2.2.5. Прогноз вулканических извержений

К

154

атастрофические извержения вулканов (Везувий, Мон-Пеле, Санторин) сопровождаются большими жертвами среди населения. При извержении вулкана Тамбора в Индонезии в 1815 г. погибло до 90 тысяч человек. Взрыв вулкана Кракатау в 1883 г. стал причиной смерти почти 40 тысяч человек. От палящих туч, образовавшихся при извержении вулкана Ламингтон на Новой Гвинее, погибло около 4 тысяч человек. Можно ли каким-то образом предвидеть начало извержения и заранее эвакуировать людей, проживающих в зоне риска? На этот вопрос в наше время можно ответить утвердительно. Предвестниками извержения являются вулканические землетрясения, которые связаны с пульсацией магмы, продвигающейся вверх по подводящему каналу. Специальные приборы – наклономеры – регистрируют изменение наклона земной поверхности вблизи вулканов. Перед извержением меняются местное магнитное поле и состав вулканических газов, выделяющихся из фумарол. В районах активного вулканизма созданы специальные станции и пункты, в которых ведутся непрерывное наблюдение за спящими вулканами, чтобы вовремя предупредить население об их пробуждении. На Камчатке уже в 1955 г. были предсказаны извержение вулкана Безымянный, в 1964 г. – вулкана Шиве луч, затем – Толбачикских вулканов. Были заранее предсказаны извержения вулканологами в Японии и на Гавайских островах.

Иногда извержения начинаются неожиданно. 20 февраля 1943 г. крестьянин Дионисий Пулидо работал на сво­ем кукурузном поле на окраине деревни в Центральной Мексике (штат Уаррапан). Вдруг на поле образовалась трещина, из которой начал пробиваться дымок. Пулидо стал засыпать ее, но рядом воз­никали новые, более крупные трещины, которые уже нельзя было засыпать. Земля начала дрожать, послышался гул, из трещин вы­рвались мощные столбы дыма, а затем раздались взрывы. Через сутки на месте поля и деревни уже возвышался вулкан в несколько десятков метров высотой, а через некоторое время он достиг уже 300 м.

Также внезапно образовался вулкан на Канарских островах 18 ноября 1909 г., когда фермеру и его сыну пришлось убегать от начавшихся на их поле взрывов, сопровождавшихся выбросами раскаленного вулканического материала. Активная вулканическая деятельность продолжалась 10 дней, потом также внезапно прекратилась.

Большинство опасных вулканов находится под постоянным пристальным наблюдением. На вулканических территориях, как правило, действует целый ряд вулканических станций. Как и для землетрясений, составляются карты вул­канической опасности (риска). Подробная карта такого рода составлена для Камчатки в РФ, для Гавайских островов и района Каскадных гор в США. В нашей стране непосредственное наблюдение за вулканами осуществляется институтом вулканологии Дальневосточного отделения АН РФ.

Для прогноза будущих извержений вулканов использ; ся две группы методов. Первые не требуют сложных приборов и основаны на изучении жизни самого вулкана. Одни вулканы извергаются с определенными интервалами времени, другие свое пробуждение знаменуют звуковыми эффектами.

Д

155

ругую группу составляют методы, требующие сложных статистических вычислений и исследования признаков готовящегося извержения с помощью точных приборов. Вокруг опасных вулканов размещены сейсмические станции, регистрирующие толчки. Когда лава расширяется на глубине, заполняя трещины, это вызывает сотрясение земной поверхности. Землетрясения с очагами под вулканами являются надежным признаком готовящегося извержения.

Широко используется и является наиболее надежным метод прогноза вулканических извержений на основе измерения наклона земной поверхности вблизи вулкана. Изменение наклона поверхности часто показывает, что готовится извержение. По скорости нарастания изменений можно вычислить примерное время извержения вулкана.

Новый метод прогноза вулканических извержений – аэрофотографирование вулканов в инфракрасных лучах – позволяет определить нагревание земной поверхности и подъем горячих расплавов.

Поведение воды в кратере также служит надежным показателем готовящегося извержения. Иногда температура воды повышается до кипения, иногда она перед извержением меняет свой цвет (становится бурой или красноватой). Перед извержением часто изменяется эманация газов. Увеличивается концентрация серосодержащих газов и паров хлористоводородной кислоты, в то время как проценты водяных паров уменьшаются и повышается отношение S/Cl.

Может оправдать себя и метод изучения изменения магнитного поля. На Камчатке в 1966 г. за 12 часов до извержения напряженность магнитного поля ослабевала, а за несколько месяцев до извержения менялась и его ориентация.

С практической точки зрения выделяются краткосрочные, среднесрочные и долгосрочные прогнозы вулканической деятельности.

Эманация – исторически первое название элемента радона. Эманирование – выделение радиоактивных изотопов радона из твердых веществ, содержащих изотопы радия.

К

156

раткосрочный прогноз -наиболее точный для всех вулканов. Вывод о времени предстоящего извержения делают на основе совокупности результатов всех существующих методов.

Физической основой краткосрочного прогноза является постепенное и непрерывное возрастание давления в магматическом очаге и выводном канале вулкана перед извержением. Возрастание давления в выводном канале вызывает напряжения и упругие деформации в окружающих его твердых породах, изменение их физических свойств, что неизбежно отражается в физическом поле в районе вулкана. Установления закономерностей связи изменений физического поля вулкана с его деятельностью и непрерывные наблюдения за этими изменениями и составляют суть краткосрочного прогноза извержений.

К характерным явлениям, предваряющим извержения, относятся: деформации земной поверхности, вулканические землетрясения (рис. 2.4), изменения гравитационного, магнитного и электрического полей в окрестностях вулкана, разогрев вулкана, изменение температуры и химического состава фумарольных газов и вод горячих источников.

Р

157

ис. 2.4. Ежесуточное количество землетрясений N на сейсмостанции «Карымская» в 1994-1998 гг.

Наиболее перспективными считаются методы краткосрочного прогноза, основанные на наблюдениях за вулканическими землетрясениями, деформациями земной поверхности и газогидрохимическими явлениями на вулканах. С 80-х гг. на Камчатке развиваются также аэрофотограмметрические методы прогноза вулканических извержений.

Для прогноза необходим реальный мониторинг сейсмологической ситуации на действующих вулканах. На Камчатке инструментальные сейсмологические наблюдения были начаты вблизи вулкана Ключевский в 1946 г. Система сейсмологических наблюдений постоянно расширялась и совершенствовалась. В 70-е годы была создана сеть радиотелеметрических сейсмических станций на вулканах Авачинской группы, в 80-х годах – в районе Северной группы вулканов, на вулканах Горелом и Карымском. В 90-х годах на Камчатке осуществлялся сейсмический мониторинг наиболее опасных вулканов и проводилась аэрофотограмметрическая съемка всех действующих вулканов.

Долгосрочный прогноз может быть выполнен с достаточной точностью лишь для тех вулканов, в деятельности которых существует определенная периодичность. Для остальных вулканов этот прогноз не является точным, а лишь позволяет установить причинно-следственные связи в тектонической деятельности в каком-либо определенном районе. На основе подобных расчетов можно получить вероятностные характеристики, которые являются важными данными для краткосрочного и среднесрочного прогноза, которых существует определенная периодичность. Для остальных вулканов этот прогноз не является точным, а лишь позволяет установить причинно-следственные связи в тектонической деятельности в каком-либо определенном районе. На основе подобных расчетов можно получить вероятностные характеристики, которые являются важными данными для краткосрочного и среднесрочного прогноза.

И

158

.А. Меняйлов исследовал закономерности в извержениях вулканов в пределах Курило-Камчатского региона за период 1945- 1992 гг. Исходя из установленной периодичности в активности вулканов он сделал вывод, что каждые 10±3 лет можно ожидать увеличения вероятности крупного извержения, а следующий максимум будет в 1994-1995 гг. Прогноз этот в целом оправдался: в 1993 г. начался рост гигантского внутрикратерного купола вулкана Шивелуч, в 1993 и 1994 гг. произошли вершинные извержения вулкана Ключевский, в 1995 г. – извержение вулкана Безымянный. В 1996 г. имела место активизация древней кальдеры Академии Наук после многих тысячелетий покоя, и началось извержение вулкана Карымский, которое продолжается.

В 1991-1997 гг. на Камчатке произошло 10 извержений вулканов, включая сравнительно кратковременные извержения, связанные с ежегодными очередными этапами роста внутрикратерного экструзивного купола вулкана Безымянный. За этот период были успешно спрогнозированы извержения вулкана Шивелуч в 1993-1994 гг. и вулкана Карымский в 1996 г. К сожалению, не было спрогнозировано вершинное базальтовое извержение вулкана Авачинский в 1991 г., ни одного извержения вулкана Безымянный и ни одного вершинного извержения базальтового вулкана Ключевский. В прогнозе извержения вулкана Карымский не предполагалось пробуждение древней кальдеры Академии наук. В прогнозе извержения вулкана Шивелуч, данном 15 апреля 1993 г., не было установлено, что в это время уже происходил очень интенсивный рост его внутрикратерного экструзивного купола, и можно было успешно прогнозировать последовавшие вскоре за этим сильные взрывы на куполе.

С

159

реднесрочный прогноз является достаточно точным для вулканов с определенной периодичностью активности. Для других вулканов он позволяет лишь сделать вывод о том, что в определенном месте готовится извержение. Для прогноза используются методы, основанные на показаниях сейсмографов, установленных вблизи вулкана, приборов, измеряющих изменение наклона земной поверхности, а также на постоянных аэрофотографических наблюдениях.

Стратегия развития прогнозных исследований заключается в следующем. Мониторинг действующих вулканов для прогноза основных взрывных событий остается основной серьезной проблемой вулканологии.

Если вдруг заговорит потухший вулкан, рядом с которым находится город или поселок, последствия могут быть трагичными.

В отношении каждого вулкана, который в историческое время проявил активность, нужно предполагать, что он может извергаться снова. Историческое время не для всех частей Земли одинаковое: для Месопотамии, например, оно не менее 5000 лет, а для Антарктиды – всего несколько десятков лет.

Вулканологи сходятся на том, что если вулкан не извергался 1-2 млн лет, то, вероятнее всего, он извергаться не будет. В этом случае необходимо изучать геологические особенности территории. Нередко случалось, что начинали действовать вулканы, которые считались потухшими. Например, Везувий в 79 г. н. э., Мон-Ламингон в Новой Гвинее в 1951 г., сопка Безымянная на Камчатке в 1955 г.

Необходимо также наблюдать и за якобы потухшими вул­канами и при малейшем подозрении на извержение оповещать об этом население близлежащих районов.

Положительным является то, что на многих вулканах перед извержением наблюдаются значимые изменения в геофизических и геохимических полях, однако при этом отсутствуют уникальные и простые законы прогноза, которые бы были определены из собранных вулканологами данных.

Среди причин слабого понимания физических и химических процессов, приводящих к извержению, называется тот факт, что адекватный мониторинг проводится на очень небольшом числе активных и потенциально активных вулканов мира.

П

160

роблема прогноза извержений еще более трудна для больших кальдерных систем, для которых повторение активности и документация просыпания их в историческое время были редки.

Несмотря на указанные проблемы, в мировой вулканологии произошло значительное продвижение в понимании структуры вулканов и динамики извержения.

Большое внимание привлекли данные сейсмической и геофизической томографии, которая приносит постоянно улучшающиеся изображения скрытых от глаз конфигураций вулканических корней и их магматических резервуаров. Сегодня томографические эксперименты ориентированы на более высокую степень разрешения, чтобы обнаружить детали систем всплывания магмы и не только на небольших глубинах

Исследование сейсмических источников и моделирование построений напряжение-деформация также значительно продвинулись в последние годы вследствие значительного улучшения аппаратуры и теории.

Модели, наиболее часто используемые геофизиками, работающими на вулканах, основаны на достаточно простых допущениях и подходах с использованием классической механики сплошной упругой среды и линейных уравнений состояния.

Эта простая, но здравая методология уже привела к успехам, особенно в сейсмологии для предсказания некоторых аспектов волновых движений. Однако детерминистская теория для прогноза временных и пространственных вариаций предвестниковых сигналов как цель вулканологии пока не достигнута, несмотря на важный вклад теоретических вероятностных методов для точного прогноза. Геофизики и геохимики старались в предыдущие годы улучшить количество параметров и их разрешение в своих методиках мониторинга. Несмотря на улучшение качества сбора данных, эта цель все еще далека от удовлетворительного решения.

Н

161

едавние приложения некоторых концепций разрушения материалов дали дополнительное и более количественное обоснование для прогноза извержений и были успешно применены к некоторым эпизодам, которые имели место на вулканах Килауэа и Редаут. Также некоторые концепции детерминистской теории хаоса были применены в изучении некоторых геофизических предвестников.

Механизм транспортировки магмы и связанное с ним трещинообразование окружающей породы являются медленными процессами, однако, требуют для своего полного понимания набора широкополосных инструментов, способных регистрировать частоты от 0 до нескольких герц. В вулканологии использование таких инструментов все еще ограничено по соображениям стоимости, но их более широкое использование уточнит наше понимание того, как работают вулканы.