CC BY
44
© Р.И. Пашкевич, К.А. Павлов, 2014
УДК 550.83
Р.И. Пашкевич, К.А. Павлов
О РАЗМЕРЕ, ГЛУБИНЕ ЗАЛЕГАНИЯ И СВОЙСТВАХ МАГМАТИЧЕСКОГО ОЧАГА АВАЧИНСКОГО ВУЛКАНА
Приводится анализ данных о магматическом очаге по результатам геофизических исследований выполненных в 1960-2003 гг. Ключевые слова: Авачинский вулкан, периферический магматический очаг, размеры магматического очага, геолого-геофизическая модель, моделирование.
Впервые предположение о существовании периферического магматического очага под Авачинским вулканом было сделано по результатам рекогносцировочной гравиметрической съемки, выполненной в 1960-1962 гг. [1, 2]. На вулкане была зафиксирована положительная гравитационная аномалия (рис. 1, 2).
Глубина залегания и форма аномального тела были определены методом подбора. Глубина залегания верхней кромки была
определена в 1,5-2 км ниже уровня моря. В расчетах тело аппрок-
Рис. 1. Схема гравитационных аномалий района Авачинского вулкана [1]: 1, 2 — отрицательные и положительные аномалии, (а — слабые, б — интенсивные), 3 — тектонические нарушения
Рис. 2. Положение магматического очага [1], а—в г/см3
183
симировалось двухосным эллипсоидом. Размеры полуосей составили при плотности (а) тела 2,85 г/см3 соответственно 5,2 и 2,5 км, а для плотности 3,15 г/см3 — 3,5 и 1,5 км [2]. Расчет, выполненный для тела в виде шара, дал глубину залегания центра 4 км [1]. Для указанных плотностей гравитирующее тело отвечает базальтам или ультраосновным породам [2].
В [1] было высказано предположение, что выделенное тело является магматическим очагом, питающим Авачинский вулкан. Вместе с тем, по результатам детальной аэромагнитной съемки и модельных расчетов распределения магнитного поля над Авачинским и Корякским вулканами было установлено, что гравитирующий объект, залегающий под Авачинским вулканом, магнитной аномалии не создает. В работах [1, 2] отсутствие магнитной аномалии было объяснено высокой температурой тела — выше точки Кюри для магнетита (>600 °С).
На основании изучения продуктов извержения Авачинского вулкана в работе [3] был сделан вывод о том, что принятое в [1] значение плотности гравитирующего тела 3,2-2,95 г/см3 для оценки размеров очага не отвечает допустимым пределам состояния реального магматического вещества на заданных глубинах при температуре выше точки Кюри. Отмечено, что в этих условиях такая плотность может соответствовать только ультраосновному расплаву или продуктам его кристаллизации (оливинам и пироксенам). Плотность андезито-базальтового расплава или его раскристаллизованных разностей при предполагаемых давлениях и температурах ограничена пределами 2,59-2,82 г/см3 [3]. Тело с такой плотностью не может быть причиной гравитационной аномалии [3]. Исходя из чего, в [3] утверждалось, что возмущающие массы под вулканом вероятно представлены ультраосновными породами, входящими в состав мелового фундамента.
С помощью метода «просвечивания» под Авачинской группой вулканов на глубинах 20-80 км был обнаружен эффект экранирования поперечных сейсмических волн [4]. Было установлено, что под Авачинской группой вулканов в нижних слоях земной коры или в верхней мантии на этих глубинах нет гигантского жидкого очага магмы с линейными размерами в десятки километров. С глубин 80-90 км вертикально вверх поднимается зона, вероятно обогащенная магматическим веществом. Поперечник зоны не превышает 25 км. Объем жидкого материала может составлять примерно 20% от общего объема.
184
В [5] на основе метода «просвечивания» и результатов оконтури-вания высказано предположение о наличии под Авачинской группой вулканов в интервале глубин 20-90 км одной или двух неоднород-ностей с поперечными размерами в плане от 7x7 до 15x40 км, имеющих форму сужающегося кверху неправильного конуса. Поперечное сечение нижней части неоднородности (неоднородностей) близко по форме к изометричному. Относительная ошибка в определении сечения не менее 50%. Это сечение не менее чем в 1,5-2 раза превышает по площади поперечное сечение верхней части, расположенной в области границы М и имеющей форму узкой ленты, вытянутой в направлении, приблизительно совпадающем с линией простирания вулканической группы.
Позднее предположение о существовании магматического очага Авачинского вулкана было подтверждено сейсморазведочными работами методом КМПВ [6]. Было установлено, что аномальное тело пересекает границу фундамент — пирокластическая толща. Радиус сферического очага по расчетам для продольного профиля (кратер вулкана- р. Мутная на расстоянии 17,1 км от кратера) составил 5,2 км. Расчет для непродольного профиля дал меньшее значение радиуса — 3,6 км, что было объяснено автором [6] несимметричностью тела относительно центра вулкана и вытянутостью его в северо-западном направлении — в направлении предполагаемого глубинного разлома, контролирующего положение Авачинско-Ко-рякской группы вулканов. Верхняя граница вязкости пород была оценена в 106-108 пуаз.
В работах [7, 8] на основании комплексного анализа результатов исследований, проведенных до 1976 г. были сделаны следующие выводы. Периферический магматический очаг располагается на границе мелового фундамента и покрывающей вулканогенной толщи. Глубина залегания по сейсмическим данным — 1,5 км от уровня моря, по гравиметрическим данным центр аномальных масс залегает на глубине 4 км. По данным сейсморазведки оценочный радиус в плоскости фундамента очага 5,2±0,9 км. Радиус наиболее «разогретой» части очага 3,6 км. Гравиметрия дает размеры при плотности пород очага 2,85-3,1 г/см3 — 5,2x2,6 км. Вязкость пород — 105-108 пуаз. Предполагаемый состав очага — андезито-базальты-габбро-диориты с вероятной плотностью в камере соответственно 2,7 и 2,82 г/см3.
В 1979-1983 гг. была выполнена гравиметрическая съемка на площади 600 км2 с максимально возможным сгущением сети наблю-
185
Рис. 3. Схема локальных гравитационных аномалий в районе Корякско-Авачинской группы вулканов по результатам работ 1979-1983 гг. [9]
дений на постройках вулканов Авачинский и Корякский [9]. В районе вулканов были получены локальные аномалии (рис. 3).
Гравитационное поле характеризуется преимущественно северо-западным простиранием изолиний и аномальных зон. На фоне положительной аномалии в вершинной части Авачинского вулкана был выделен максимум, приуроченный к юго-юго-западному склону конуса и относительный минимум поля, смещенный к северо-востоку от кратера. В работе [9] выполнено трехмерное моделирование гравитационного поля под вулканом. Аномальные массы задавались прямоугольными параллелепипедами. Было установлено, что наблюденную аномалию нельзя считать одним крупным аномальным телом. Полного совпадения с наблюденным полем достигнуто не было, однако удовлетворительное соответствие дала модель, состоящая из следующих четырех тел (рис. 4).
1. «Очаг», основной объем которого расположен на глубине 2-6 км ниже уровня моря, с поперечником 10 км, вытянутый и смещенный в северо-восточном направлении. Кровля очага воздымается под вулканом до уровня моря.
2. «Ядро» — центральная часть соммы — уплотненный блок около 2 км в поперечнике (область вокруг канала, насыщенная дайками и внедрениями).
3. «Канал», в пределах конуса имеющий поперечник 250 м.
4. «Ледник», расположенный в атрио у северного подножья молодого конуса, расчетной мощности 150 м.
С помощью сопоставления гравиметрических и сейсморазве-дочных данных в [9] была также построена гравитационная модель сейсмического разреза. Максимальная плотность в модельном блоке, содержащем предполагаемый очаг вулкана, составила 2,88 г/см3.
186
-4
2, км
Рис. 4. Объемная модель аномальных тел под Авачинским вулканом [9]
Глубокая часть аномального объекта (2-6 км) по гравиметрическим данным оказалась шире, чем на сейсмическом разрезе. В [9] был сделан вывод о существовании под вулканом на глубинах от 5-6 км ниже уровня моря до нуля и в пределах постройки (выше уровня моря) аномального тела с положительной избыточной плотностью относительно вмещающих, пород. Максимальный радиус очага был оценен в 5 км, радиус «разогретой» части — 2,5 км. Глубина залегания от 0 до 6 км ниже уровня моря.
В работе [10] на основе имеющихся гравиметрических, сейсмических и электромагнитных исследований создана комплексная геолого-геофизическая модель земной коры под Авачинским вулканом (рис. 5). Модель включает коровую зону повышенной трещиноватости с наличием гидротермальных растворов. На глубине 15-25 км располагается магматический очаг (Э), в который, вероятно, поступает магма из верхней мантии. Выше, на глубине 6-10 км располагается интрузия (С). В верхних слоях земной коры выделяется Авачинский грабен. В интервале глубин 0-2 км под постройкой вулкана располагается периферический магматический очаг (А).
В работе [11] на основе результатов геологических и геофизических исследований прошлых и последних лет дана оценка запасов тепла нагретых магматическим очагом вулкана горных пород с момента его возникновения и до настоящего времени с учетом переменных размеров магматического очага в процессе эволюции и накопления им тепла. Для этого авторами было выполнено моделирование роста и развития
187
КЭ_3 влк. Авачинский О 10 __■—"" --30 км
Я, км
Рис. 5. Глубинная модель Авачин-ского вулкана [10]: 1 — границы мелового фундамента (а) и Авачинского грабена (Ь); 2 — зона повышенной трещиноватости с наличием жидких флюидов по электромагнитным данным; 3 — по сейсмическим данным: А — периферический магматический очаг. В — то же, что в п. 2. Е — предполагаемая зона глубинного разлома. С — интрузия. Э — предполагаемый коровый магматический очаг; 4 — пути движения жидких флюидов; 5 — предполагаемое поступление магмы из мантийного источника
магматического очага Авачинского вулкана при сферической аппроксимации его формы (рис. 6). Для расчёта количества накопленного тепла приняты усреднённые за весь период деятельности вулкана размеры магматического очага. При этом использованы результаты расчётов эволюции магматического очага в процессе его роста и развития.
Я, М IV; км /год
-1-1-1-1-1-Г, лет
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000
Рис. 6. Расчетная зависимость изменения радиуса сферического очага вулкана Авачинский от времени с начала зарождения вулкана до настоящего времени при убывании расхода магмы по линейной зависимости [11]
188
Глубина залегания очага Н = 2 км от уровня моря при температуре вмещающих пород Тс = 150 °С, температуре поступающей в очаг магмы Т = 1250 °С, и вытекающей из очага магмы Тг2 = 900 °С и температуре плавления вмещающих пород Тсзо! = 900 °С. Зависимость Я рассчитана при суммарном расходе магмы за время существования вулкана ^ = 380 км3 [11].
Также в работе [11] путем аналитического решения нестационарной, тепловой задачи в полупространстве получено распределение температур вокруг сферического магматического очага, радиусом 2 км, а также вокруг эллипсоидов с вертикальной осью вращения при длительности существования очага 60 тыс. лет. Исходные данные и результаты расчета размеров магматического очага сведены в табл. 1.
Вариант 2 с эллиптической аппроксимацией магматического очага с полуосями 2,3 и 1,53 км более соответствует геофизическим представлениям о его форме, представленной в работе [10]. Поэтому данный вариант расчетов предлагается в [11] принять на нижнюю оценку тепловых запасов. Вариант 3 соответствует верхней оценке запасов [11].
Таблица 1
Исходные данные н результаты расчета размеров магматического очага вулкана Авачннскнн н его тепловых ресурсов [11]
Вариант Глубина залегания очага от уровня моря, м Размеры магматического очага, м СО^ а, г а ч о м Я б О Температура вмещающих порол, °С Температура втекающей в очаг магмы, °С Температура стенки очага, °С Объем зоны горячих сухих порол (тороил) с температурой 200-350 °С, км3 Запасы тепла накопленного очагом в указанном тороиле, 1020 Дж
1 2000 Средний радиус Я=2000 33,5 108 1250 900 154,0 0,86
2 1500 Большая полуось эллипсоида а=2300; малая полуось Ь=1530 33,5 120 1250 900 177,6 0,99
3 3000 Большая полуось эллипсоида а=4500; малая полуось Ь=3000 254,5 195 1250 700 266,5 1,48
189
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Штейнберг Г.С., Зубин М.М. О глубине залегания магматического очага под Авачинским вулканом. //Докл. АН СССР. — 1963. — Т. 152. — №4.
2. ШтейнбергГ.С., Балеста С.Т., ЗубинМ.И., Таракановский A.A. Геологическое строение Авачинского вулкана по геофизическим данным. //Вулканизм и глубинное строение Земли. — М.: Наука, 1966. — С. 49-56.
3. Масуренков Ю.П. Состав и состояние вещества в магматической камере Авачинского вулкана (Камчатка) //Магма малоглубинных камер. — М.: Наука, 1970. — С.79-89.
4. Федотов С.А., Фарберов A.M. Об экранировании поперечных сейсмических волн и о магматическом очаге в верхней мантии в районе Авачинской группы вулканов // Вулканизм и внутреннее строение Земли. — М.: Наука, 1966. — С.43-48.
5. Фарберов A.M. Магматические очаги вулканов Восточной Камчатки по сейсмологическим данным. — Новосибирск: Наука, 1974. — 88 с.
6. Балеста С.Т., Гонтовая Ё.М., Каргопольцев A.A. и др. Сейсмическая модель Авачинского вулкана (по данным КМПВ-ГСЗ) // Вулканология и сейсмология. — 1988. — №2. — С.43-55.
7. FedotovS.A., Balesta S.T., Droznin V.A., Masurenrov Yu.P., Sugrobov V.M. On a Possibility of Heat Utilization of the Avachinsky volcanic Chamber. Proceedings Second United Nations Symposium on the Development and Use of Geothermal Resources. San Francisco, 1976, U.S. Govt. Print. Office, Washington, p. 363-369.
8. Федотов С.А., Балеста С.Т., Дрознин B.A., Масуренков Ю.П., Сугробов В.М. О возможности использования тепла магматического очага Авачинского вулкана // Бюллетень вулканол. станций. — 1977. — №53. — С. 27-37.
9. Зубин М.М., Козырев A.M. Гравитационная модель строения Авачинского вулкана (Камчатка) // Вулканология и сейсмология. — 1989. — №1. — С. 81-94.
10. Мороз Ю.Ф., Гонтовая Ё.М. Глубинное строение района Авачинско-Корякской группы вулканов на Камчатке // Вулканология и сейсмология. — 2003. — №4. — С. 3-10.
11. Федотов С.A., Сугробов В.М., Уткин М.С., Уткина Ё.М. Возможности использования тепла магматического очага Авачинского вулкана и окружающих его пород для тепло- и электроснабжения // Вулканология и сейсмология. — 2007. — №1. — С. 32-46.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
гПашкевич Роман Мгнатьевич — доктор технических наук, директор, e-mail: [email protected]
гПавлов Кирилл Aлексеевич — научный сотрудник, e-mail: [email protected] 1Научно-исследовательский геотехнологический центр Дальневосточного отделения Российской Академии Наук
190
UDC 550.83
ABOUT SIZE, DEPTH AND PROPERTIES
OF THE MAGMATIC CHAMBER OF AVACHA VOLCANO.
1Pashkevich R.I., Doctor of Technical Sciences, Director, e-mail: pashkevich@ kscnet.ru
1Pavlov K.A., Research Scientist, e-mail: [email protected]
1Research Geotechnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of
Sciences
The paper presents the data analysis of the existence of an intermediate magmatic chamber. Data were obtained on basis of the results of geophysical studies in the region of Avacha volcano made in 1960-2003. Key words: Avacha volcano, peripheric magmatic chamber, magmatic chamber size, geological-geophysical model, simulation.
- REFERENCES
1. Shtainberg G.S., Zubin M.I. Doklady AN SSSR, 1963, Vol. 152, No 4.
2. Shtainberg G.S., Balesta S.T., Zubin M.I., Tarakanovsky A.A. Vulkanizm i glubinnoe stroenie zemly, M.: Nauka, 1966, pp. 49-556.
3. Masurenkov Yu.P. Magma maloglubinnyh kamer, M.: Nauka,1970, pp. 79-89.
4. Fedotov S.A., Farberov A.I. Vulkanizm i vnutrennee stroenie zemly, M.: Nauka, 1966, pp. 43-48.
5. Farberov A.I. Magmaticheskie ochagi vulkanov Vostochnoy Kamchatky po seysmologicheskim dannym (Volcanoes magmatic chambers of Eastern Kamchatka by seismological data), Novosibirsk: Nauka, 1974.
6. Balesta S.T., Gontovaya L.I., Kargopoltsev A.A. i dr. Vulkanologiya i seysmologiya, 1988, No 2, pp. 43-55.
7. Fedotov S.A., Balesta S.T., Droznin V.A., Masurenrov Yu.P., Sugrobov V.M. On a Possibility of Heat Utilization of the Avachinsky volcanic Chamber. Proceedings Second United Nations Symposium on the Development and Use of Geothermal Resources. San Francisco, 1976, U.S. Govt. Print. Office, Washington, pp. 363-369.
8. Fedotov S.A., Balesta S.T., Droznin V.A., Masurenkov Yu.P., Sugrobov V.M. Bulleten vulkanol. stantsiy, 1977, No 53, pp. 27-37.
9. Zubin M.I. Kozirev A.I. Vulkanologiya i seysmologiya, 1989, No 1, pp. 81-94.
10. Moroz Yu. F., Gontovaya L.I. Vulkanologiya i seysmologiya, 2003, No 4, pp. 3-10.
11. Fedotov S.A., Sugrobov V.M., Utkin I.S., Utkina L.I. Vulkanologiya i seysmologiya, 2007, No 1, pp. 32-46. li^re
191
