Техносферная безопасность / Barinov - Opasniye prirodniye processi 2009

кольцевых структур, совпадающих с ними в пространстве и времени. Эти кольцевые структуры могут объединяться в линейные вулканические пояса северо-восточного направления, которые отчетливо «рассекаются» поперечными к ним шовными зонами, возможно глубинными разломами, се- веро-западного и широтного простирания.

Полученные данные о глубинном строении этих вулканических структур позволили сформулировать фундаментальные представления о вулканическом процессе, о законах расположения первичных и периферических источников магм различного состава. Кроме того, данные маршрутных исследований, анализ геофизических полей, сейсмологических наблюдений, и сейсмические модели глубинного строения вулканических центров Курило-Камчатской островодужной системы дают возможность воссоздать геодинамические процессы на стыке северо-восточной части Азиатского континента и северо-западной плиты Тихого океана. Это может быть проиллюстрировано двумя сейсмическими глубинными разрезами, которые характеризуют строение Ключевской группы Центральной Камчатки и Авачинско-Корякской группы в районе г. ПетропавловскаКамчатского. Сейсмический разрез трассируется через перевал между влк. Плоский Ближний – влк. Ключевская сопка с юго-запада на северо-восток на расстояние до 60 км от р. Студенная (восточнее п. Козыревск).

Строение верхней мантии под вулканами изучается сейсмологическими методами и методами сейсмической трехмерной томографии по данным регистрации землетрясений. Под каждым вулканом на достаточно больших глубинах существуют первичные очаги магматических расплавов, от которых магма затем поднимается вверх по системе «магмоводов», образуя систему уровневых магмоотстойников по мере ее продвижения по вертикали.

Геодинамика включает широкий круг вопросов, связанных как с условиями протекания тектонических процессов, так и с причинами их вызывающими. Геодинамика как дисциплина изучает взаимоотношение сил и напряжений, проявляющееся геологической ситуацией, картируемой на поверхности. Под геодинамикой понимается:

–тектонические процессы, которые определяют местоположение вулканов в поле развитых в Курило-Камчатской островодужной системе полей напряжений;

–выявление временных и пространственных соотношений между сейсмичностью и вулканизмом;

–оценка термодинамических параметров, которые ответственны за явление разрыва (отрыва – detachment) сейсмофокальной зоны и связь этих зон с вулканизмом;

88

–механизмы подъема магмы, которые определяют не столько непосредственное ее движение по зонам проницания в земной коре и верхней мантии от источника до поверхности Земли, сколько оценку термодинамических условий этого движения и причин возникновения расплавов на различных уровнях в земной коре и верхней мантии, а также оценку термодинамических параметров, которые определяют остановку движений расплавов и начало раскристаллизации на определенных «высотных уровнях»;

–оценка термодинамических условий, которые определяют соотношение между вулканизмом и внутрикоровым магматизмом.

Крупные вулканические центры и вулканические группы располагаются в зоне пересечения крупных разнонаправленных тектонических нарушений, а большая часть крупнейших извержений предваряется достаточно сильными землетрясениями. Условия растяжения-раскрытия трещинных магмоводов, вызванные сдвиг-раздвиговыми (рифтогенными) движениями, обеспечивают условия для продвижения расплавов к дневной поверхности: «вулканизм проявляется в условиях растяжения, а не сжатия».

Процессы «переработки» самой верхней оболочки Земли, обусловленные вулканизмом и магматизмом, имеют основополагающее значение на границах разнонаправленных тектонических движений и процессов и определяющее – при поиске тех или иных полезных ископаемых в тех регионах, где эти процессы давно прекратились.

Районирование областей вулканической опасности Курило-Камчатского региона

В 1983 г. по инициативе ЮНЕСКО разработана классификация и согласно ей выделено 89 вулканов с высокой степенью риска. Сложность проблемы вулканической опасности заключается в том, что ни влк. ЕльЧичон (катастрофическое извержение в Мексике в 1982 г.), ни влк. Невадо- дель-Руис (Колумбия), извержение которого унесло свыше 22 тыс. жизней, до своих извержений не считались опасными. В настоящее время не существует единой методики оценки вулканической опасности. Оценка вулканической опасности индивидуальна не только для каждого вулканического района, но и для отдельного вулкана. В зависимости от положения вулканов по отношению к населенным пунктам – расстояния, рельефа местности, а также от наличия на вулканах или рядом с ними ледников, толщины снежного покрова, времени года, когда может произойти извержение, и метеорологических условий каждый из действующих вулканов КурилоКамчатского региона представляет разную степень опасности. Различия в факторах опасности усугубляются индивидуальными особенностями вулканов. Для андезитовых вулканов характерны катастрофические эксплозивные извержения, сопровождаемые образованием мощных эруптивных колонн,

89

формированием раскаленных пирокластических потоков и обломочных лавин и катастрофических эксплозий типа направленных взрывов. Для базальтовых вулканов наряду с эксплозивной деятельностью характерны эффузивные излияния с образованием лавовых потоков как из вершинного кратера вулкана, так и из побочных прорывов, иногда располагающихся на значительном удалении от вершины вулкана и, в то же время, в большей близости от населенных пунктов.

Получение обоснованной картины вулканической опасности включает: оценку масштаба вулканических извержений в доисторическое и историческое время (анализ катастрофических извержений в прошлом); анализ катастрофических извержений аналогичных вулканов в других частях Земли; оценку масштаба современных извержений, их максимальной мощности. Изучив тенденцию в развитии вулкана, можно определить степень его опасности в настоящий период времени. Для прогноза места и времени вулканических извержений необходим мониторинг с применением инструментальных геофизических, геохимических и визуальных методов.

В Курило-Камчатском регионе наиболее опасны вулканы, располагающиеся в непосредственной близости от крупных населенных пунктов: гг. Петропавловска-Камчатского и Елизово (Авачинская группа вулканов); г. Ключи (Ключевская группа вулканов и вулкан Шивелуч); г. СевероКурильск, Северные Курилы – вулкан Эбеко. Остальные действующие вулканы региона также опасны, но из-за низкой плотности населения их извержения могут нанести меньший ущерб. Районирование областей вулканической опасности предполагает выделение районов разной степени опасности от последствий вулканических извержений: вулканических бомб, выпадения тефры, лавовых потоков, пирокластических потоков (палящих туч), обломочных лавин и обрушений склонов вулканов, направленных взрывов, грязевых потоков (лахаров), вулканических землетрясений, вулканических газов, заражения питьевой воды, а также выделение районов, наименее опасных от вулканических извержений. В результате вулканического районирования могут быть построены несколько типов карт опасности:

−карта вулканической опасности, отображающая физические эффекты исторических и доисторических вулканических извержений;

−информационная карта для нужд администрации населенных пунктов;

−информационная карта для населения.

Авачинская группа вулканов. г. Петропавловск-Камчатский находится в 30 км от действующего вулкана Авача, который вместе с потухшим вулканом Козельским образует единый массив. По распространению вулканических продуктов – это андезитобазальтовый вулкан. Анализ динамики эруптивной активности вулкана Авача (1737–1991 гг.), доисторических катастрофических

90

извержений, а также вулканическое районирование позволили оценить вулканическую опасность для г. Петропавловска-Камчатского. После извержения вулкана Авача в 1991 г. активное жерло «запечатано» лавовой пробкой, затрудняющей вынос снизу тепла и вулканических газов. Новое извержение Авачинского вулкана, вероятно, будет эксплозивным фреатомагматическим. При периоде покоя в десятки лет и значительном объеме новой магмы характер извержения станет в основном эксплозивноэффузивным. В обоих случая новое извержение Авачинского вулкана будет сопровождаться выбросом тефры, обвалами и связанными с ними направленными взрывами. Длина лавовых потоков будет небольшая и за пределы молодого конуса они не выйдут, мощность тефры на расстоянии больше 10 км не превысит 1–3 см. Главная опасность будет исходить от горячей ударной волны направленного взрыва, обвально-взрывных отложений и лахаров. Предполагаемая площадь разрушений в секторе направленного взрыва может варьировать от 10 до 50 км2 при его длине 10–15 км. Лавины грубообломочного обвально-взрывного материала, в зависимости от объема, могут перемещаться на расстояние больше 10 км. Лахары, в зависимости от ориентировки взрыва, могу достигать реки Авачи или берега океана в районе Халактырского пляжа. Наибольшую опасность от вулканических извержений представляют юго-западный и южный сектора подножия вулкана Авачинский в радиусе 12–15 км от его активного кратера, поэтому хозяйственная деятельность здесь должна быть запрещена. Долины всех «сухих» рек, начинающихся на склонах Авачинского и Козельского вулканов, на всем своем протяжении являются потенциально лахароопасными, любая хозяйственная деятельность здесь также должна быть запрещена.

Ключевская группа вулканов и вулкан Шивелуч. г. Ключи находится в окружении наиболее крупных в Евразии действующих вулканов: Ключевского, Ушковского, Шивелуча, Безымянного и Плоского Толбачика. Реальную опасность для г. Ключи представляют вулканы Ключевской и Ушковский, на склонах которых он находится. Вулканы Безымянный, Шивелуч и Плоский Толбачик из-за большой удаленности могут быть опасны для г. Ключи своими пеплопадами в случае катастрофических извержений и неблагоприятных метеорологических условий. В большей степени эти вулканы опасны для авиации, так как пеплы извержений способны достигать высоких слоев атмосферы и переносятся на тысячи километров. При катастрофических извержениях Ключевского вулкана наибольшую опасность для г. Ключи могут представлять лахары, если большое количество раскаленной пирокластики будет вынесено на ледник Эрмана. При формировании лахара в районе ледника Эрмана или ледника Среднего грязевый поток по р. Сухой может попасть в русло ручья Столбового, в паводки протекающего в непосредственной близости от г. Ключи. Опасными являются

91

участки ручья, располагающиеся в районе строения Турбаза, непосредственно между побочными конусами влк. Ушковского: Ближним и Домашним. В этих местах ручей Столбовой поворачивает под углом 80–90 с северо-запада на восток и на двухкилометровом участке относительная высота русла ручья понижается на 250 м. Таким образом, скорость воды в ручье резко возрастает и может приобретать силу водопада. Кроме того, русло ручья Столбовой на этом участке имеет каньонообразную форму, а высота бортов относительно небольшая – 10–15 м.

Опасность для г. Ключи и, в еще большей степени, для п. Козыревск представляет вершинное извержение влк. Ушковского, который с 1980 г. считается действующим. В кальдере (крупные округлые впадины, образующиеся в результате взрыва или провала вулканического конуса в пустоту, ранее заполненную магмой) влк. Ушковского находится ледник с объемом льда 5 км3. В то же время в кальдере обнаружены термальные площадки с сольфатарами. Максимальная температура на выходах сольфатар 86 °С. На этой высоте (3900 м) эта температура соответствует температуре кипения воды. Извержение будет носить, вероятнее всего, эффузивноэксплозивный характер, как и прошлые извержения. Поскольку извержение будет происходить в кальдерном леднике, оно может носить катастрофический характер.

Побочное извержение Ушковского вулкана наиболее вероятно в севе- ро-восточной линейной зоне шлаковых конусов. Побочные извержения вблизи г. Ключи опасны лавовыми потоками и вулканическими землетрясениями. В результате этих извержений могут образоваться паводки на р. Сухой и грязевые потоки. Наиболее опасна восточная часть г. Ключи, которая постоянно заливается паводковыми водами, а также и лахарами, вызванными извержениями Ключевского вулкана 1993 г. и 1994 г. Единственный район, безопасный для эвакуации населения г. Ключи в случае угрозы катастрофического лахара, находится между ручьями Шумным и Малым Приозерным – «Орлово поле» на западной окраине города. Ручьи не имеют непосредственной связи с «сухими» речками, питающимися от ледников. Со стороны вулканов район безопасного размещения населения защищен возвышенностью с абсолютной высотой 553 м, а еще выше г. Караульной (высота 1004 м).

Вулкан Эбеко (Северные Курильские острова). г. Северо-Курильск расположен на склоне вулкана Эбеко в 10 км к востоку от его вершины на берегу р. Кузьминки на о. Парамушир. Влк. Эбеко представляет собой типичный пример андезитовых вулканов, характеризующихся фреатическими и фреато-магматическими извержениями, постоянной деятельностью фумарол, горячих источников и кратерных озер. Город Северо-Курильск находится в зоне влияния продуктов влк. Эбеко.

92

Проведенная реконструкция истории эруптивной активности вулканов группы Эбеко (Неожиданный, Незаметный и Эбеко) с момента их возникновения показала, что за последние 2,5 тыс. лет для района расположения г. Северо-Курильска и его окрестностей были характерны следующие виды вулканической опасности: от лавовых потоков, от выпадающей тефры, от возникающих в ходе извержения лахаров.

Наибольшая опасность г. Северо-Курильску грозит от лахаров, вызванных извержениями влк. Эбеко. Эти лахары образовались как в результате извержений влк. Эбеко, так и в результате крупных обвалов в бассейнах рек: наиболее опасным является участок слияния рек Матросской и Кузьминки, где сейчас и располагается значительная часть г. СевероКурильска. Менее опасна от лахаров территория старого города, уничтоженного цунами в 1952 г., возвышенности, поднимающиеся над поверхностью конусов выноса в самом городе, и слабо наклоненные площадки аб- разивно-аккумулятивных морских террас с относительной высотой над руслами водотоков 10–15 м.

Прогноз вулканических извержений

Катастрофические извержения вулканов сопровождаются большими жертвами среди населения. При извержении влк. Тамбора в Индонезии в 1815 г. погибло от 60 тыс. до 90 тыс. человек. Взрыв влк. Кракатау в 1883 г. стал причиной смерти 40 тыс. человек. От палящих туч, образовавшихся при извержении влк. Ламингтон на Новой Гвинее, погибло около 4 тыс. человек. Предвестником 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. На Камчатке уже в 1955 г. было предсказано извержение влк. Безымянный, в 1964 г. – влк. Шивелуч, затем – Толбачикских вулканов.

На вулканических территориях действует 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 Российской Федерации непосредственное наблюдение за вулканами осуществляется институтом вулканологии Дальневосточного отделения АН РФ.

Прогноз извержений основан на двух группах методов. Первые основаны на изучении жизни самого вулкана: отдельные вулканы извергаются с определенными интервалами времени, другие свое пробуждение знаменуют звуковыми эффектами; знание вулканов может помочь в предупреждении

93

извержений. Другую группу методов составляют сложные статистические вычисления и исследования признаков готовящегося извержения с помощью точных приборов. Вокруг опасных вулканов размещают, как правило, сейсмические станции, регистрирующие толчки. Когда лава расширяется на глубине, заполняя трещины, это вызывает сотрясение земной поверхности. Землетрясения с очагами под вулканами являются, таким образом, надежным признаком готовящегося извержения.

Надежным является метод прогноза вулканических извержений на основе измерения изменений наклонов земной поверхности вблизи вулкана. Изменение наклона показывает, что готовится извержение. По скорости нарастания изменений можно вычислить примерное время извержения.

Новый метод прогноза извержений представляет собой аэрофотографирование вулканов в инфракрасных лучах, и позволяет определить нагревание земной поверхности и подъем горячих расплавов.

Поведение воды в кратере также может служить надежным показателем готовящегося извержения. Иногда температура воды повышается до кипения, иногда она перед извержением меняет свой цвет (становится бурой или красноватой). Перед извержением часто 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 ч до извержения напряженность магнитного поля ослабевала, а за несколько месяцев до извержения менялась и его ориентация.

Успешный прогноз вулканических извержений может значительно уменьшить вулканический риск для населения гг. ПетропавловскКамчатский, Елизово, Ключи, Северо-Курильск и других населенных пунктов, а также для пассажиров сотен международных авиарейсов, ежедневно совершаемых вдоль восточного побережья Камчатки.

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

Краткосрочный прогноз – наиболее точный. Вывод о времени предстоящего извержения делают на основе совокупности результатов всех методов. Физической основой 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 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

94

гравитационного, магнитного и электрического полей в окрестностях вулкана; разогрев вулкана; изменение температуры и химического состава фумарольных газов и вод горячих источников. Наиболее перспективными считаются методы, основанные на наблюдениях за вулканическими землетрясениями, за деформациями земной поверхности и за газогидрохимическими явлениями на вулканах. Начиная с 1980-х гг., на Камчатке развиваются также аэрофотограмметрические методы прогноза вулканических извержений.

Долгосрочный прогноз может быть выполнен с достаточной точностью лишь для тех вулканов, в деятельности которых существует 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.

Рис. 2.4. Ежесуточное количество землетрясений N на сейсмостанции «Карымская» в 1994–1998 гг.

Среднесрочный 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 прогнозов используются методы, основанные на показаниях сейсмографов, установленных вблизи вулкана, приборов, измеряющих изменение наклона земной поверхности, постоянных аэрофотографических наблюдений.

95