Вулканология и сейсмология, 2022, № 4, стр. 31-46

Изменения в расположении и мощности фумарольных полей

На вулкане Эбеко газовая разгрузка наблюдается на площади около 0.7 км². В 2002–2003 гг. в кратерах вулкана и на их внешних склонах [Котенко, Котенко, 2006] можно было выделить 12 участков (фумарольных полей) (рис. 1, №№ 1–4, 6–11, 13, 14) и две парящие площадки на гребне плейстоценового конуса (см. рис. 1, № 12). Парогазовый поток для всего вулкана в этот период был оценен в ~906 т/сут, из которых >70% давали фумаролы 2-го Восточного поля. Вклад Активной Воронки был очень мал (0.02 т/сут). Постоянного озера на дне Активной Воронки не было. Также не было термальной активности в Среднем кратере, и она почти прекратилась на участке фумаролы Гремучая. С 27 января 2005 г. началось наращивание мощности газовой разгрузки в Активной воронке, появились фумаролы на дне кратера, что привело к формированию термального озера (рис. 2а); появилось фумарольное поле Июльское на внешнем склоне Активной воронки и фумарола в воронке взрыва ниже Северо-восточного поля [Котенко и др., 2007]. Усиление или появление фумарольной деятельности проявилось на площади около 0.16 км² с максимальным расстоянием до 0.5 км к востоку от будущего жерла извержения в Активной воронке.

Рис. 1.

Расположение вулкана Эбеко (врезка) и его фумарольных полей в сентябре 2016 г. Фумарольные поля: 1 – Западное, 2 – Активной воронки (АВ), 3 – Среднего кратера (СрК), 4 – Южного кратера (ЮК), 5 – Июльское (ИП), 6 – Северо-восточное (СВП), 7 – Флоренского (ФП), 8 – 1-е Восточное, 9 – 2-е Восточное, 10 – Юго-восточное (ЮВП), 11 – ручья Лагерного (ЛП), 12 – плейстоценового конуса, 13 – 2-е ЮВП, 14 – 3-е ЮВП. В качестве картографической основы использован космический снимок с сервиса Google Earth.

Рис. 2.

Парогазовая и эруптивная активность в активных кратерах вулкана Эбеко: кратерное озеро и фумаролы в восточной стенке Активной воронки в предэруптивный период (а); в Активной воронке действует единственное высокотемпературное газовое жерло, кратер сухой (б); газовая разгрузка из двух жерл Активной воронки в паузах между пепловыми выбросами (в); действует только одно жерло в Активной воронке (западное) (г); фумаролы в кратере Корбута 24 июня 2020 г. (д); фумарольная активность там же 26.08.2021 г. (е). Фото: Л.В. Котенко (а–д), Ю.А. Витушко (е).

29 января 2009 г. началось эксплозивное извержение вулкана, которое продолжалось до 18 июня 2009 г. [Котенко и др., 2010; McGimsey et al., 2014]. Извержение заключалось в умеренных кратковременных вулканских взрывах. Из жерла в восточной стенке Активной воронки в течение светлого времени суток происходило от 3 до 15 взрывов с разной периодичностью, высота подъема пепла составляла 0.5–3.7 км над кратером. Во время извержения максимальная температура фумарол за пределами активного кратера наблюдалась на Юго-восточном поле (125°С) (табл. 1), на остальных полях температура не превышала 115°С. Температура газов эксплозивного жерла составляла 400–500°С.

После окончания извержения 2009 г. и до начала извержения в октябре 2016 г. фумарольная деятельность сохранялась в пределах всех выделенных на рис. 1 участков. Высокотемпературная парогазовая разгрузка (≥400°С) продолжалась и после извержения 2009 г. из эруптивного жерла в Активной воронке (см. рис. 2б). В верхней части южного склона Среднего кратера появилась линейная область прогрева со слабым парением. В 2011 г. в озере Среднего кратера произошли фреатические взрывы, оставившие два маара на дне озера, но повышение температуры озера не произошло, и оно оставалось холодным [Котенко и др., 2012].

Последнее извержение вулкана Эбеко, длившееся более пяти лет (с октября 2016 г. по 19 ноября 2021 г.), началось в Активной воронке и Среднем кратере одновременно. Подробно ход извержения и детали миграции его жерл освещены в работах [Котенко и др., 2018, 2020; Belousov et al., 2021]. До августа 2017 г. в Активной воронке действовало одно жерло на восточном склоне, затем появилось второе на противоположном склоне (см. рис. 2в). До августа 2018 г. дегазация и выбросы пепла наблюдались из этих двух жерл, затем – только из западного (см. рис. 2г). В сентябре 2018 г. Активная воронка была полностью засыпана пирокластикой, а вокруг западного жерла был взрывами выкопан новый кратер – кратер Корбута (см. рис. 2д, 3). В англоязычной литературе закрепилось название Новый северный кратер (New-North-Crater) [Walter et al., 2020].

Рис. 3.

Аэроснимок вулкана Эбеко и его фумарольных полей 16 августа 2021 г. с наложением инфракрасной съемки. Обозначения кратеров: КК – кратер Корбута, СрК – Средний кратер, ЮК – Южный кратер. Фумарольные поля склонов вулкана: ЗП – Западное, ИП – Июльское, СВП – Северо-восточное, ФП – Флоренского, 1В – 1-е Восточное, 2В – 2-е Восточное, ЮВП – Юго-восточное, ЛП – ручья Лагерного.

В результате аэросъемки кратеров и фумарольных полей в видимом и инфракрасном диапазоне, выполненной 16 августа 2021 г., был получен ортофотоплан вулкана Эбеко. Фотомозаика с наложением температурных аномалий показана на рис. 3. Конус растущего кратера Корбута заполнил весь Северный кратер. Глубина молодого кратера на дату съемки составляла ~100 м при диаметрах по бровке 230 м, по дну – 110 м. Сильная фумарольная активность была сосредоточена на дне и нижних частях склонов (см. рис. 2е). Дно кратера после сильных взрывов очищалось и тогда была видна бугристая поверхность, разбитая трещинами. Предположительно, открывалась головная часть магматического тела. В ходе извержения были частично засыпаны тефрой фумарольные поля Флоренского и Июльское. Фото- и аэрофотосъемка, проведенные в 2017–2021 гг., подтвердила наличие газовой разгрузки в юго-восточной части холодного озера в Среднем кратере. Мощность разгрузки незначительна по сравнению с объемом воды в озере, поэтому температура озерных вод не поднимается выше 12°С и на инфракрасном снимке поверхность озера – это самый холодный участок. Максимальная температура 340°С была получена в кратере Корбута. Эта температура, вероятнее всего, ниже реальной, так как небольшая загазованность кратера экранировала горячие участки.

Общая характеристика состава фумарольных газов

Представительные газовые анализы фумарол Эбеко за период 2003–2021 гг. показаны в табл. 1, где они сгруппированы по местоположению. Такая группировка выбрана из-за отличия составов газов на разных полях, на что указывалось и ранее [Меняйлов и др., 1988а; Kalacheva et al., 2016]. Максимальная измеренная температура в период с 2003 г. по июнь 2005 г. составила 140°С, в 2005–2008 гг. – 300–529°С (Июльское поле и Активная воронка). После извержения 2009 г. в Активной воронке сохранялась мощная газовая разгрузка с температурой более 400°С, которая стала доступна для прямого опробования только в течение короткого периода в 2015–2016 гг. В это время впервые удалось получить ряд последовательных анализов высокотемпературного газа с максимальной температурой отбора 503°С. В октябре 2016 г. началось новое извержение с образованием в точке отбора одного из жерл.

Все пробы содержат 81–99 мол. % воды без четкой зависимости ее количества от температуры. Высокотемпературный газ имеет состав, типичный для магматических газов Курильских островов согласно [Taran et al., 2018] с атомными отношениями C/S <1, с высоким содержанием HCl (5–7 ммоль/моль). Тройная диаграмма на рис. 4а показывает относительные концентрации CO₂, общей серы (SO₂ + H₂S) и HCl для фумарольных газов Эбеко. Все точки Активной воронки, два анализа Июльского поля за 2007 г. и один Юго-восточного поля за 2016 г. (группа 1) ложатся в одну область с магматическими газами вулканов Кудрявый (о. Итуруп) и Палласа (о. Кетой). Все эти пробы отобраны в предэруптивные периоды (от двух лет до 1.5 месяцев до начала извержений вулкана в 2009 и 2016 гг.). Остальные газы традиционно делятся на две группы: газы (группа 3) с малым содержанием HCl, наиболее обогащенные СО₂ (с высокими C/S), и газы группы 2 с высоким содержанием HCl и более низким отношением C/S: северо-восточный и юго-восточный сектор, соответственно. Составы низкотемпературных газов сильно отличаются как между собой, так и во времени по содержанию HCl, общей серы, отношению SO₂/H₂S. Общим для всех газов, как уже указывалось ранее [Kalacheva et al., 2016], независимо от стадии активности вулкана, остаются низкие концентрации H₂ (на порядок ниже магматического: максимум 0.4 ммоль/моль для АВ против ~5 на вулкане Кудрявый), CO, небольшая концентрация метана. Почти всегда SO₂/H₂S > 1. Стабильное преобладание H₂S над SO₂ наблюдалось в фумаролах поля Флоренского в 1979–1984 гг. [Меняйлов и др., 1988а] и Гремучей в 1967–1983 гг. [Menyailov et al., 1985]. Также, по нашим данным за 2010 г., в пробах фумарол поля Флоренского H₂S на порядок превышал SO₂. В августе 2021 г. были отобраны пробы из фумарол Южного кратера и Юго-восточного поля (см. табл. 1). В фумароле Южного кратера оказалось низкое содержание HCl, что не характерно для этого участка. На Юго-восточном поле отбор производился из двух разных точек: одна – в восточной части поля, вторая – в южной. По концентрации H₂S анализы с восточного участка отличались почти на порядок (3 против 0.4 ммоль/моль), в 7 раз была выше концентрация HCl и на два порядка выше концентрация водорода. 26 августа на этом участке произошел взрыв, в серных отложениях образовался провал диаметром около 1 м, из провала наблюдалось истечение жидкой серы с языками пламени. Вероятно, температура газа под серной коркой в момент отбора уже была выше, чем измеренная на устье фумаролы.

Рис. 4.

Треугольная диаграмма CO₂–S_сум–HCl (мольные концентрации) для газов вулкана Эбеко (а) и графики R_H, C/S, HCl относительно температуры фумарольных газов (б, в, г). Обозначения фумарольных полей см. рис. 1. “П и К” – высокотемпературные газы курильских вулканов Палласа и Кудрявого [Taran et al., 2018].

В работе [Giggenbach, 1987] показано, что химический состав вулканических газов контролируется состоянием химического равновесия между компонентами самой газовой фазы или внутри гетерогенной системы, включающей взаимодействие газа и породы. Одним из главных параметров окислительно-восстановительных равновесий была принята концентрация водорода в форме R_H = lg(H₂/H₂O). Для собранных на вулкане Эбеко газовых проб (см. рис. 4б) показан R_H в зависимости от температуры газа. Также представлены теоретические линии, характеризующие равновесие газов с различными окислительно-восстановительными буферами: “породным буфером FeO–FeO_1.5” и “серным буфером H₂S–SO₂” [Giggenbach, 1987], так как окислительно-восстановительное состояние высокотемпературных вулканических газов контролируется реакциями между окисленными и восстановленными видами серы в самой газовой фазе. Точки для газов Активной воронки с температурами 470–503°С ложатся близко к линии газового буфера, значения для газов с температурами <350°C показывают сильный разброс. Часть низкотемпературных газов стремится к достижению равновесия с породой, что характерно для гидротермальных газов.

Отношение C/S в зависимости от температуры газов представлено на рис. 4в. С ростом температуры отношение C/S стремится к магматическому (<1), а при низких температурах разброс составляет почти два порядка, включая низкие значения, близкие к магматическим. Содержание HCl также сильно варьирует в низкотемпературных газах (см. рис. 4г). При этом с ростом температуры содержание НCl неизменно увеличивается и при Т > 400°С достигает значений, характерных для магматических газов с максимальным значением 6.79 ммоль/моль.

Изотопный анализ конденсатов вулканического пара представлен на рис. 5а. Все точки занимают промежуточное положение между линией метеорных вод Крейга (δD = 8δ¹⁸O + 10) [Craig, 1961] и областью составов магматической воды зоны субдукции [Таран и др., 1989]. Также показан диапазон авторских данных изотопных составов метеорных осадков о. Парамушир (–52…–83‰ для δD и –7…–13‰ для δ¹⁸O). На графике прослеживается участие в формировании фумарольных газов в разной степени метеорной и магматической компоненты. По относительному положению точек на графике наибольшая величина вклада магматической компоненты наблюдается для высокотемпературного газа Активной воронки, а метеорной – для поля ручья Лагерного. Для многих дуговых вулканов наблюдается прямая корреляция между содержанием HCl в газах и δD воды [Taran, Zelenski, 2014 и др.]. Однако, как видно на рис. 5б, для вулкана Эбеко такой корреляции не наблюдается. Только низкотемпературный газ поля ручья Лагерного стабильно содержит мало HCl и имеет δD, близкий к местным метеорным водам. Несколько анализов с температурами 400–503°С попадают в область составов магматической воды дугового типа или близки к ней. Что касается остальных проб, с учетом наших новых данных за 2015–2016 гг. и с учетом других опубликованных данных [Меняйлов и др., 1988а; Taran et al., 2018], нет значимой корреляции HCl–δD. Величина достоверности линейной аппроксимации R² < 0.3. Как уже обсуждалось в работе [Kalacheva et al., 2016], высокие концентрации HCl в низкотемпературном паре в данном случае могут быть объяснены наличием в постройке вулкана кипящего гиперкислого рассола. Следует также отметить, что в изменении HCl и δD в период перед последним извержением нет четкой динамики во времени даже для высокотемпературного газа.

Рис. 5.

Изотопный состав конденсатов фумарольного пара в 2015–2016 гг. (а) и концентрация δD относительно HCl (см. табл. 1) (б). Стрелки показывают динамику изменения параметров во времени; ЛМВ – линия метеорных вод (δD = 8δ¹⁸O + 10) [Craig, 1961]; А – область составов магматической воды зоны субдукции [Таран и др., 1989]; маленькие ромбы – [Меняйлов и др., 1988а; Taran et al., 2018]. Остальные обозначения см. табл. 1.

Суммируя данные по изотопному составу конденсатов, содержанию НCl, H₂ и отношению C/S, можно предложить следующую последовательность по возрастанию магматического вклада в состав газов для разных фумарольных полей: ЛП, СВП, ИП, ФП < ЮВП, ЮК < АВ перед извержением 2016–2021 гг. Однако, как показано в работах [Котенко и др., 2007; Меняйлов и др., 1988], в периоды предэруптивных изменений на любом локальном участке может наблюдаться рост температуры до 380–529°С, который сопровождается изменением их состава: отношение C/S становится близко к магматическому (~1 и даже <1) (рис. 6а), растет содержание CO₂, НCl, H₂. При этом в газах Эбеко концентрация SO₂ почти всегда выше концентрации H₂S.

Рис. 6.

Динамика изменения C/S (атомные отношения) в газах вулкана Эбеко: перед каждым извержением достигалось значение <1, характерное для магматических газов (а), и временной ряд для концентрации SO₂ (ммоль/моль) в газах вулкана Эбеко (б). Стрелками показано уменьшение концентрации в течение извержений; КК – кратер Корбута, остальные названия фумарольных полей согласно рис. 1.

Геохимические предвестники извержений вулкана 2009 г. и 2016–2021 гг.

Изменения начинают проявляться за несколько лет до начала извержения, например, с 1963 г. перед извержением 1967 г., с 1983 г. перед извержением 1987 г. [Меняйлов и др., 1988а, 1988б; Menyailov et al., 1985]. А именно: повышение температуры газов и изменение их компонентного состава: уменьшение отношения С/S, увеличение отношений S/CI, F/CI и H₂S/SO₂, рост концентраций SO₂, H₂S, H₂, HCl, HF, увеличение δ¹⁸О в конденсатах. Также наблюдается усиление общего газового потока и расширение площади фумарольной деятельности [Кирсанов и др., 1964; Menyailov et al., 1985]. Как сказано выше, вулкан Эбеко имеет мощную гидротермальную систему и характеризуется фреатическими и фреато-магматическими извержениями. Современные наблюдения за предэруптивными изменениями состава фумарольных газов на подобных вулканах [Stix, de Moor, 2018] также показывали в большинстве случаев усиление потока SO₂ и падение отношения С/S до магматического. Геохимические сигналы начинали проявляться за несколько недель и даже лет до извержения.

За период наших наблюдений произошли два продолжительных вулканических извержения: в январе‒июне 2009 г. (~4.5 мес.) и с октября 2016 г. по ноябрь 2021 г. (более 5 лет). Предвестники извержения 2009 г. освещены в работах [Котенко и др., 2006, 2010]. Фумарольные газы имели температуру не выше 140°С в промежуток времени с 2003 г. до января 2005 г. Начиная с 27 января 2005 г., происходили одиночные фреатические взрывы в Активной воронке и за ее пределами (в левом борту руч. Лагерного). На восточной стенке Активной воронки открылось жерло, также усилилась фумарольная активность на дне, где образовалось кислое термальное озеро. С июля 2005 г. на северном склоне Активной воронки началась мощная фумарольная деятельность (Июльское поле) на площади 0.02 км², максимальная температура фумарол достигала 529°С. По всей поверхности поля текли серные потоки. В июне 2006 г. произошло самовозгорание фумарольной серы, и нижняя часть серных построек и потоков выгорела. В газах Северо-восточного поля с июля 2004 г. увеличивалось содержание CO₂, SO₂, H₂S и HCl и росла температура фумарол. Газы нового Июльского поля в 2005 г. имели очень высокую концентрацию HCl (~28 ммоль/моль) с отношением S/Cl = 1.3, и вплоть до начала извержения отношение C/S сохранялось низким (<1) (см. рис. 6а). На обоих полях уменьшалось отношение SO₂/H₂S. Длительность предэруптивного периода извержения 2009 г. составила более 4.5 лет. На площади 0.16 км² произошли изменения фумарольной деятельности, включая Активную воронку и участки к востоку и северо-востоку от нее на расстоянии до 0.5 км.

Предвестники извержения 2016 г. были выявлены в газовых анализах в апреле–мае 2016 г.: увеличение концентраций CO₂, SO₂, H₂, а в газах Активной воронки уменьшение C/S от 0.6 до 0.4 и SO₂/ H₂S от 8 до 6.5 (см. табл. 1, рис. 6а). Содержание HCl к сентябрю 2016 г. выросло и составило 6.8 и 9.6 ммоль/моль (в фумаролах Активной воронки и Южном кратере, соответственно). Изменение концентрации SO₂ во времени показано на рис. 6б. Для всех точек, кроме Активной воронки и кратера Корбута в период последнего извержения вулкана, концентрация SO₂ получена по газовым анализам. Для активных кратеров в 2017 и 2020–2021 гг. был сделан расчет по инструментально измеренному в шлейфах SO₂ и общему парогазовому потоку, полученному по методу [Федотов, 1982] при допуске, что концентрация H₂O составляла 94.8 мол. %, как в высокотемпературном газе перед извержением (см. табл. 1, сентябрь 2016 г.). То есть, полученные во время извержения значения очень приблизительные. Независимо от точки отбора, наблюдалась идентичная динамика: концентрация SO₂ увеличивалась на порядок и более в предэруптивные периоды. С другой стороны, от начала извержения к его окончанию происходило заметное уменьшение SO₂. Это касается и “серного” извержения на Июльском поле в 2005–2006 гг.

Также в 2016 г. наблюдался сдвиг в сторону утяжеления изотопов кислорода и водорода в конденсатах 4-х полей (см. рис. 5а). Новые участки термальной разгрузки не появлялись, но эмиссия газов из Активной воронки, дававшей до 90% общего газового потока вулкана, заметно, почти в полтора раза, увеличилась в 2016 г. относительно лета 2015 г. (табл. 2).

Таким образом, наиболее четкими геохимическими предвестниками двух извержений были: увеличение концентраций Н₂, SO₂ и CO₂ в несколько раз и даже на порядок с понижением отношения C/S до <1; утяжеление изотопов кислорода и водорода в конденсатах; рост температуры фумарол (для предвестников извержения 2009 г.); увеличение газового потока. Рост концентрации HCl в низкотемпературных газах вулкана Эбеко может быть предвестником только в комплексе с другими изменениями, так как наблюдаемые концентрации заключены в очень широком диапазоне значений (см. рис. 4г) независимо от стадии активности вулкана.

Результаты измерений почвенного потока СО₂ на фумарольных полях вулкана Эбеко

В настоящее время измерения диффузионного почвенного потока СО₂ широко применяются в качестве инструмента мониторинга активных вулканов. Подобные наблюдения уже много лет ведутся на вулканах Италии, Мексики и других стран [Chiodini et al., 1998; Hsin-Yi Wen et al., 2016]. Регулярные наблюдения с помощью сети приборов позволяют предсказывать вулканические и тектонические явления [Mazot et al., 2011 и др.].

На вулкане Эбеко первое измерение диффузионного потока CO₂ было выполнено 20 июля 2017 г. на Северо-восточном поле. Измерения были сделаны по сетке с расстоянием между узлами 6 м (30 точек). Площадь покрытия составила 720 м². Был выбран участок ровной поверхности ниже фумарольных выходов. Минимальное значение почвенного диффузионного потока СО₂ составило 1670 г/м²/сут, максимальное – 8828 г/м²/сут, среднее – 3466 г/м²/сут. Опробованный участок составляет всего 7% от площади Северо-восточного поля, поэтому не может характеризовать все поле. Однако наличие такого высокого почвенного потока СО₂ на локальном участке подтвердило необходимость измерений диффузионного потока СО₂ из постройки вулкана, о величине которого пока нет никаких данных. К сожалению, работать вблизи активного кратера не представлялось возможным из-за продолжающегося эксплозивного извержения вулкана: частые взрывы с выбросом лапилли и бомб исключали безопасную работу на близких расстояниях. Поэтому дальнейшие измерения проводились на Юго-восточном поле: 11 августа 2020 г. и 12 августа 2021 г. Так как резкие изменения атмосферного давления, скорости ветра и осадки могут внести погрешности в измерения [Lewicki et al., 2007], мы отслеживали метеорологическую обстановку по данным высотного зондирования аэрологической станции “Северо-Курильск” (7 км от вулкана). Съемка CO₂ велась на сухом грунте при сухой погоде. Погодные условия были достаточно близки: атмосферное давление 903 ± 3 ГПа, относительная влажность 50 ± 2%, отсутствие осадков более суток, отсутствие сильного ветра. В общей сложности на Юго-восточном поле было выполнено 29 измерений CO₂ и температуры грунта на глубине до 20 см на площади 32 000 м². Поверхность фумарольного поля сложена вулканическим пеплом и шлаком, на поле присутствуют грязевые котлы, крупные фумаролы, присыпанные свежим пеплом плотные отложения серных потоков, участки с измененными породами и шлаком, инкрустированным солями на парящих площадках. В структурном плане поверхность осложнена фумарольными буграми, расчлененными сухими руслами временных водотоков.

Измеренные величины потока СО₂ варьировали от 3.49 до 10 442 г/м²/сут, температура грунта от 10.6°С до 96.5°С. На рис. 7а видны три зоны с мощным потоком СО₂ – более 7000 г/м²/сут. Эти точки соответствуют областям поля со значительными гидротермальными изменениями слагающих пород.

Рис. 7.

Аэроснимок вулкана Эбеко 16 августа 2021 г. а – наложение распределения диффузии СО₂ на ЮВП с указанием точек измерений; б – карта-схема распределения температуры грунта на этом же участке.

Для зон с мощным потоком СО₂ характерна также высокая температура грунта (см. рис. 7б). Однако, точки с высокой температурой наблюдаются и на других площадках фумарольного поля и не обязательно связаны с сильным потоком СО₂. Диффузионный поток углекислого газа в вулканических регионах часто коррелирует с повышенными температурами почвы [Bloomberg et al., 2014; Werner et al., 2008 и др.]. На Юго-восточном поле такая корреляция не наблюдается, так же, как и в случае фумарольных полей вулкана Головнина (о. Кунашир) [Тарасов, 2021]. Вероятно, в нашем случае поверхностные корки гидротермально-измененных пород, а также захороненные под свежей пирокластикой серные потоки, могут экранировать диффузионный поток газов. Именно поэтому максимумы потока почвенного СО₂ зафиксированы на периферии бугров крупных фумарол. Похожее распределение диффузии установлено на вулкане Сатсума-Иводзима (Япония) [Shimoike et al., 2002], где мощные отложения серы внутри и вокруг кратера за счет низкой проницаемости препятствовали прохождению вулканического газа через почву, концентрируясь в каналах фумарол.

Рассчитанный общий диффузионный поток CO₂ на Юго-восточном поле вулкана Эбеко составляет не менее 50 т/сут (18 тыс. т/год), при среднем значении потока 1564 г/м²/сут. Однако следует заметить, что мы не проводили изотопные исследования проб почвенного газа на определение δ¹³C–CO₂, что позволяет исключить СО₂ невулканического происхождения. Подобные исследования на вулкане Сатсума-Иводзима показали, что доля биогенного и атмосферного углерода может быть значительна и на вершинах вулканов – до 80% от общего потока СО₂ [Shimoike et al., 2002].

Фумаролы Юго-восточного поля имеют низкие температуры, в составе их газов вторым по концентрации компонентом после водяного пара является CO₂ (см. табл. 1). Среднее содержание СО₂ 12–15 августа 2021 г. составляло около 5 мол. %, а общий расход фумарольного газа 320 ± 20 т/сут (10% от парогазовой разгрузки кратера Корбута по методу сравнения проекций площадей фумарольных шлейфов на горизонтальную поверхность на аэроснимках [Hochstein, Bromley, 2001]. В свою очередь для кратера Корбута парогазовая эмиссия (~3200 ± 550 т/сут) была рассчитана по высоте шлейфа и средней скорости ветра в слое уровень кратера – вершина шлейфа, по [Федотов, 1982]. Таким образом, фумарольная эмиссия СО₂ составила ~40 т/сут, т.е. почвенный диффузионный поток СО₂ с Юго-восточного фумарольного поля (50 т/сут) оказался выше потока за счет фумарольных выходов. В табл. 3 сравниваются наши данные с измерениями на других вулканах. Если дальнейшие исследования с увеличением плотности съемки и отбором почвенного газа на изотопы углерода подтвердят полученную величину эмиссии, то это будет одна из самых высоких разгрузок диффузионного СО₂ на вершинах вулканов.

Динамика общей эмиссии газов

Динамика общей газовой эмиссии представляет интерес и как индикатор предэруптивного состояния и для оценки объема отделения летучих в разные фазы активности вулкана. Величина общего расхода газа (водяной пар + основные компоненты, т/сут) и его компонентный состав в разные годы показаны в табл. 3. В межэруптивный период впервые расход газа был определен в 1959 г. А.С. Нехорошевым [1960], затем И.А. Меняйловым с соавторами [Меняйлов и др., 1988а] в 1979, 1983 гг. и составил 864 и 1918 ± 22 т/сут соответственно. Нами величина эмиссии определялась по скорости газовых струй доступных фумарол, измеренной температуре и размеру выходного отверстия [Нехорошев, 1960], а также по высоте парогазового облака (плюма) и скорости ветра в слое существования шлейфа [Федотов, 1982]. В 2020–2021 гг. для сравнения величины эмиссии с разных фумарольных полей была использована аэрофотосъемка и метод сравнения площадей проекций шлейфов на горизонтальную плоскость [Hochstein, Bromley, 2001].

Величина расхода газа в спокойные межэруптивные периоды составляла 1–2 тыс. т/сут, увеличиваясь в несколько раз в периоды извержений (см. табл. 3). Самый высокий поток для всего вулкана ~9400 т/сут был измерен в 2005–2006 гг. – выше, чем в 2020 и 2021 гг. 5020 ± 900 и 4270 ± 600 т/сут (эруптивный период, паузы между вулканскими взрывами). При этом в первом случае ~75% потока поступало не из извергающихся кратеров, а из многочисленных мощных фумарол на площади Июльского поля – нового участка дегазации. Поэтому мы, вслед за авторами [Belousov et al., 2021; Tanakadate, 1936], выделили этот период как “серное” извержение, в процессе которого подъем магмы вызывает нагрев серной залежи, плавление и мобилизацию серы в виде многочисленных потоков жидкой серы и выделение большого количества серных газов.

Начиная с 2009 г., до 60–90% общего газового потока давали активные кратеры: Активная воронка – вплоть до начала извержения в 2016 г. и в период с июня 2017 г. до лета 2018 г.; Активная воронка вместе со Средним кратером – в период октябрь 2016–май 2017 г. В 2018–2021 гг. основная дегазация происходила из молодого кратера Корбута (75–80% от общего потока).

Эмиссия диоксида серы активным кратером

Начиная с 2015 г., на вулкане Эбеко стали применяться инструментальные методы измерения эмиссии SO₂ из активного кратера. Первые измерения были выполнены техникой ДОАС до начала извержения 2016 г., в августе 2015 г. [Melnikov et al., 2016; Taran et al., 2018]. Эмиссия SO₂ составила 100 ± 50 т в сутки. Поток других газов был рассчитан по составу отобранного газа. В дальнейшем выход двуокиси серы был измерен еще дважды в 2017 г. [Taran et al., 2018] с использованием техники МультиГаз (Multi-Gas [Shinohara, 2005]) и переносного ДОАС спектрометра во время пауз между вулканскими взрывами. Авторами измерения при помощи сканирующего ДОАС прибора проводились 29 июля 2020 г. и 14 августа 2021 г. на протяжении 6 и 16 час с расстояния 1.1 и 1.7 км от оси шлейфа соответственно. В табл. 4 приводятся результаты измерений потока SO₂ из активного кратера в предэруптивный период и во время текущего извержения. По данным таблиц 3 и 4 можно сказать, что в 2015 г. был зафиксирован высокий поток SO₂, который еще увеличился перед извержением от 100 ± 20 до 143 ± 50 т/сут. В 2017 г. наблюдалась самая высокая разгрузка SO₂ из активного кратера в газовом шлейфе, а в 2020 г. – в пепловом. Последнее измерение 14.08.2021 г. показало значительное снижение средней величины эмиссии SO₂ в газовых и пепловых выбросах. В газовых шлейфах получены значения потока 99 ± 28 и 9 ± 2.7 т/сут, в пепловых шлейфах 747 ± ± 220 и 450 ± 130 т/сут соответственно. В “завершающих” газовых шлейфах, то есть в мощных шлейфах, сохраняющихся после прекращения поступления пепла, содержание SO₂ постепенно уменьшалось от близкого к эруптивному до фонового (рис. 8а). В 2021 г. сильные взрывы стали происходить реже и уменьшилась их продолжительность. Так, 29 июля 2020 г. эмиссия пепла длилась только 5 мин, а мощный парогазовый шлейф с высоким содержанием SO₂ наблюдался еще в течение двух часов. Продолжительность же “завершающих” парогазовых шлейфов 14 августа 2021 г. составляла от 13 мин до 42 мин после взрыва. Уменьшение потока SO₂ в августе 2021 г. по сравнению с июлем 2020 г. свидетельствует в пользу близкого окончания извержения, как было показано для вулкана Асо (Япония) [Shinohara et al., 2018]. Последние пепловые шлейфы на вулкане были зафиксированы 19 ноября 2021 г.

Рис. 8.

Измеренные в июле 2020 г. концентрации SO₂ в шлейфах, время UTC (а) и распределение количества зафиксированных вулканских взрывов за весь период извержения и их накопление (б). Максимальное количество взрывов зарегистрировано в мае–июле 2020 г.

В течение всего периода текущего извержения проводился визуальный контроль количества и высоты эксплозий. Использовались видеокамеры Brinno TimeCam TLC 100, позволяющие осуществлять покадровую съемку с периодичностью 5 с. Постоянная фотосъемка велась из г. Северо-Курильск (7 км от вулкана), эпизодически камера устанавливалась вблизи кратеров на несколько суток. На рис. 8б показана частота взрывов (число взрывов в месяц), а также интегральная кривая их общего числа. Наблюдения проводились в светлое время суток. Кроме того, большую часть времени наблюдения были невозможны из-за плохой погоды или закрытой облаками вершины вулкана, поэтому точное количество взрывов неизвестно. Если оценить общую массу SO₂, поступившего за все визуально зафиксированные эксплозии в 2016–2021 гг., исходя из среднего значения за один взрыв (1200 т по данным измерений ДОАС), то эта величина может составлять ~5.6 Мт. Это минимальная оценка, так как время осуществления визуальных наблюдений составило ~20% от общей продолжительности извержения.