Советская вулканология

Советская вулканология

С.И. Набоко, доктор г.-м.н. 

Вулканология в России получила развитие только в годы Советской власти.

Зародыши русской вулканологии можно видеть в описаниях вулканов почти у всех путешественников и исследователей Камчатки, начиная с  С. Крашенинникова (1755 г.), затем А. Эрмана (1836), К. Дитмара (1901) и особенно К.И. Богдановича (1904).

Изучение геологии и вулканов продолжали ученики К.И. Богдановича - С.А. Конради, Е.В. Круг и Н.Г. Келль.

Все работы первого периода до 1931 года имели геологический и геоморфологический характер. 

Второй период вулканологии относится к 1931-1935 годам. Толчком к началу более глубокого изучения вулканов Камчатки явилось извержение вулкана Авача в 1926 г.

В 1929 г. бывшим Геологическим комитетом и Академией наук СССР было решено начать систематическое изучение вулканов Камчатки. Вулкан Авача - один из наиболее активных вулканов Камчатки и в то же время расположен в непосредственной близости от г. Петропавловска, поэтому было решено исследования направить на изучение этого вулкана. Работы проводились экспедицией под руководством А.Н. Заварицкого; в состав экспедиции входил Б.И. Пийп, впоследствии первый директор Института вулканологии СО АН СССР. В XVIII и XIX столетиях отмечено 10-11 извержений Авачи, в ХХ столетии извержения происходили в 1908-1910, 1926-1927, 1937-1938 гг. и в 1945 г. В начале работ в 1931 г. вулкан находился в спокойном состоянии, и группой Заварицкого впервые в нашей стране были изучены вулканические газы и минералы: в них определены соединения хлора, серы, бора, мышьяка и др. металлов. Этим было начато геохимическое направление изучения поствулканических процессов. Тогда же А.Н. Заварицкий обратил внимание на то, что на склонах Авачи не обнаруживается свежих лавовых потоков, которые упоминались в описаниях извержения 1926-1927 гг. Вместо них у подошвы конуса находились скопления шлаков; за лавовые потоки были приняты лавины раскаленных камней, скатывающихся по склону. Это предположение впоследствии подтвердилось для Авачинского вулкана и было установлено, что такой тип извержения характерен для многих вулканов Камчатки и мира.

В эти же годы начато детальное изучение термальных источников Камчатки учеником А.Н. Заварицкого - Б.И. Пийпом.

В 1932 г. участник экспедиции Заварицкого В.С. Кулаков был командирован Ленинградским Горным Институтом на Камчатку для сбора материалов для музея. Это совпало с извержением Ключевской сопки и прорывом на его склонах группы побочных кратеров (Туйла и другие). Более месяца В.С. Кулаков в непосредственной близости наблюдал извержение растущего шлакового конуса и изливающегося потока, сделал ряд ценнейших наблюдений. Это были первые работы советских ученых по динамике вулканов.

Таким образом, в этот период исследований были заложены геологическое, петрохимическое, геохимическое и динамическое направления в советской вулканологии.

Третий этап вулканологических исследований относится к 1935-1946 гг. Он ознаменован созданием на Камчатке Ключевской вулканологической станции Академии наук СССР. Еще в 1929 г. Тихоокеанский комитет АН СССР в связи с извержением Авачинского вулкана признал необходимым организовать стационарные наблюдения над деятельностью наиболее крупного и неизученного вулкана - Ключевской сопки. Станция была построена в поселке Ключи в 1935 г. по инициативе академика Ф.Ю. Левинсона-Лессинга. Ее первым начальником был В.И. Влодавец. С этого момента начато непрерывное изучение вулканов. Ключевская станция является колыбелью вулканологии. Практику вулканологических исследований на ней прошли все советские вуланологи (В.И. Влодавец, Б.И. Пийп, А.А. Меняйлов, В.Ф. Попков, Г.С. Горшков, А.Е. Святловский, Е.К. Мархинин, П.И. Токарев, И.И. Гущенко, А.Н. Сирин, И.Т. Кирсанов, автор этих строк и многие другие).

По материалам исследований, начатых на Ключевской вулканологической станции, созданы монографии и статьи по динамической, геологической, петрологической и геохимической вулканологии, являющиеся основным вкладом в советскую вулканологию. Этот период знаменуется началом изданий Бюллетеней Вулканологической станции.

С созданием в 1946 г. в системе Академии наук СССР Лаборатории вулканологии начинается четвертый период. Первым директором Лаборатории вулканологии АН СССР был академик А.Н. Заварицкий. С этого момента вулканологические исследования расширяются на другие районы Советского Союза - Курильские острова, Кавказ, Закарпатье и приобретают более общее теоретическое значение. К этому году приурочено открытие на Ключевской вулканологической станции сейсмического отдела, и это положило начало геофизическим исследованиям активных вулканов.

В 1946 г. для изучения морфологии Камчатских вулканов впервые использована съемка вулканов Камчатки с самолета. Этот метод впоследствии нашел широкое применение для изучения вулканов и их активности. Результатом первых аэровулканологических исследований явилось издание под редакцией А.Е. Святловского Атласа вулканов СССР. Материалы детальных наземных исследований вулканов были обобщены В.И. Влодавцем, Г.С. Горшковым и Б.И. Пийпом и завершены изданием Каталога вулканов СССР.

К этому же периоду относится начало исследований по практической вулканологии - вулканическому районированию и работы по использованию термальных вод в народном хозяйстве: организуются геотермическая экспедиция (нач. А.Е. Святловский) и геотермическая станция (нач. Б. И. Пийп).

В ряде учреждений создаются вулканологические ячейки для изучения вулканизма по территории Советского Союза: лаборатории вулканологии в Сахалинском комплексном Институте, палеовулканологии в Казахской ССР, в Уральском филиале АН СССР и др.

Большое значение в организации и развитии вулканологических исследований сыграло Первое Всесоюзное вулканологическое совещание, созванное лабораторией вулканологии АН СССР и Геологическим Институтом АН Армянской ССР в 1959 г. с изданием докладов в сборнике “Проблемы вулканологии”.

Углубленной разработке отдельных аспектов вулканологии способствовали ежегодные симпозиумы по гидротермальным процессам в областях активного вулканизма, по петрохимии молодых вулканических образований, по туфолавам и игнимбритам, по металлоносности вулканогенных формаций, по вулкано-плутоническим формациям с изданием специальных сборников.

С этим периодом связано начало международных связей по вулканологии. Советские вулканологи участвуют в работе Международных Ассоциаций, Конгрессах и Симпозиумах, выступая с докладами по достижениям вулканологических исследований и конструктивными предложениями по организации и развитию международной вулканологии.

Пятый период развития вулканологии связан с организацией Института вулканологии СО АН СССР в г. Петропавловске-Камчатском в 1962 г. Направления в вулканологических исследованиях, наметившиеся в предшествующие периоды, получили дальнейшее развитие, при этом значительно расширились геофизические и геотермические исследования. Создаются Лаборатории наземного вулканизма, подводного вулканизма, взаимосвязи глубинного и поверхностного вулканизма, поствулканических процессов, геотермии, сети геофизических стационаров, Авачинская вулканогеофизическая станция, Вулканологический Музей; расширяются работы на Ключевской вулканологической станции. К вулканологическим исследованиям привлекается широкий круг специалистов геологического, геофизического и геохимического профиля. Расширяется издательская деятельность. На Втором Всесоюзном вулканологическом совещании в г. Петропавловске-Камчатском (1964) ученые Советского Союза выразили удовлетворение по поводу создания на Камчатке Института вулканологии СО АН СССР и наметили пути дальнейшего развития советской вулканологии.

К 50-летию Советской власти советская вулканология пришла с большими научными достижениями и завоевала одно из ведущих мест в мировой вулканологии.

В результате сопоставления вулканической деятельности на Земном шаре дан анализ изменения ее во времени. В последнее столетие произошло 1044 извержения из 320 вулканов, т.е. в последнее время действовало 54% вулканов мира; большинство извержений имело взрывной характер. Активность вулканов носила пульсационный характер с максимумом в 1951 г. Первое место по числу извержений в предыдущем столетии принадлежало Этне (Сицилия), а в ХХ веке - Карымскому вулкану на Камчатке (В.И. Влодавец). Подсчитано общее количество извергаемого вулканами мира материала - 3-5 миллиардов тонн в год (Н.М. Страхов, Е.К. Мархинин). Показано огромное значение вулканизма в образовании осадков (Г.С. Дзоценидзе).

Многолетними работами на Камчатке и Курильских островах открыто и частично изучено несколько сот вулканов, из них действующих - 67. Только в Срединном Камчатском хребте по последним данным Н.В. Огородова и Н.Н. Кожемяки имеется 115 потухших вулканов полигенного типа, в основном, существенно лавовых (щитообразных) и 800 моногенных вулканических образований (шлаковые конусы и купола).

В пределах Камчатско-Курильской дуги в последнее столетие изучены все известные в вулканологии типы извержений за исключением ярко выраженного гавайского.8 

Произведен ряд количественных оценок извержений. Наибольший геологический эффект дало извержение вулкана Безымянного. За 1955-1963 гг. объем вулканических продуктов извержения Безымянного достиг 3 кубических километров. Суммарный объем легкорастворимых веществ и пирокластики, по данным И.И. Товаровой, составлял 20 млн. тонн. Энергия воздушной волны взрыва 30 марта 1956 г. определена в 1021-1022 эрг. На основании изучения извержений типа направленных взрывов разработана их классификация (Г.С. Горшков, Г.Е. Богоявленская). По энергии и количеству извергнутого материала с извержением Безымянного сопоставимо извержение Шивелуча 12 ноября 1964 года. Выражалось оно в грандиозном взрыве с энергией воздушной волны, по данным записей барографов, в 2х1022 эрг, кинетическая энергия взрыва - в п х 1022 эрг. В результате взрыва были уничтожены ряд куполов и образован большой взрывной кратер и пирокластический покров площадью в 70 км2 при длине до 16 км; объем выброшенной пирокластики приближался к 0, 8 км3. Площадь покрытия пеплом оценивается в 150000 км2, а общее количество выпавшего пепла в 1 млрд. тонн. Количество извергнутого 12 ноября пеплово-пемзового материала равнялось 2, 6 млрд. тонн или 1, 3 км3 (Б.И. Пийп, Е.К. Мархинин).

На основании изучения многочисленных извержений Ключевского вулкана через вершинный и побочные кратеры определены закономерности формирования лавовых потоков, шлаковых конусов, определены температуры базальта (1125о), вязкость, скорость движения, условия кристаллизации лавы, условия формирования пирокластики, механизм эоловой дифференциации рыхлого вулканического материала, перенос металлов летучими и в пленках рыхлых частиц эксплозий, рассеяния и концентрации рудных компонентов (В.И. Влодавец, Б.И. Пийп, А.А. Меняйлов, С.И. Набоко, Г.С. Горшков, Е.К. Мархинин, И.Т. Кирсанов и др.).

Извержения Карымского вулкана позволили открыть субаэральный тип подушечных лав и редкий тип жидкостных потоков дацитовой лавы (Б.В. Иванов).

В результате многолетних исследований дана оценка роли пирокластики вулканов в осадконакоплении рыхлых континентальных толщ на примере Камчатско-Курильской дуги. Определено, что, в среднем всего около 7% пирокластики идет на формирование грубообломочных фаций в районе аппаратов вулканов, 43% на рыхлые континентальные отложения и 50% в акватории Охотского моря и Тихого океана (И.И. Гущенко).

В результате многолетних исследований по вулканической геологии разработаны вопросы влияния типов извержений на формирование вулканогенных формаций и фаций, классификация вулканокластических пород. На основании анализа фаций вулканогенных пород разработана методика картирования вулканических областей с реконструкцией вулканических аппаратов, типов вулканов и извержений, разломов, по которым поднималась магма, полей гидротермально измененных пород, что в общем позволяет делать прогнозы месторождений полезных ископаемых (Е.Ф. Малеев).

Произведено около 1000 анализов вулканических газов и выявлены закономерности поведения летучих в зависимости от состава исходной магмы, характера извержения и времени остывания лавового материала (Л.А.Башарина, ее ученики). Разработана методика определения количества газовых компонентов, участвующих в вулканических взрывах (Е.К. Мархинин). На Камчатско-Курильских вулканах изучено более 60 минералов возгонов и по их химизму определены закономерности переноса металлов в газовой фазе (С.И. Набоко). Многочисленными анализами воздуха, атмосферных осадков в окружности активных вулканов показано, что влияние вулканизма на атмосферу узколокальное, кратковременное и периодическое. Состав атмосферных осадков и воздуха зонален и его нельзя рассматривать для всей территории Камчатки путем интерполяции данных, полученных для отдельных районов (Л.А.Башарина).

Изучение современных гидротермальных растворов проходило в направлении разработки их генетической классификации и гидрохимии (В.В. Иванов и др.), динамики и генезиса (В.В. Аверьев и др.), химической дифференциации (К.П. Флоренский и др.), роли их в гидротермальном изменении пород и минералообразовании (С.И. Набоко, Л.М. Лебедев, Г.А. Карпов и др.), геологических позиций гидротермального процесса (В.И. Белоусов и др.), энергетического эффекта гидротермальных систем и, наконец, практической геотермии.

На основании изучения конкретных месторождений термальных вод Паужетки, Больших Банных, Паратунских, Долины Гейзеров, Семячикских, Узонских на Камчатке определены температуры в недрах гидротермальных систем, превышающих 200о на глубинах первого километра, тепловая мощность в пределах 100 тысяч ккал/сек, плотность тепловых потоков, превышающая в сотни раз показатель для Земли и продолжительность гидротермальных систем в среднем 10000 лет.

На основании изучения гидротермальных систем и проявлений вулканизма В.В. Аверьевым выдвинуто представление, что кислый вулканизм и гидротермальная деятельность являются следствием особой формы вулканизма. Они имеют глубокие корни и агентом такого типа вулканизма является не силикатный расплав-магма, а водный флюид. Внедрение флюида в верхние горизонты земной коры приводит к возникновению очагов расплава и порождает термальную деятельность.

Определены физико-химические параметры конкретных минералообразующих растворов и минералов, в интервале глубин до километра, температур 100-200о и среды от ультракислой до щелочной, экспериментальные параметры контролируют таковые, полученные при изучении естественных минеральных ассоциаций и газово-жидких включений ископаемых минералов (С.И. Набоко, Г.А. Карпов).

Последний период знаменуется расширением геофизических исследований. По сейсмическим данным получены основные критерии глубинного строения и глубинных процессов в области Камчатско-Курильской вулканической дуги. Мощность земной коры под Южными и Средними Курильскими островами колеблется от 15 до 20 км, температура на этих глубинах не превышает 300о и переплавление погруженной коры, по представлениям С.А. Федотова, невозможно. Мощность земной коры под Камчаткой равна 25-30 км. В нижних слоях утолщенных участков земной коры температура приближается к 500о и возможно переплавление коры.

Под Авачинской группой вулканов на Камчатке в нижних слоях коры обнаружена зона с повышенным поглощением поперечных волн. Предполагается, что под Авачинской группой вулканов от кровли магмообразующего слоя с глубины 80-90 км поднимается вертикально вверх зона, обогащенная магматическим веществом. Поперечник этой зоны 25 км. Гигантского жидкого очага магмы на глубинах 20-80 км под вулканами Авачинской группы не обнаруживается (С.А. Федотов, А.И. Фарберов).

При применении различных геофизических методов к изучению глубинного строения Авачинского вулкана (гравиметрическая, аэромагнитная съемка и др.) устанавливается, что Авачинская группа вулканов контролируется глубинным разломом С-З направления и располагается в вулкано-тектонической депрессии. Под Авачинским вулканом намечается малый периферический очаг, кровля которого залегает на глубине до 2 км ниже уровня моря. По данным точных повторных нивелировок для участка над очагом определяются наиболее интенсивные вертикальные колебания. Отсутствие локальных положительных аномалий силы тяжести под вулканами Корякский, Арик и другими указывает на отсутствие под ними близповерхностных магматических очагов (Г.С. Штейнберг, М.И. Зубин, А.А. Таракановский).

Очаги питания вулканов, в основном, лежат за пределами земной коры - в области верхней мантии. Состав мантии под океанами и под континентами несколько различен и это отражается на составе лав вулканов. В глубинах Земли под островными дугами и под океаническими хребтами идут в какой-то мере сходные процессы, но имеющие различные масштабы. Доказывается, что петрохимия вулканических пород отображает процессы, идущие в верхней мантии, и вулканизм рассматривается как индикатор этих процессов, а также как индикатор состава верхней мантии (Г.С. Горшков, 1964).

В результате изучения связи вулканизма с землетрясениями Камчатско-Курильской зоны установлено, что между деятельностью вулканов и землетрясениями, очаги которых лежат под цепью вулканов на глубинах 70-200 км, имеется корреляция во времени.

При гигантском извержении вулкана Шивелуч в 1964 г. также отмечено усиление сейсмической активности в верхней мантии в районе вулкана. Все это подтверждает связь вулканической активности с процессами, происходящими в верхней мантии (П.И. Токарев).

Роль вулканов в выносе вещества из мантии и формировании земной коры детально рассмотрена на примере Курильской островной дуги. Сделаны оценки вероятных масс вулканических продуктов - твердых, жидких и газообразных, извергнутых вулканами в течение 83 миллионов лет прослеживаемой геологической истории островов. С верхнего мела и до настоящего времени объем выброшенных вулканами силикатных продуктов составил несколько миллионов кубических километров (наиболее вероятная цифра 6, 5х106 км3). За это время благодаря накоплению вулканогенного материала кора океанического типа в пределах Курильской островной дуги была преобразована в кору субокеанического, субконтинентального и континентального типов. Средний состав изверженного материала соответствует андезиту и близок к среднему составу континентальной земной коры (Е.К. Мархинин).

Рассматривая Курильскую островную дугу, как аналог древних геосинклинальных структур и проанализировав мировые литературные данные, Е.К. Мархинин сформулировал гипотезу формирования литосферы, гидросферы и атмосферы Земли из продуктов вулканической деятельности.

Таким образом, значение науки вулканологии определяется тем, что вулканизм является показателем процессов, происходящих в глубинах Земли и показателем вещества глубин нашей планеты, тем, что вулканизм определяет состав земной коры, атмосферы и гидросферы. Достижения в области изучения вулканических процессов и их геологических результатов служат основой познания генезиса вулканических формаций и фаций и, связанных с ними, полезных ископаемых во все геологические эпохи Земли. Наконец, изучение земного вулканизма проливает свет на космический вулканизм и, в частности, вулканизм Луны.

Практическое значение вулканологии определяется возможностью использования газогидротерм в энергетике, теплофикации, сельском хозяйстве, химической промышленности, а вулканических продуктов - в строительстве и химической промышленности.

Успехи развития советской вулканологии являются достойным вкладом в достижения наук о Земле.