диапазоне глубин от 302 до 1842 м (табл. 1, рис. 8). Приведенные глубины с точностью до метра являются результатом программного выделения параметров кластера. Авторы осознают, что точность выделения координат недостаточная, чтобы говорить о метрах, но данные построения вполне оправданы для поиска общих закономерностей кластеризации землетрясений в роевых последовательностях.

Рис. 8.

3D визуализация плоско-ориентированных кластеров ВЗ, выделенных в период октябрь–декабрь 2019 г., с верхней плоскостью на высоте 1200 м (а). На врезке: график процентного содержания ВЗ в кластерах; стрелкой отмечены воздушные взрывы. Проекции площадок плоско-ориентированных кластеров землетрясений на горизонтальную плоскость на высоте 1500 м (б): 1 – вулканы; 2 – РТСС; 3 – проекции площадок кластеров.

В начале сейсмической активизации в роевых последовательностях выделялось по два кластера, на заключительной стадии по три кластера. Кластеры, в основном, располагались субвертикально с углом падения от 59° до 84°, но кластеры № 1, 8, 12 имели субгоризонтальное расположение с центром на высоте ~1800 м [Шакирова и др., 2020]. Рассматривалось процентное содержание типов ВЗ в кластерах (см. рис. 8а, врезка). Подавляющее большинство землетрясений были представлены двумя типами: ВТЗ и ДЗ. В начале активизации преобладали ВТЗ: кластеры № 5, 7 полностью были представлены ВТЗ, а в четырех последних – процент ВТЗ резко снизился. Обратная картина относится к ДЗ. Гибридные землетрясения были зарегистрированы только в 12-м кластере, в то время как ОЗ регистрировались только в первой половине активизации (см. рис. 8а, врезка).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты анализа сейсмических событий в октябре–декабре 2019 г. позволяют сделать определенные выводы о характере сейсмической активизации Авачинского вулкана и представить вероятную схему механизма ее развития.

Практически все землетрясения, сосредоточенные в постройке Молодого конуса, были достаточно слабыми (1.4 < K_S < 6.6). Центры выделенных кластеров находятся на высотах ~300–1850 м. В то же время, согласно геофизическим данным, периферический магматический очаг располагается на глубине от 0 до 2 км по данным [Мороз, Гонтовая, 2003], а по данным [Bushenkova et al., 2019] на глубинах ниже 2 км от дневной поверхности. Это указывает на отсутствие связи сейсмической активизации с процессами в вулканическом очаге.

Активизация пришлась на период конец октября–декабрь. Аналогичные сейсмические активизации происходили в периоды: февраль–апрель 1996 г., конец августа–октябрь 2001 г., октябрь–ноябрь 2005 г. [Сенюков и др., 2006]. Практически при всех активизациях землетрясения происходили в центральной части постройки конуса от уровня моря до кратера. С активизацией 2001 г. связана и слабая эксплозия с выбросом небольшого количества пепла и некрупных глыб при разрушении кратерной пробки с образованием в ней трещины. В ходе активизации 2005 г., так же, как и в 2019 г., отмечалась слабая термоаномалия и несколько гибридных землетрясений [Сенюков и др., 2006].

В сейсмических активизациях ясно прослеживается определенная сезонность: все они приурочены к переходным периодам осень–зима или зима–весна. Это может указывать на связь сейсмических активизаций с резким повышением обводненности конуса вулкана за счет повышенного количества осадков осенью и таяния снежно-ледового покрова конуса весной. Молодой конус сложен, главным образом, толщей рыхлых вулканических отложений с отдельными прослоями лав в виде лавовых потоков и силлов, т.е. относительно свободно проницаем для метеорных вод. Летом, когда конус свободен от снега и льда, и зимой, когда он забронирован ледяным плащом и снегом, поступление атмосферной воды в виде дождя или талого снега существенно падает.

Наличие землетрясений четырех типов указывает на несколько механизмов их возникновения, причем роль этих механизмов изменялась в течение активизации. Она началась с формирования горизонтального кластера № 1 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. По-видимому, события этих кластеров 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 ВЗ. Можно предположить, что таким телом является силл, внедренный во время извержения 1991 г. с достаточной мощностью, чтобы сохранять некоторую пластичность. Последнее определило возникновение ДЗ в кластере № 12.

Субвертикальные кластеры № 5, 7 имеют близкие углы падения (~80°–75°), азимуты падения (ВСВ), события в которых были на 100% представлены ВТЗ, что может свидетельствовать о субвертикальном магматическом теле, также испытывающем контакт с метеорными водами. Таким телом могла быть дайка – канал поступления магмы во время извержения 1991 г. Примечательно, что кластер № 6, состоящий почти из ВТЗ, имеет азимут простирания, идентичный как в кластерах № 5, 7 (ССЗ–ЮЮВ), а также близкий угол падения, но противоположный азимуту падения. Это является свидетельством того, что кластер № 6 отражает подобный процесс с противоположного борта частично закристаллизованного вулканического канала. Аналогичный азимут имеют 8 из 12 субвертикальных кластеров, а также трещина в кратере – результат извержения 1991 г.

Если в первую половину периода активизации преобладали ВТЗ и существенную долю составляли ОЗ, то затем роль вулканотектонических событий постепенно снижалась, особые землетрясения 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 длиннопериодных, особых и гибридных землетрясений говорит о различных механизмах генерации этих событий и их сочетаний с процессами хрупкого разрушения. Активизация закончилась высокочастотным спазматическим дрожанием, обусловленным интенсивным кипением метеорной воды с генерацией ВД 25 и 26 декабря.

Необычным явлением сейсмической активизации 2019 г. было свечение в кратере и вспышки над ним 8 декабря. Если слабое свечение в кратере можно объяснить просто прогревом кратерной трещины за счет усиления потока высокотемпературных фумарольных газов под воздействием растрескивания остывающих магматических тел в конусе, то яркие внезапные кратковременные вспышки, очевидно, имеют другую природу. Полусферическая форма самой сильной вспышки указывает на то, что, скорее всего, она возникла в результате взрыва непосредственно на поверхности лавовой пробки в кратере вулкана. Облик светового пятна дает основание предположить, что вспышка могла быть порождена взрывом, возникшим в результате возгорания восстановленных компонентов вулканических газов при их окислении кислородом воздуха. Такими компонентами, способными образовать взрывоспособную смесь с кислородом атмосферы, могут быть, прежде всего, H₂ и CO. Так как вода и диоксид углерода являются основными компонентами магматических газов, а для глубинных флюидов характерен крайне низкий потенциал кислорода, то их доля может быть существенна.

Следует заметить, что воздушные взрывы на высоте 50–200 м над кратером фиксировались во время Большого трещинного извержения вулкана Толбачик в 1975 г. [Ковалев и др., 1979]. Во время этого извержения, по форме ударных воздушных волн, также был выделен тип, который возникал в результате воздушных взрывов, возникающих за счет детонации взрывоспособных газов в атмосфере [Фирстов и др., 1978]. Наличие водорода в вулканических газах – известный факт, его горение на выходе фумарол наблюдалось на вулкане Горелый [Чаплыгин и др., 2015; Овсянников, Чирков, 2010].

Ориентировочная оценка фугитивности кислорода в магме извержения Авачи в 1991 г. была проделана по уравнению [Kress, Carmichael, 1991], используя валовый состав пород из [Иванов и др., 1995], и составы небольших глыб выброса 2001 г. (данные А.П. Максимова). В интервале 700–1000°С, согласно такой грубой оценке, ${\text{log}}{{{\text{f}}}_{{{{O}_{2}}}}}$ находится в пределах от соответствующего равновесию Ni–NO до превышающего его на единицу ${\text{log}}{{{\text{f}}}_{{{{O}_{2}}}}}.$ Это типичные для островодужных андезитов значения. При таких условиях в равновесии с чистой H₂O мольная доля водорода составит десятые доли процента. Такой же уровень концентраций будет иметь CO в равновесии с чистым CO₂. В случае, если изначально окислительное состояние магмы соответствовало равновесию QFM (кварц–фаялит–магнетит), которое характерно для основных магм, то равновесные мольные доли H₂ и CO составят первые проценты. Маловероятно, что при таких низких содержаниях эти газы могут образовать взрывоспособную смесь с кислородом воздуха.

Известно, что H₂ при высоких температурах отличается от других летучих компонентов высокой проникающей способностью. При наличии градиента его концентраций он интенсивно мигрирует в область низкой концентрации. Это его свойство, в частности, используется в петрологических экспериментах при высоких давлениях: задавая извне давление водорода, регулируют его химический потенциал внутри запаянных металлических ампул. Так же ведет себя водород и в расплавах, тем самым влияя на окислительное состояние магм [Gaillard et al., 2003].

Можно предположить следующую схему для объяснения вспышек. В атмосфере давление (следовательно, и химический потенциал) H₂ практически равен нулю. В то же время магмы всегда содержат некоторое количество воды, что, при низкой фугитивности кислорода, означает наличие заметных количеств H₂. При этом парциальное давление H₂ будет пропорционально общему давлению и его активности в расплаве и/или газовой фазе. В канале вулкана за счет разности потенциала H₂ в атмосфере и в магме возможна его диффузия из остаточного расплава к поверхности. При сохраняющихся достаточно высоких температурах в канале вулкана такой процесс возможен и в стекле породы, сформированной из магмы 1991 г. По-видимому, на верхних уровнях канала в его более холодных участках могут быть закрытые трещины (небольшие полости), играющие роль “ловушек” слабого потока H₂. Возникновение нескольких внезапных кратковременных вспышек можно объяснить вскрытием “ловушек”, вследствие происходящей сейсмической активизации, и взрывной реакцией водорода при смешивании с кислородом воздуха.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитая на Авачинском вулкане сеть РТСС КФ ФИЦ ЕГС РАН позволила провести детальный анализ слабой сейсмичности, наблюдавшейся с октября по декабрь 2019 г. На основании волновых форм и спектрального состава ВЗ были выделены три общепринятых типа: вулкано-тектонические, гибридные и длиннопериодные. Кроме того был выделен четвертый – “особый” тип ВЗ, отличающийся особенностями волновых форм. В начальной части записи ОЗ преобладала более низкая частота по сравнению с кода-волн. Характеристики этих землетрясений косвенно указывают, что они могут быть связаны с “взрывными” процессами, происходящими в конусе вулкана.

В сейсмической активизации Молодого конуса Авачинского вулкана в 2019 г. выделены 15 плоско-ориентированных кластеров и определены характеристики сейсмогенных площадок. Анализ их параметров позволяет предположить связь сейсмической активизации с взаимодействием горячих магматических тел извержения 1991 г. с метеорными водами. Наиболее вероятной причиной световых вспышек над кратером, наблюдавшихся 8 декабря, представляется взаимодействие обогащенного водородом вулканического газа при контакте с кислородом воздуха.

Таким образом, сейсмическая активизация вулкана в конце 2019 г. не была вызвана магматической активностью в вулканическом очаге. В дальнейшем возможны эпизодические повторения сейсмической активизации за счет взаимодействия остывающего в вулканическом канале магматического тела с метеорными водами. Однако, при появлении сейсмической активизации на глубинах, отвечающих положению вулканического очага (более 2 км от поверхности), с большой вероятностью следует ожидать возможного проявления вулканической активности.

Следует отметить, что Авачинский вулкан расположен в 27 км от краевого центра Камчатского края и представляет потенциальную угрозу для городов Петропавловск-Камчатский и Елизово и международного аэропорта Елизово. В связи с этим, изучение Авачинского вулкана в Институте вулканологии и сейсмологии ДВО РАН и КФ ФИЦ ЕГС РАН планомерно проводилось в течение многих лет, однако для краткосрочного прогноза извержения вулкана с высокой эффективностью необходимо усилить мониторинг геофизических параметров вблизи его постройки. В частности, для контроля процессов, происходящих в верхней части конуса, можно использовать мюонную томографию, по аналогии с тем, как она делается на вулканах Японии и Италии [Buontempo et al., 2010; László Oláh et al., 2018].