О природе землетрясений в земной коре под Ключевским вулканом. Согласно классификации, предлагаемой в настоящее время рядом исследователей сейсмических сигналов на вулканах мира [5,30, и др.], большинство землетрясений, регистрируемых под Ключевским вулканом в слоях 1, 2 и 3, по природе их возникновения, относятся к вулкано-тектоническим (ВТ) землетрясениям, которые возникают под действием непрерывно меняющегося поля напряжений, создаваемого вокруг магматических каналов, очагов, систем даек и силлов, внедряющихся в вулканическую постройку и/или в результате перераспределения давления в питающей магматической системе. В слое 1 регистрируются также низкочастотное вулканическое дрожание, взрывные и другие низкочастотные сигналы, связанные с процессами дегазации в магме [5] и представляющие т.н. поверхностную длиннопериодную (ПДП) сейсмичность. 

В слоях 1 - 3 могут происходить низкочастотные вулканические землетрясения, возникающие при образовании трещин, заполняемых продвигающейся магмой, например, в роях, предваряющих побочные прорывы на склонах Ключевского вулкана [10,23], а также т.н. гибридные землетрясения, являющиеся, суперпозицией вулкано-тектонических и низкочастотных землетрясений [6,30]. Вследствие технических трудностей выделение подобных землетрясений по аналоговым записям не производилось. 

Как уже упоминалось, землетрясения на глубинах 20 - 40 км под Ключевским вулканом по целому ряду характеристик отнесены нами к разряду глубоких длиннопериодных (ГДП) землетрясений (подробнее об этом см. статье В.И.Горельчик и А.В.Сторчеуса в настоящем сборнике [13]).. Отдельные ГДП землетрясения регистрируются иногда на глубинах 18 - 20 км и формально попадают в слой 3. Это связано с естественной непрямолинейностью и условностью проведения границ между слоями, а также с ошибками в определении координат очагов. 

ГДП землетрясения под Ключевским вулканом, как отмечалось выше, часто образуют группы и рои, состоящие из событий, однотипных по форме записи, которая в значительной степени отличается от записей землетрясений в вышележащих слоях и от записей обычных тектонических землетрясений, возникающих в нижних горизонтах земной коры за пределами Центральной сейсмоактивной зоны. Для ГДП землетрясений под Ключевским вулканом характерны узкий диапазон энергетических классов, в 1978 - 1996 гг. не превышавших величину 6,5 - 6,7, более длинный видимый период колебаний в S-волнах максимальной амплитуды, аномально высокие значения угла наклона графика повторяемости [12]. Имеются данные томографии об уменьшении скоростей сейсмических волн в слое 4 (устное сообщение профессора Йельского университета США Дж. Лиса, 1998 г). По предварительным оценкам, сделанным А.В. Сторчеусом [31], эффективная вязкость среды в слое 4 на несколько порядков ниже, чем в астеносфере. Все это дает основание предполагать, что среда под Ключевским вулканом в диапазоне глубин ~ 20 - 40 км отличается по физическим свойствам от окружающей среды на более высоких горизонтах земной коры и в самом переходном слое вне Центральной зоны.Происходящие в слое 4 ГДП землетрясения имеют иную генетическую природу, чем обычные ВТ землетрясения, вызываемые реализацией напряжений в твердой среде. Это предположение подтверждается также отмеченным выше различием тенденций в поведении сейсмической активности на глубинах 5 - 20 км и 20 - 40 км под Ключевским вулканом во времени (см. рис.5) в связи с его деятельностью в течение цикла 1977 - 2000 гг. (за начало цикла мы условно приняли время после Большого трещинного Толбачинского извержения 1975 - 1976 гг., когда вследствие появления новых пунктов наблюдения увеличилось количество обрабатываемых землетрясений). Землетрясения в слоях 2 и 3, как уже упоминалось выше, отражают перераспределение напряжений в районе вулкана, которые возникают в связи с движением магмы в магматической системе и изменением давления в последней. На более ранних стадиях вулканического цикла (в нашем случае в 1977 - 1987 гг.), когда пути движения магмы и флюидов были менее "проработаны", в средних горизонтах земной коры под Ключевским вулканом возникали относительно более сильные землетрясения. В дальнейшем, по мере накопления магмы в питающей системе вулкана, и, как следствие, усиления эруптивной деятельности, "проницаемость" магматического канала увеличивается, землетрясений в интервале глубин 5 - 20 км становится меньше и их энергия снижается, что и наблюдалось в 1990 --1994 гг.. Сейсмическая активность на глубинах 20 - 40 км достигала наивысшего уровня на наиболее активной стадии эруптивного цикла, в период самых сильных извержений вулкана (1990, 1993, 1994 гг.) и наступившего затем процесса проседания магматической колонны и формирования провала в вершинном кратере. 

Таким образом, землетрясения в слое 4, по нашему предположению, являются отражением процессов, управляющих состоянием вулкана. На основании данных, имеющихся в литературе [5,30] и полученных нами при исследовании сейсмичности Ключевского вулкана, представляется, что в генерации ГДП землетрясений важная роль должна принадлежать флюидам. Длительно действующий источник генерации ГДП землетрясений фиксирует положение питающей магматической системы в нижних горизонтах земной коры и переходном от коры к мантии слое. Более подробно вопросы, касающиеся свойств и природы ГДП землетрясений под Ключевским вулканом, обсуждаются в работе [13]. 

Усиление сейсмической активности в нижних горизонтах коры и переходном от коры к мантии слое, как правило, на несколько недель или месяцев опережает возникновение краткосрочных предвестников эруптивных событий - роев неглубоких ВТ землетрясений, что делает целесообразным включение слежения за поведением ГДП землетрясений в методику комплексного прогноза извержений Ключевского вулкана [28]. В качестве ближайших задач предстоит выработать количественные критерии выделения аномалий ГДП сейсмичности и исследовать связь ГДП землетрясений с геодинамической обстановкой в Курило-Камчатском регионе. Необходимым, на наш взгляд, является исследование скорости возникновения ГДП землетрясений и более детальное изучение пространственного распределения землетрясений в средних горизонтах земной коры как индикаторов изменения и перераспределения напряжений в питающей магматической системе. 

Замечание. После пароксизмального извержения 1994 г. до настоящего времени (февраль - март 2001 г.) Ключевской вулкан не проявляет заметной активности. Провал, образовавшийся в вершинном кратере, имеет глубину ~ 800 м. По данным ОМСП, сейсмичность на глубинах 20 - 40 км стала резко уменьшаться во второй половине 1998 г., с конца марта 1999 г. ГДП землетрясения с Ks > 3,5 в слое 4 не регистрируются. В 2000 г. на уровне Ks > 5,5 отсутствуют землетрясения в средних горизонтах земной коры и существенно снизилась поверхностная сейсмичность. Все это, по-видимому, свидетельствует о замедлении или прекращении процессов проседания магматической колонны и формирования провала. По мнению В.Н. Двигало [17], прекращение процесса просадок может быть сигналом к возможной новой активизации вулкана. Разделяя такую точку зрения и учитывая масштабы опустошения магматического канала [18], мы высказываем предположение, что следующий цикл активности Ключевского вулкана с большой степенью вероятности может начаться с побочного извержения. В настоящее время важно получение данных аэронаблюдений о состоянии вершинного кратера.

Выводы

1. На основе анализа данных длинного ряда (1978 - 1996 гг.) детальных сейсмологических наблюдений, охватывающих период разнообразной активности Ключевского вулкана от умеренного эффузивно-эксплозивного (1978 г.) до субплинианского (1994 г.) вершинного извержения, последующего периода покоя и образования огромного провала в вершинном кратере, уточнены и дополнены сведения о сейсмичности питающей магматической системы вулкана, расположенной в земной коре.

2. В земной коре под Ключевским вулканом выделены четыре слоя, различающихся по уровню сейсмической активности и характеру связи с вулканической деятельностью. 

3. В слоях 1 - 3 вулкано-тектонические землетрясения происходят в упруго-деформированной среде под действием меняющегося поля напряжений, возникающих при перемещениях магмы и газов в питающей магматической системе вулкана. Самый высокий уровень сейсмичности, отмечается на глубинах менее 5 км (слой 1), где происходят многочисленные рои землетрясений, связанные с внедрением даек и силлов в вулканическую постройку. Землетрясения в интервале глубин 5 - 20 км (слои 2 и 3) являются индикаторами подвижек, происходящих на путях миграции магмы и/или флюидов в средних горизонтах земной коры, через которые проходит магмоподводящий канал или система каналов. 

4. В нижних горизонтах земной коры и переходном от коры к мантии слое (интервал глубин 20 - 40 км) под Ключевским вулканом выявлена зона с аномальными физическими свойствами, в которой генерируется множество глубоких длиннопериодных землетрясений. Предполагается, что природа этих землетрясений связана с процессами, происходящими в магме и определяющими состояние вулкана. 

5. Слежение за сейсмической активностью слоя 4 предоставляет дополнительную информацию для оценок состояния Ключевского вулкана. Количественные параметры ГДП сейсмичности, которые предстоит выработать, могут, по нашему мнению, улучшить методику комплексного прогноза извержений вулкана [28].

Авторы благодарят Г.И.Аносова, В.Н.Двигало, Б.В.Иванова, И.В.Мелекесцева, А.В.Сторчеуса, П.П.Фирстова и В.А Широкова за внимание к работе и интересные дискуссии, О.С.Чубарову за полезные замечания, а также М.Я.Малкину, выполнившую большой объем работы по подготовке фактических данных в машиночитаемом виде. 

Список литературы

Аносов Г.И., Балеста С.Т., Иванов Б.В., Утнасин В.К. Основные черты тектонического строения Ключевской группы вулканов в связи с ее глубинным строением // ДАН. 1974. Т. 219. N 5. С. 1192-1195.

Аносов Г.И., Биккенина С.Л., Попов А.А., Сергеев К.Ф., Федорченко В.И., Утнасин В.К.. Глубинное сейсмическое зондирование Камчатки. М.: Наука. 1978. 130 с.

Балеста С.Т., Гонтовая Л.И., Каргапольцев А.А., Пак Г., Пушкарев В.Г., Сенюков С.Л. Результаты сейсмических исследований земной коры в районе Ключевской группы вулканов // Вулканология и сейсмология. 1991. N3. С. 3-18.

Белоусов А.А., Белоусова М.Г., Жданова Е.Ю. Деятельность вулканов Северной группы (Камчатка) в 1990 - 1992 гг. // Вулканология и сейсмология. 1996. N 2. С. 25 -33.

Гордеев Е.И. Природа сейсмических сигналов на активных вулканах: Автореф. дисс. док. физ.-мат. наук. Москва, 1998. 30 с.

Гордеев Е.И., Сенюков С.Л. Сейсмическая активизация Корякского вулкана: гибридные землетрясения и их применение для прогноза вулканической опасности // Вулканология и сейсмология. 1998. N 4 - 5. С. 112 - 126.

Горельчик В.И. Сейсмическая активность Ключевского вулкана в период подготовки и развития прорыва "Предсказанный" в марте-июле 1983 года // Вулканология и сейсмология. 1985. N 1. С. 71 - 87.

Горельчик В. И. Сейсмичность района Ключевской группы вулканов и связь сейсмических и вулканических явлений на Ключевском вулкане, 1971 - 1983 гг. // Сейсмичность и сейсмический прогноз на Дальнем Востоке // Тез. докл. Выездной сессии МСССС и VI научной сессии Дальневосточной секции МСССС. Петропавловск- Камчатский, 1986. С. 25 - 26.

Горельчик В. И. Сейсмичность магматической системы Ключевского вулкана на Камчатке // Тез. Докл. VII Всесоюзного вулканологического совещания "Вулканизм, структуры и рудообразование". Петропавловск-Камчаткий, 1992. С. 48.

Горельчик В.И., Левина В.И. Пространственно-временные и динамические характеристики землетрясений, связанных с извержением Ключевского вулкана в 1974 г. // Вулканология и сейсмология . 1985. N 6. С. 59 - 79.

Горельчик В. И., Степанов В. В. Сейсмичность района Северной группы вулканов Камчатки в 1971-1972 гг. // Глубинное строение, сейсмичность и современная деятельность Ключевской группы вулканов. Владивосток, 1976. С. 198 - 218.

Горельчик В.И., Сторчеус А.В. О длиннопериодных вулканических землетрясениях в нижних горизонтах земной коры и переходном от коры к мантии слое под Ключевским вулканом // Материалы научно-практической конференции "Проблемы сейсмичности Дальнего Востока, новая карта сейсмического районирования ОСР - 97, ее роль и значение для Петропавловска-Камчатского и области. Петропавловск-Камчатский, 6 - 9 апреля 1999. С. 73.

Горельчик В.И., Сторчеус А.В. Глубокие длиннопериодные землетрясения под Ключевским вулканом. Камчатка. наст. сборник.

Горельчик В. И., Чубарова О.С., Гарбузова В.Т. Сейсмичность района Северной группы вулканов // Вулканология и сейсмология. 1988. N 1. С. 90 - 100.

Горельчик В. И., Гарбузова В. Т., Левина В.И., Чубарова О.С. Разработка и опробование системы прогноза вулканических извержений на Камчатке: Отчет о НИР ( заключит. ) // ВНТИЦентр; ГР 81068164; Инв. .N 528. М., 1986, Гл.3. 1. С. 63 - 141.

Двигало В.Н. Кратер и вершинные извержения Ключевского вулкана в 1968 -1988 гг.// Вулканология и сейсмология. 1991. N 5. С. 3 - 18.

Двигало В.Н. Морфологические предвестники (первые признаки) активизации некоторых вулканов Камчатки // Вулканология и сейсмология. 2000. N 4. С. 3 - 16.

Двигало В.Н., Мелекесцев И.В. Крупные современные обвалы на конусе вулкана Ключевской (по результатам ревизии последствий событий 1944 - 1945 и 1984 - 1985 гг. // Вулканология и сейсмология. 2000. N 1. С. 3 - 17.

Жаринов Н.А., Горельчик В.И., Белоусов А.Б. и др. Извержения и сейсмический режим Северной группы вулканов в 1986 -1987 гг. // Вулканология и сейсмология. 1990. N 3. С. 3 - 20.

Жаринов Н.А., Горельчик В.И., Жданова Е.Ю. и др. Извержения Северной группы вулканов в 1988 - 1989гг., сейсмологические и геодезические данные // Вулканология и сейсмология. 1991. N 6. С. 3 - 33.

Озеров А.Ю.,Карпов Г.А., Дрознин В.А., Двигало В.Н., Демянчук Ю.В., Иванов В.В., Белоусов А.Б., Фирстов П.П., Гаврилов В.А., Ящук В.В., Округина А.М. Динамика извержения Ключевского вулкана 7 сентября - 2 октября 1994 г. (Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 1996. N 5. С. 3 - 16.

Сургучев П.И, Горельчик В. И., Левина В. И., Мячкин В. И. Массовое определение гипоцентров землетрясений на ЭВМ в районе Северной группы вулканов Камчатки // Вулканология и сейсмологоия. 1992. N 2. С. 50 - 63.

Токарев П.И. Извержения и сейсмический режим вулканов Ключевской группы. 1966 М. Наука. 118 с.

Токарев П.И. Прогноз побочных извержений вулкана Ключевской // Вулканология и сейсмология. 1988. N 6. С. 47 - 61.

Федотов С. А. Энергетическая классификация курило-камчатских землетрясений и проблема магнитуд. М.: Наука, 1972. 116 с.

Федотов С. А., Жаринов Н. А., Горельчик В. И. Деформации и землетрясения Ключевского вулкана, модель его деятельности // Вулканология и сейсмология. 1988. N 2. С. 3 - 42.

Федотов С.А., Хубуная С.А., Жаринов Н.А. и др. Извержения вулканов Шивелуч и Ключевской в 1993 г. и их влияние на окружающую среду // Геология и геофизика. 1995. Т. 36. N 8. С. 117 - 131.

Широков В.А. Некоторые вопросы методики комплексного прогноза побочных извержений вулкана Ключевской (Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 1985. N 6. С. 48 - 58.

Широков В.А. Геодинамические аспекты взаимосвязи сейсмических и вулканических процессов, прогноз сильных землетрясений и вулканических извержений по сейсмологическим данным // Основные результаты научно-исследовательских работ Института вулканической геологии и геохимии за 1991 - 1996 гг. Петропавловск-Камчатский, 1996. С. 73 - 80.

Chouet B.A.. Long-period volcano seismicity: its source and use in eruption forecasting // Nature. 1996. V. 380. P. 309-316.

Gorelchik V. I. and Storcheus A.V. Deep long-period earthquakes under Klyuchevskoy volcano (Kamchatka) // Geophysical investigation of the active volcanoes: prognosis and mechanism of volcanic eruption. European Seismological Commission International Workshop. Petropavlovsk-Kamchatsky. September, 1998. P. 18 - 19.