СУБАКВАЛЬНОЕ ИЗВЕРЖЕНИЕ В КАЛЬДЕРЕ АКАДЕМИИ НАУК 02.11.96 г.

Динамика субаквального извержения в кальдере Академии Наук. Разброс дисперсного пирокластического материала.

Мощное субаквальное извержение, последовавшее через несколько часов после начала извержения Карымского вулкана 02.01.1996 г., произошло на дне, с глубины 50 м, Карымского озера в кальдере Академии Наук в 5 км от Карымского вулкана.

Центры этих извержений приурочены к зоне разлома, выделяемой по геологическим, геофизическим и геоморфологическим признакам.
Извержениям предшествовала и сопутствовала весьма интенсивная сейсмичность.

Наиболее сильное землетрясение с магнитудой 6.9, случившееся 01.01.96 г, вызвало многочисленные деформации в виде трещин, провалов, а также снежные лавины в окрестностях кальдеры Академии Наук.

Особенно хорошо эти деформации были выражены в зоне разлома.

Извержение на дне озера наблюдалось на Камчатке впервые. По ряду признаков оно может быть отнесено к суртсейскому типу. Во время извержения парогазовые выбросы поднимались на высоту до 5-8 км над поверхностью сильно парящего озера, а от основания выбросов по радиусам распространялись на расстояние порядка 1 км турбулентные базисные волны.

Извержение в кальдере продолжалось сутки, при этом расход вещества составлял - 103 м3/с. Общее количество изверженного материала оценивается в 4 х 107 м3. В результате извержения у северного берега озера Карымского сформировался кратер Токарева диаметром 600 м. Южный сектор этого кратера находится под водой, а северный образовал полуостров Новогодний протяженностью вдоль берега немного более 1 км.

Изверженный материал исключительно эксплозивный.

Судя по разрезам в провальных воронках, промоинах и обрывах, большая часть изверженного материала имела размерность лапилли, дресвы и песка. Тонкий алевритовый материал, составлявший 30 % всех изверженных вулканитов, был удален. Более крупный материал бомб базальтового, реже среднего и кислого состава, встречался в разрезах прослоями мощностью до 0,5 м как изометричные фрагменты размером до 0,3 м, редко больше, пористые, с поверхностью типа хлебной корки, со следами закалки.

Вблизи центра извержения большая часть изверженного рыхлого материала отложилась порциями с хорошо выраженными границами, подобными застывшим волнам.

В рельефе эти волны образовывали уступы или ступени высотой порядка одного метра, ориентированные концентрически по отношению к центру извержения и сравнительно четко выраженные в радиусе до 500 м от него.

Отдельные базальтовые бомбы 0,3 м обнаружены на расстоянии до 2,5 км к северу от центра извержения. Крупные угловатые обломки размером порядка 1-1,5 м сформировали расплывчатое подобие концентрической зоны в северо-западном, северном, северо-восточном секторах извержения. Наиболее крупный обломок монолитных резургентных пород размером в 4 метра обнаружен на расстоянии 1,4 км к северо–западу от центра извержения.

При падении этот обломок образовал воронку диаметром 8 и глубиной 2,5 м в замерзших породах и поломал кусты ольхового стланика в месте падения.

В результате сейсмической активизации возникли трещины, по которым вода проникла в область периферическго магматического очага. Затем последовал фазовый переход - испарение какого-то объема воды, декомпрессия магматического очага и извержение - несколько десятков следовавших один за другим выбросов сначала резургентного материала, состоящего из вулканогенно-осадочного чехла над очагом, а затем и собственно материала магматического очага в виде пепла, шлака и бомб базальтового состава.

Ксенолиты, преимущественно кислого состава, представленные гранитами, гранодиоритами, обсидианами, пемзами и туфами, составляли порядка 3 % изверженного материала и были вынесены на земную поверхность в твердом, реже пластическом состоянии. Сравнительно редко встречались пемзовые вулканически бомбы размером до 2-х метров, в которых наблюдались включения базальтов в виде неровных изогнутых прослоев и приваренных корок.

Транспортером-носителем твердого (и пластичного) силикатного материала была пульсирующая парогазовая струя. Направление струи было субвертикальным.

Возникает вопрос, каким образом некоторые крупные фрагменты размером до 4 метров улетели от центра извержения почти на 1,5 км, а бомбы среднего размера, порядка 0,2 м, были обнаружены в 2,5 км и даже дальше от центра извержения, если они выбрасывались вертикально вверх на высоту в первые километры? Каков был механизм образования мощной парогазовой струи и разлета изверженного материала?
Механизм выброса эксплозивного материала парогазовой струей описан во время извержения вулкана Пематанг-Бата на Суматре в 1933 г.

Истекающая с большой скоростью (эта скорость может быть и сверхзвуковой, в несколько сотен м/сек) парогазовая струя захватывает твердые фрагменты, разгоняет их во время движения в жерле и выносит на земную поверхность. По расчетам С.А.Федотова, максимальная начальная скорость вулканических бомб при извержении в кальдере Академии Наук могла достигать 120 м/, возникают мощные вихревые потоки, сопровождающие вулканическое извержение и особенно хорошо проявляющиеся при фреатомагматическом извержении, с участием больших масс воды, парогазовой смеси в условиях резких перепадов (градиентов) температуры, давления и скорости вовлеченного в процесс извержения материала.

Физико-механические свойства изверженного 02.01.96 г. из кальдеры Академии Наук материала весьма примечательны. Бомбы базальтового состава весьма пористы, их объемный вес составляет 1,2 г/см3, при удельном весе порядка 2,8 г/см3, свойственном базальтам. В этой связи можно сопоставить визуально и петрохимически близкие к исследуемым фрагменты изверженных пород из маара озера Дальнее (Узон), которые также имеют очень малый обьемный вес (1 г/см3) и плавают некоторое время в воде. Очевидно, подобные физико–механические свойства изверженных пород в зачительной мере были обусловлены субаквальным (суртсейским) типом извержения.
Распределение изверженного материала неравномерно. К западу, северо-западу от центра извержения в кальдере Академии Наук этого материала было немного меньше, чем к северу, северо-востоку. Особенности распространения эксплозивного материала на земной поверхности дают возможность усомниться в чисто струйном механизме выброса пирокластики.

Возможно, в какой-то мере на формирование эксплозивного потока оказывала влияние водная среда, через которую проходил вулканогенный материал.

Прохождение высокотемпературных масс через водную поверхность связано с резким увеличением доли водяных паров в продуктах выброса, что приводит к явлению циклонизации. Однако, учитывая значительно более высокие градиенты температур и локализованные зоны формирования потока при субаквальном извержении, удельная энергия явления (отношение общей энергии явления к площади его формирования) на 2-3 порядка выше, чем при циклонической деятельности. Механизм формирования "вулканогенного циклона" следующий:

парогазовый поток устремляется вверх под действием градиента давления и разности плотностей парогазового потока.

Создается парогазовый столб высотой в несколько километров, по мере движения потока в нижней его части происходит сепарация дисперсной фазы. По периферии потока по всей его высоте происходит конденсация паров из-за охлаждения от взаимодействия с окружающим воздухом. В результате этого, парогазовый столб окружен клубами конденсирующегося пара, температура которого ниже температуры в центре движущегося потока. В результате возникшей разности плотностей между центральной и периферийной частями потока и формируется цилиндрическая клубообразная структура, которая очень хорошо просматривается на фотографиях. Вместе с тем, вертикальный подъем значительных масс парогазового потока создает условия движения окружающих масс воздуха по направлению к самому парогазовому столбу из-за градиента давления, в результате чего формируется закрученный поток воздуха, который вовлекает во вращение исходный поток.

Вихревая структура сохраняется и при отсутствии взрывов, для этого достаточно иметь участок нагретой воды, обеспечивающей необходимый градиент температур.

Формирование вихревого процесса происходит за счет энергии фазового перехода, происходящего при конденсации водяных паров. В результате конденсации происходит резкое уменьшение удельных объемов в области потока, а следовательно рост градиента давления в зоне формирования вихревой структуры. Наличие тангенциальной составляющей вектора скорости вихревого потока обуславливает поле центробежных сил, которые, суммируясь с составляющей струйного движения при эксплозивном выбросе, увеличивают радиальный перенос дисперсного материала на значительные расстояния и оказывают сепарационное действие на фракционирование пирокластического материала.

ЛИТЕРАТУРА
1. Большая советская энциклопедия. 1957. № 46. С.609-612.
2. Байков А.И. Развитие представлений о рудоносности структур (В печати).
3. Кутепов А.М., Латкин А.С., Потапов В.В. Движение и массообмен капли жидкости в закрученном потоке геотермальной среды // Теоретические основы химической технологии. М.: 2000. Т. 34. № 2. С.1-8.
4. Кутепов А.М., Латкин А.С. Вихревые процессы для модификации дисперсных систем. М.: Наука, 1999. 270 с.
5. Латкин А.С. Вихревые процессы для модификации дисперсных сред. Владивосток. Изд-во ДВО РАН. 1998. 190 с.
6. Леонов В.Л. Поверхностные разрывы, связанные с землетрясением и извержениями, произошедшими в Карымском вулканическом центре 1 -2 января 1996 г. // Вулканология и сейсмология. 1997. № 5. С.113–130.
7. Ли Сы Гуан. Вихревые структуры Северо–Западного Китая. М., 1958.
8. Магуськин М.А., Федотов С.А., Левин В.Е., Бахтиаров Б.Ф. Деформации земной поверхности в связи с сейсмической и вулканической активностью в Карымском вулканическом центре в январе 1996 г. // Вулканология и сейсмология.1997. № 5. С.97-113.
9. Мелекесцев И.В. Вулканизм и рельефообразование. М.: Наука, 1980. 210 с.
10. Муравьев Я.Д., Федотов С.А.,Будников В.А., Озеров А.Ю., Магуськин М.А., Двигало В.Н., Андреев В.И.,Иванов В.В., Карташова Л.А., Марков И.А. Вулканическая деятельность в Карымском центре в 1996 г.: верншинное извержение Карымского вулкана и фреатомагматическое извержениев кальдере Академии Наук // Вулканология и сейсмология. 1997. № 5. С 38-71.
11. Ритман А. Вулканы и их деятельность. М.: Мир, 1964. 437 с.
12. Ушаков С.В., Фазлуллин С.М. Морфометрические характеристики Карымского озера в связи с подводным извержением // Вулканология и сейсмология. 1997. № 5. С.130-138.
13. Федотов С.А. Об извержениях в кальдере Академии Наук и Карымского вулкана на Камчатке в 1996 г., их изучении и механизме // Вулканология и сейсмология. 1997. № 5. С.3-38.

source: http://www.kscnet.ru/ivs/publication/whirlwinds/andreev.htm