Морфология и генезис озер кальдерных комплексов Головнина и Заварицкого (Курильские острова)

Вестник ДВО РАН. 2010. № 3

УДК 551.21

Д.Н.КОЗЛОВ, Р.В.ЖАРКОВ

Морфология и генезис озер кальдерных комплексов Головнина и Заварицкого

Приводятся результаты батиметрической съемки внутрикальдерных озер Горячее, Кипящее (кальдера Головнина, о-в Кунашир) и Бирюзовое (кальдера Заварицкого, о-в Симушир). Дано краткое описание кальдер, последних этапов их эруптивной деятельности и современного состояния. Предложена методика для преобразования данных эхолотного профилирования в батиметрические схемы.

Ключевые слова: фреатический взрыв, кальдера, озеро, эхолот, батиметрическая схема, газогидротермы.

Morphology and genesis of the lakes of Golovnin and Zavaritsky calderal complexes (Kuril Islands).

D.N.KOZLOV, R.V.ZHARKOV (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

Results of bathymetric survey of Goryashchee and Kipyashchee (Golovnin caldera, Kunashir Is.), Biryuzovoe (Za-varitsky caldera, Simushir Is.) intracalderal lakes are given in the paper. Brief description of the calderas, the latest stages of their eruptive activity and present-day state are provided. A method of transformation of echo profiling data into bathymetrical schemes is proposed.

Key words: phreatic explosion, caldera, lake, sonar, bathymetric scheme, gas-hydrotherms.

Среди многочисленных кальдерных комплексов Курильских островов немало таких, в которых располагаются вулканические озера, называемые кальдерными, точнее внутрикальдерными. Эти озера изменяют гидрологический режим внутрикальдерной территории, аккумулируют и перераспределяют вулканогенный и осадочный материал. Морфология и генезис внутрикальдерных озер, а также современная газогидротермальная активность в их пределах связаны с кальдерообразованием.

С 2005 г. сотрудники лаборатории вулканологии и вулканоопасности ИМГиГ ДВО РАН занимаются исследованием морфогенетических особенностей внутрикальдерных озер Курильских островов. Основной используемый метод - эхолотный промер с синхронной GPS-привязкой эхолотных профилей. По результатам съемки делается картографирование внутрикальдерных озер, строятся батиметрические схемы и модели. В настоящей статье обосновываются происхождение и причины видоизменения озер, приводятся определения эксплозивных форм донного рельефа, а также дислокаций подводных газогидротермальных выходов. Изучение этих вопросов позволит определить вулканоопасность территорий современного активного вулканизма.

В 2005-2006 гг. нами исследовались внутрикальдерные озера Горячее и Кипящее (кальдера Головнина, о-в Кунашир), в 2007 г. - Бирюзовое (кальдера Заварицкого, о-в Си-мушир). Для этих объектов построены детальные батиметрические схемы.

КОЗЛОВ Дмитрий Николаевич - младший научный сотрудник, ЖАРКОВ Рафаэль Владимирович - кандидат географических наук, старший научный сотрудник (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск). E-mail: kozlov@imgg.ru

Работа выполнена при поддержке гранта № ARC-0508109 Национального научного фонда США, гранта РФФИ № 07-05-10070К, грантов ДВО РАН № 06-11-СО-08-031, 06-111-В-08-371 и 07-111-Д-08-097.

Для батиметрической съемки на озерах Горячее, Кипящее и Бирюзовое использовалась надувная резиновая лодка «Язь 12-М» на 2 чел. На лодке были поочередно смонтированы эхолоты фирмы Lowrance «Eagle SeaCharter 320 DX» и «LMS-527cDF iGPS». Обе модели оснащены 12-канальным GPS-приемником, по эксплуатационным и техническим характеристикам они идентичны. Питание эхолота - от компактных 12-вольтовых аккумуляторных батарей. Рабочая частота излучателя звуковых волн - 200 кГц. Частота обновления сигнала GPS-приемника 10 Гц. В большинстве случаев эхолотный профиль составляют 5-30 тыс. измеряемых значений в зависимости от частоты и времени записи в один файл. Фиксировались координаты точки съемки, глубина, дата и время промера, температура поверхности воды, смещение относительно предыдущей точки промера и другая вспомогательная информация. При обработке использовались только значения координат и глубин. Система профилей выбиралась таким образом, чтобы плотность покрытия ими озер была максимально равномерной. После обработки всех данных в программе Surfer получается кондиционная батиметрическая схема.

Кальдера Головнина

Кальдера Головнина (абс. отметка 547 м) находится на юге о-ва Кунашир, ее диаметр в основании более 10 км, по гребню 4,5 км. Дно кальдеры в основном ровное с небольшим уклоном на северо-восток. В центре кальдеры находятся два экструзивных купола андезитодацитового состава: Центральный Восточный и Центральный Западный. Похожие купола имеются в северо-западной части кальдеры (купол Подушечный) и в юго-восточной (Крутой) [9, 13].

В кальдере располагаются озера Горячее и Кипящее. Ранее рельеф их доньев изучался при помощи лота: на оз. Горячее - С.М.Фазлуллиным и В.В.Батояном [12], на оз. Кипящее - А.В.Зотовым, В.И.Сорокиным и И.Б.Никитиной [5]. Эти исследования дали лишь примерное представление о строении озер. В настоящее время на отдельных участках дна кальдеры проявляется постоянная сольфатарная деятельность с температурой сольфатар не более 101°С [3].

Последнее проявление эруптивной деятельности в кальдере связано с фреатическим взрывом, в результате которого образовался кратер диаметром около 350 м, заполненный сейчас термальными водами оз. Кипящее. По разным оценкам, образование этой воронки произошло от 640-680 [12] до 1000 л.н. [11]. В 2005-2006 гг. нами детально изучены продукты фреатического извержения, образовавшего воронку взрыва - оз. Кипящее. На основании площадного картирования вычислен объем выброшенного материала - 0,00241 км3, что почти совпало с объемом воронки озера - 0,00245 км3. Эти данные еще раз доказывают, что воронка озера была образована фреатическим извержением [7, 14]. Воронка, заполненная водами оз. Кипящее, врезана в южную часть экструзивного купола Центральный Восточный. Средняя глубина кратера 30 м. По нашим данным, глубина озера 16 м, площадь зеркала 66 000 м2. Температура в районе выходов термальных вод в прибрежной части озера 95°С, водной поверхности в других частях - 30-60°С.

Северную часть кальдеры занимает оз. Горячее. Его максимальная глубина 62,3 м. Площадь зеркала 3,1 км2, что составляет около 1/3 всей площади дна кальдеры. Озеро сообщается с Охотским морем ручьем Озерный.

При батиметрической съемке отработано 7 профилей общей протяженностью около 1,5 км на оз. Кипящее (рис. 1, см. вклейку к с. 168) и 30 профилей (около 20 км) на оз. Горячее (рис. 2, см. вклейку) [7, 14].

В западной и восточной частях внутрикальдерного оз. Горячее обнаружены две воронки: западная (около 250 х 200 м, глубина 62 м) и восточная (200 х 150 м, глубина 60 м). Обе имеют обширные газогидротермальные выходы, которые хорошо видны на эхолот-ных профилях. Наличие выходов подтверждено подводной видеосъемкой. Такие же выходы располагаются по всему дну оз. Кипящее.

Кальдерный комплекс Заварицкого

Оз. Бирюзовое расположено в кальдере Заварицкого (высота 624 м) в центральной части о-ва Симушир. Кальдерный комплекс представляет собой 3 вложенные друг в друга кальдеры, размер самой молодой около 2,5 км в диаметре, она заполнена водами оз. Бирюзовое.

Внутренние стенки молодой кальдеры, местами почти отвесные, имеют высоту 300-350 м над уровнем озера, только с южной стороны можно спуститься без специального снаряжения. В некоторых местах мощные слои отложений грубообломочного материала кальдерообразующих извержений и лавовых потоков прорезаны ручьями.

Размер озера около 1,5 х 2 км, площадь примерно 3 км2, уровень озера выше уровня океана на 50 м. В северной части кальдеры располагаются Восточный эффузивный и Северный экструзивный купола. Последний образовался в результате сильного извержения 12 ноября 1957 г. [2, 10]. После него в районе купола длительное время проявлялась фума-рольная активность. В юго-западной части кальдеры на берегу озера находились термальные источники с температурой 90-100°С [4].

В 2007 г. нами проведена батиметрическая съемка внутрикальдерного оз. Бирюзовое [6]. Отработано 30 профилей общей протяженностью 16 км. На основании полученных данных впервые составлена подробная батиметрическая схема, на которой отчетливо видны морфология озера и его структурные элементы (рис. 3). Подтвердилось наличие на дне впадины, простирающейся с юго-запада на северо-восток, которую Г.С.Горшков [1] называл эксплозивным рвом меридионального простирания. На дне озера обнаружены три воронки эксплозивного происхождения. Одна находится в южной части озера (максимальная глубина 87 м), вторая - южнее купола Восточный, в северо-восточной части озера (81 м), третья - в северо-западной части (42 м). По морфологическим характеристикам они схожи с воронками во внутрикальдерных озерах Горячее и Кипящее, однако в воронках оз. Бирюзовое выходов подводных газогидротерм не обнаружено.

Тот факт, что воронки не были засыпаны продуктами извержений и донными осадками, может говорить о том, что они образовались относительно недавно. По сравнению с данными промеров, выполненных К.К.Зеленовым и М.А.Канакиной в 1958 г. [4], за 49 лет глубина озера увеличилась на 12 м. На профилях в юго-западной части озера хорошо виден участок, на котором располагались термальные источники, описанные исследователями в 1940-1950-х годах [4, 8, 10]. Здесь были зафиксированы выходы щелочных (рН 8,4) хлорид-ных натриевых термальных вод с температурой 90-100°С и минерализацией около 4 г/л [4].

Рис. 3. Батиметрическая схема оз. Бирюзовое с эхолотными профилями АБ и ВГ. 1 - Восточный эффузивный купол, 2 - Северный экструзивный купол и лавовый поток, 3 - место выхода со дна газогидротерм

В настоящее время в этом месте вода прогрета до 40°С, средняя температура вод озера около 14°С, на поверхности видны пузырьки газов и парение. По нашим измерениям, произведенным портативным рН-метром HANNA-HÍ9025 и электронным термометром Digitron T200KC, песок на берегу озера в этом районе прогрет до температуры 20-91,2°С, рН воды 7,5. Со времени извержения в 1957 г. уровень оз. Бирюзовое поднялся примерно на 10 м.

Заключение

Опробованная методика изучения донного рельефа внутрикальдерных озер оказалась весьма результативной. Ее применение возможно на любых других гидрологических объектах, особенно труднодоступных и недосягаемых для крупногабаритной техники, судов с тяжелым оборудованием. Можно предположить, что обе воронки на дне оз. Горячее образовались в результате фреатических извержений, подобных тому, которое образовало воронку оз. Кипящее. На эхолотных профилях отчетливо прослеживаются акустические помехи, создаваемые подводными выходами газов, отчетливо видимых и на поверхности. Это свидетельствует о постоянной газогидротермальной активности на дне озер кальдеры Головнина.

Благодаря использованию высокоточного оборудования и достаточно равномерной плотной сетки профилей создана более точная (по сравнению с опубликованной в 1962 г. [4]) батиметрическая схема оз. Бирюзовое в кальдере влк. Заварицкого. Впервые на дне озера обнаружены 3 воронки, приуроченные к эксплозивному рву, которые, по-видимому, имеют схожий генезис с воронками внутрикальдерных озер Горячее и Кипящее. Однако в отличие от воронок кальдеры Головина в них не было установлено выходов газов и термальных вод. Это может быть связано с тем, что в кальдере влк. Заварицкого в последнее время активность (по сравнению с наблюдениями 1950-1960-х годов) существенно снизилась, а ее видимые проявления сохранились только в юго-западной части кальдеры на месте затопленных термальных источников.

ЛИТЕРАТУРА

1. Горшков Г.С. Вулканизм Курильской островной дуги. М.: Наука, 1967. 182 с.

2. Горшков ГС. Кальдера Заварицкого // Бюл. вулканол. станции. 1967. № 30. С. 31-49.

3. Жарков Р.В. Типы термальных вод Южных Курил и севера Сахалина и их влияние на ландшафты: автореф. дис. ... канд. геогр. наук. Хабаровск, 2008. 26 с.

4. Зеленов К.К., Канакина М.А. Бирюзовое озеро (кальдера Заварицкого) и изменение химизма его вод в результате извержения 1957 г. // Бюл. вулканол. станции. 1962. № 32. С. 33-44.

5. Зотов А.В., Сорокин В.И., Никитина И.Б. Некоторые особенности современной гидротермальной деятельности в кальдере вулкана Головнина (о-в Кунашир) // Современные гидротермы и минералообразование. М.: Наука, 1988. С. 54-68.

6. Козлов Д.Н., Жарков Р.В. Результаты исследования внутрикальдерного озера Бирюзовое на вулкане Заварицкого (о. Симушир, Курильские острова) // Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз: III Сахалинская молодежная науч. шк., Южно-Сахалинск, 3-6 июня 2008 г. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2009. С. 57-62.

7. Козлов Д.Н., Белоусов А.Б. Современные методы исследований внутрикальдерных озер активных вулканов (на примере вулкана Головнина, о. Кунашир, Курильские о-ва) // Материалы XIII науч. совещ. географов Сибири и Дальнего Востока, Иркутск, 2007 г. Т. 1. Иркутск: Изд-во Ин-та географии им. В.Б.Сочавы СО РАН, 2007. С. 142-144.

8. Корсунская ГВ. Вулканы острова Симушир // Бюл. вулканол. станции. 1956. № 24. С. 61-65.

9. Мархинин Е.К. Вулканы острова Кунашир // Тр. лаб. вулканологии. 1959. Вып. 17. С. 43-51.

10. Мархинин Е.К. Извержение вулкана Заварицкого на острове Симушир осенью 1957 г. // Бюл. вулканол. станции. 1960. № 29. С. 7-15.

11. Разжигаева Н.Г, Ганзей Л.А. Обстановки осадконакопления островных территорий в плейстоцен-голоцене. Владивосток: Дальнаука, 2006. 247 с.

12. Фазлуллин С.М., Батоян В.В. Донные осадки кратерного озера вулкана Головнина // Вулканология и сейсмология. 1989. № 2. С. 44-55.

13. Федорченко В.И. Основные этапы послекальдерного периода формирования вулкана Головнина (о. Кунашир) // Тр. СахКНИИ. 1962. Вып. 12. С. 127-141.

14. Kozlov D.N., Belousov A.B. Hydrothermal éruption - the most probable scénario of volcanic disaster in the Golovnina Caldera, Kunashir Island, Southern Kuriles // 5th Biennial workshop on subduction processes emphasizing the Japan-Kuril-Kamchatka-Aleutian Arcs (JKASP-5) and Int. volcanological field school for graduate students. Linkages among tectonics, magma genesis, and eruption in the northern Pacific arc. Hokkaido University International Congress Hall, Sapporo, Hokkaido, Japan, July 9-14, 2006. Sapporo: Hokkaido Univ. Int., 2006. P. 140-141.