Вулканология в СССР

Для наук о Земле изучение вулканов имеет важное значение, так как многие проблемы геологии и вулканологии связаны. На Земле действуют сейчас 578 крупных самостоятельных вулканов и сотни им подчиненных или побочных. Большая часть их расположена в системе так называемого «Тихоокеанского огненного кольца» и преимущественно на суше, меньшая часть — в морях и океанах.

Вулканами интересовались натурфилософы очень давно; под влиянием изучения деятельности вулканов складывались научные направления в науке классической древности.

С конца XVIII в. вулканология начала формироваться как наука главным образом описательная, в XX в. она приобрела современную форму теоретического, обобщающего знания.

Вулканология в первую очередь занимается наблюдением и регистрацией с помощью различных приборов вулканических явлений и изучением закономерностей вулканических процессов, происходящих на поверхности Земли и под ней. Весьма важная теоретическая ее задача — раскрыть вместе с другими отраслями геологии связи вулканизма с различными процессами на Земле и за ее пределами. Практическая ее задача — прогноз извержений и предупреждение о внезапных катастрофах, а также подготовка к использованию тепловой энергии вулканических областей на благо человечества.

Исследования вулканов в России. В нашей стране давно интересовались вулканическими явлениями. В отечественной литературе XVIII, XIX и XX вв. довольно часто встречаются публикации, освещающие вулканические извержения и землетрясения, происходящие в нашей стране и за ее пределами. Первыми исследователями, которые путешествовали по Камчатке в 1737 — 1741 гг., были С. П. Крашенинников и Г. В. Штеллер. В известном труде «Описание земли Камчатки» в 1755 г. С. П. Крашенинников писал «об огнедышащих горах и происходящих от них опасностях». Г. В. Штеллер в 1774 г. в книге, изданной в Германии, привел сведения о вулканах Камчатки. Так впервые русским и иностранным ученым стали известны пять вулканов Камчатки. Упомянутые путешественники примкнули к общепринятому тогда мнению о причинах их извержения — от возгорания горючих веществ.

В 1829 г. вулканы Камчатки во время кругосветного путешествия наблюдал немецкий натуралист А. Эрман. Шесть лет спустя русский исследователь А. Постельс описал 14 действующих вулканов. Служащий в канцелярии камчатского губернатора К. Дитмар в 1852—1855 гг. наблюдал 13 камчатских вулканов. Известный русский геолог К. И. Богданович, проводивший экспедиционные исследования на Камчатке в 1897—1898 гг., уделял много внимания изучению вулканов, и свои представления он сочетал с известной теорией Штюбеля о моногенных (образовавшихся одноактно) вулканах и с идеей об их круговом расположении. Участники экспедиции Русского географического общества в 1908 — 1910 гг.— геолог С. А. Конради, топограф Н. Г. Келль и другие — также описали вулканы Камчатки.

Зарождение вулканологии в СССР. Вулканология в нашей стране начала развиваться с середины 20-х годов. В 1925 г. в Русском географическом обществе был заслушан отчет С. А. Конради о работах упомянутой экспедиции. В те же годы на средства Академии наук Н. Г. Келлем дорабатывалась карта 15 вулканов Камчатки, выставленная в 1926 г. в Токио на III Тихоокеанском конгрессе и опубликованная в 1928 г. В 1927 г. Ф. Ю. Левинсон-Лессинг, после поездки в 1926 г. на Везувий, организовал в Академии наук СССР систематические вулканологические работы на потухшем вулкане Алагез, поручив их своему ученику П. И. Лебедеву, который затем, в 1931 г., опубликовал интересную монографию «Вулкан Алагез и его лавы». С 1929 г. началась активная деятельность Ф. Ю. Левинсона-Лессинга по организации исследований вулканов Камчатки. Она увенчалась успехом в 1934 г., когда была организована Камчатская экспедиция, а в 1935 г. и специальные наблюдения на вулканологической станции, основанной В. И. Влодавцем у подножия вулкана Ключевского. Под общим руководством Ф. Ю. Левинсона-Лессинга группами исследователей, возглавляемыми геологами В. И. Влодавцем (с 1935 г.), А. А. Меняйловым (1936—1938, 1946— 1948 гг.), В. Ф. Попковым (1938—1940 гг.), Б. И. Пийпом (1940— 1945 гг.), Г. С. Горшковым (1948—1951 гг.) и другими, на станции проводились систематические наблюдения за деятельностью вулканов.

С 1931 г. начал вулканологические исследования на вулкане Авача известный петрограф А. Н. Заварицкий. После смерти в 1939 г. Ф. Ю. Левинсона-Лессинга он руководил Камчатской вулканологической станцией, а с 1944 по 1952 г.— созданной им на ее базе лабораторией вулканологии. За истекшие годы советскими учеными изучались проблемы, которые кратко освещены ниже.

Типы и периодичность извержений. В первые годы развития советской вулканологии изучались кратеры наиболее крупных вулканов: Ключевского, Шевелуча, Толбачика, Авача, Коряка и других, накапливались наблюдения за их формой и характером извержений. До создания специальной вулканологической службы на Камчатке было известно только 14 действующих вулканов. Теперь же насчитывают 20 действующих вулканов (и семь сольфатарных) на Камчатке и 32 действующих вулкана (и пять сольфатарных) на Курильских островах, что составляет 77 от всего числа вулканов, известных на земном шаре.

За эти годы на Камчатке и Курильских островах были установлены типы вулканических построек, а также ритмы и периоды извержений: у одних частые, с промежутками от 2 до 5 лет, например у Ключевского вулкана, а у других редкие, с периодом порядка 20 лет, например у Шевелуча; имеются временно потухшие вулканы, такие, как Безымянный, грозно пробудившийся в 1956 г.

Статистическая обработка сейсмограмм и новые методы сейсмических исследований и газового анализа позволяют в настоящее время прогнозировать извержения. Так, гигантское извержение Шевелуча в 1964 г., описанное Б. И. Пийпом и Е. К. Мархиным, было предсказано по рою землетрясений (П. И. Токарев), типу и ранее установленному периоду извержений, присущему этому вулкану.

Современные вулканы Камчатско-Курильской островной дуги относятся к слоистым вулканам (стратовулканам) с извержениями центрального типа. Формы вулканов и типы их извержений взаимно обусловлены; сейчас выяснено, что они сочетаются следующим образом:

1) вулканы Ключевская сопка, Алаид, Пик Прево и другие характеризуются частыми извержениями;

2) плоские вулканы (Плоский Толбачик) отличаются наиболее жидкими лавами;

3) тип вулкана «Сомма Везувий» — Авача, Тятя, Пик Креницына — образован в результате многочисленных извержений с обрушением и образованием кальдерообразной депрессии;

4) кальдеры у Шевелуча и других вулканов являются результатом ряда извержений с последующим обрушением, приуроченным к тектоническим трещинам.

Изучение вулканов Камчатки позволило установить, что извержения за последние 50 лет относятся к следующим мировым типам: «Стромболи» — у Ключевского и Авача (выбросы раскаленного пепла преобладают над излиянием лавы); «Вулкано» — у Карымского и Жупановского (выбросы несветящегося пепла); «Везувия» — у Ключевского (извержения лавы из вершинного и побочных кратеров); «Суфриер» — у Авача и Пика Сарычева (выбросы из кратера лавин раскаленных агломератов); «Пеле и Мерапи» — у Шевелуча (выжимание раскаленных, вязких и твердых лав в виде куполов или обелисков и раскаленных лавин); «Катмаи» — у Безымянного (выжимание куполов лав и образование раскаленных нисходящих туч пепла); «Санторин» — у Матуа и в озерах Пика Креницына (образование подводных куполов).

Геологическое строение и положение вулканов в земной коре. В дореволюционный период К. И. Богдановичем и С. А. Конради была поддержана господствовавшая тогда теория немецкого ученого Штюбеля. Применительно к Камчатке это было представление о групповом расположении ее вулканов, приуроченных к периферическим очагам. Но с появлением карты вулканов Камчатки (Н. П. Келль), нанесенных на точную топографическую основу, А. Н. Заварицкий в 1937 г. на Международном геологическом конгрессе обосновал линейное расположение вулканов, приуроченных к тектоническим трещинам. По существу это согласовалось с закономерностью линейного расположения вулканов, установленного еще в первой половине XIX в. на побережье Южной Америки А. Гумбольдтом, Ч. Лайелем и Ч. Дарвином.

В 1946 г. А. Н. Заварицкий и в 50-х годах А. А. Меняйлов, Г. С. Горшков и другие показали закономерное расположение вулканов Камчатки и Курильских островов в системе островных вулканических дуг — эшелонное расположение и приуроченность наиболее активных вулканов к пересечениям продольных и поперечных разломов и дуг (например, наиболее активный вулкан Шевелуч, расположенный на пересечении Камчатской и Алеутской дуг). В связи с положением вулканов в той или иной части дуги наблюдается изменение состава лав, в общем относящихся к андезитовой формации тихоокеанского типа, богатых известью и глиноземом, с повышенной щелочностью в местах пересечения вулканических дуг.

Изучению крупнейших котловин (до 10 км в диаметре), называемых с прошлого века кальдерами и представляющих важный элемент в строении вулканических сооружений, уделяли большое внимание и в нашей стране. Одни исследователи, как А. Н. Заварицкий и Б. И. Пийп, важное значение придавали в их образовании взрывам (как, например, ранее Зеебах и другие с 60-х годов XIX в.), возникающим после длительных периодов покоя. Другие придают большее значение оседанию (В. И. Влодавец), или обрушению, приуроченным к тектоническим трещинам (например, у Шевелуча — Меняйлов, 1955). В последнем случае считают, что образование кальдеры, приуроченное к заключительной стадии эволюции вулканического очага, сопровождается образованием куполов кислых лав. По представлению В. И. Влодавца, в Семячинском районе Камчатки кальдеры возникли в результате: 1) опускания участка вследствие образовавшегося пустого пространства в вулканическом очаге после обильного излияния лавы или взрывных процессов и выброса из него большой лавовой массы; 2) тектонических причин, так как кальдеры и крупные депрессии расположены в полосе длиной около 120 км, простирающейся в наиболее ярко выраженном северо-восточном тектоническом направлении Камчатки.

В районе вулканов типа Ключевской сопки В. И. Влодавец установил наличие кольцевых разломов и радиальных трещин, с которыми связаны извержения из многочисленных побочных кратеров базальтовых лав. Эту стадию можно считать предшествующей образованию кальдеры.

Очаги вулканов. В ранний период исследований вулканов Камчатки, в конце XIX и начале XX в., К. И. Богданович связывал извержения с гипотетическими периферическими очагами. Позднее расстояние до очага определялось главным образом по выносимым лавами обломкам пород, глубина залегания которых устанавливалась по геологическим наблюдениям: у Везувия — 5 км, Шевелуча — 6—9 км (Меняйлов, 1955), Ключевского — 5 км (Пийп, 1956). Впервые в Советском Союзе глубина очага была установлена по сейсмическим данным. Поперечные колебания, возбуждаемые землетрясениями в Южной Японии, не достигали Камчатской вулканологической станции, а другие станции регистрировали их так же, как и продольные колебания. На основании этого Г. С. Горшков в 1956 г. предположил, что препятствием для поперечных волн являлся жидкий резервуар Ключевского вулкана объемом в 10—20 тыс. км3, с диаметром 25—35 км, находящийся на глубине от 50 до 70 км под поверхностью Земли, на границе коры и мантии. Позднее по геофизическим (гравитационным) исследованиям Г. С. Штейнберг и М. И. Зубин определили, что очаг Авачинского вулкана располагается на глубине 4—6 км. Но этот очаг считается периферическим, связанным, возможно, с верхней мантией, как и очаг под вулканом Безымянным. В последнее время наиболее распространено мнение о связи вулканов непосредственно с очагами в верхней мантии (Г. С. Горшков, С. А. Федотов, Г. С. Штейнберг и др.). Очевидно, необходимы дополнительные наблюдения, подтверждающие только что выдвинутое положение о большой глубине залегания очагов и источников лав.

Мнение о глубинных сейсмических причинах вулканических извержений высказывалось А. Н. Заварицким, а затем С. А. Федотовым, Г. С. Штейнбергом и др. Они считали, что сейсмические явления активизируют вулканическую деятельность. Начиная с 1946 г. в СССР ведутся многочисленные исследования сейсмических явлений в вулканических районах. Они дали возможность П. И. Токареву в 1964 г. выявить их причинную связь и прогнозировать извержения.

Если еще Л. Бух и Ч. Лайель, а позднее Ч. Дарвин указывали на взаимную связь вулканов, тектонических разрывов и складчатых структур, то в настоящее время вносятся коррективы не только в эти классические идеи, но и в сходные представления 30—50-х годов текущего столетия, высказанные А. Н. Заварицким. Новые геофизические исследования на Камчатке, проведенные Г. С. Штейнбергом в 1965—1966 гг. безусловно подтверждают прежнее представление о линейном расположении вулканов. Однако какой-либо связи вулканов со структурно-тектоническими зонами складчатости, в частности со складчатостью третичного времени, не устанавливается. Четвертичный вулканизм Тихоокеанского подвижного пояса в настоящее время считается вызванным явлениями планетарного масштаба. Отдельные группы вулканов находятся в тесной связи с крутопадающими глубинными разломами, приуроченными к зонам перегиба поверхности Мохоровичича и зонам смещения кровли «базальтового» слоя. Положение самих вулканических

аппаратов контролируется неглубокими разломами, пересекающими глубинные разломы. Сейчас предполагают, что периферические неглубокие вулканические очаги или каналы определяют дифференциацию магмы, кальдерообразование и сейсмические колебания, но само магмообразование происходит на больших глубинах, от 20 км (под вулканом Авача) до 80—90 и даже до 150 км.

О месте вулканов и вулканических очагов в земной коре и роли вулканизма в ее эволюции в советское время были высказаны разные точки зрения. На основе идей В. И. Вернадского о радиогенных очагах и О. Ю. Шмидта о «холодном» происхождении Земли А. П. Виноградовым предложена гипотеза о выплавлении магмы из вещества мантии. Огненно-жидкое прошлое Земли, важным доказательством чего считался вулканизм, им отвергается. Вулканическая деятельность оказывается невозможной в системе представлений о формировании оболочек изначально «горячей» Земли. Вулканическая деятельность, по его мнению, является результатом радиального выплавления и служит доказательством до сих пор продолжающегося разогрева, дегазации и выплавления вещества, образующего земную кору, из мантии (Виноградов, 1959).

Гипотеза вулканического происхождения океанической воды высказана была давно и вновь возрождается в связи с теорией дегазации верхней мантии (К. К. Зеленов). А. П. Виноградов, однако, резко возражает против этой гипотезы, указывая, что если бы вода такого происхождения была равна объему всех вулканических пород, то и это была бы какая-то незначительная доля массы вод океана.

Состав лав и других продуктов извержений. В дореволюционный период существовало мнение К. И. Богдановича и его последователей о том, что любому геологическому времени соответствовали извержения лав характерного состава. В плиоцене — гиперстено-авгитовые андезиты, в начале плейстоцена — кислые лавы дацитового и липаритового состава, в постплиоцене — авгитовые андезиты и базальты. Вулканологические исследования в советское время показали, что из одних и тех же вулканов (Шевелуча, Ключевского, Авача, Карымского и др.) извергаются различные лавы в зависимости от дифференциации в очаге или канале и степени эволюции вулкана (В. И. Влодавец, А. Н. Заварицкий, А. А. Меняйлов, С. И. Набоко) и, наоборот, разные вулканы выбрасывают часто одинаковую лаву.

В качестве причин извержения из этих вулканов лав различного состава выдвигались представления о дифференциации магмы в вулканическом очаге (А. Н. Заварицкий, В. И. Влодавец, А. А. Меняйлов) или в вулканическом канале (Б. И. Пийп, Г. С. Горшков), происходящей в результате кристаллизации, гравитации, газового переноса, диффузионно-кристаллизационных сил (В. И. Влодавец) и др. Сопоставляя разные гипотезы, А. Н. Заварицкий предполагал, что существуют очаги с расслоенной магмой — кислой вверху и основной внизу — и очаги, которые после длительных периодов покоя дают со временем все более кислые лавы.

Нужно сказать, что в случае извержений вулканов, для которых характерны длительные периоды покоя, например извержения Шевелуча (1944 и 1964 гг.) и Безымянного (1956 г.), кислые лавы, явившиеся результатом длительной дифференциации, уже не обнаруживают каких-либо колебаний в составе, следовательно, в них уже не происходит дифференциации ни в очаге, ни в канале вулкана.

Изучение вулканических газов и возгонов, проводившееся в 1934—1965 гг. А. Н. Троцким, И. 3. Ивановым, Л. А. Башариной, С. И. Набоко и другими, дало многое для понимания причин разнообразия состава газов, присущих различным лавам и стадиям покоя и извержения. Эти дополнительные наблюдения (например, появление хлора и т. п.) теперь являются вспомогательными для прогноза извержений и понимания их движущей силы и условий подъема лавы и выбросов пеплов. Исследовался также вопрос относительно первичности паров воды в лаве (С. И. Набоко) или вторичного (метеорного) их происхождения (О. Г. Борисов) в различных типах лав и извержений.

К настоящему времени накоплены многочисленные наблюдения о составе продуктов изменения лав под влиянием газов, способствующие пониманию околорудных изменений пород. Наблюдения советских вулканологов над вулканическими возгонами дают основание для представлений о многообразии и миграции элементов, об источниках металлов (из лав и окрестных пород), о различных способах их переноса и т. п. Они имеют важное значение для суждения о составе, физическом состоянии и химических свойствах гидротермальных и рудоносных растворов. Представляют большой интерес исследования о количестве газов, участвующих в вулканических взрывах, количестве извергаемых материалов, проведенные Е. К. Мархининым (1965) и другими сотрудниками Института вулканологии. Накопленные сведения о составе газов и паров при вулканических извержениях послужили А. П. Виноградову основой для вывода о характере дифференциации вещества Земли и формировании оболочек в процессе ее химической эволюции.

Правильная оценка активности вулканов СССР могла быть произведена лишь благодаря исследованиям в советское время. Наиболее активным вулканом в мире раньше считали, да и сейчас считают, Ключевскую сопку, однако это относится к частоте извержений, что же касается их мощности, то наиболее сильные извержения свойственны Шевелучу и Безымянному. Это стало известно только после извержений 1944—1952 гг. и начавшегося в 1964 г. извержения Шевелуча, хорошо исследованного И. И. Гущенко (1965).

Геотермальные зоны и их практическое значение. В 50-х годах в нашей стране были сделаны первые реальные предложения о практическом использовании геотермальной энергии. В 1954 г. была организована Камчатская геотермическая экспедиция Академии наук. Ею была проведена разведка и определена возможность строительства на юге Камчатки опытно-промышленной электростанции на земной тепловой энергии. В результате уже в 1967 г. вступила в строй первая в СССР геотермальная электростанция — Паужетская, а вслед за ней — еще более мощная Больше-Банная и предполагаемые последующие на Курильских островах.

За советский период благодаря научно-исследовательским работам на Камчатке выявлены и хорошо изучены 116 групп горячих источников, которые могут быть использованы как энергетические или оздоровительные (курортные) источники. Советскими вулканологами, в частности А. Е. Святловским в 1966 г., высказывались предположения об использовании вулканического тепла и энергии у подножия действующих вулканов Камчатки. Опыт на вулкане Килауэа (Гавайские острова) в 1959 г. показал, что нагнетание воды через буровую скважину, направленную в раскаленную лаву, позволяет создать на таком принципе геотермическую электростанцию.

Перед советской вулканологией стоят важные задачи — раскрыть все закономерности современного вулканизма с целью теоретических обобщений и понимания глубинных процессов. Существующая возможность прогноза извержений позволит людям спокойно жить и работать в вулканической Курило-Камчатской области. И, наконец, стоит задача в недалеком будущем использовать неиссякаемые источники геотермального тепла и энергии на Камчатке и Курильских островах и в других областях СССР.

Связь извержений с космическими явлениями. Зависимость и связь вулканической активности Земли с космическими явлениями также исследовалась советскими и зарубежными вулканологами. Было показано, что вулканическая активность совпадает с фазами Луны и образованием солнечных пятен. Это, например, было отмечено А. А. Меняйловым при извержении Ключевского вулкана в 1937—1938 гг. Такие же соотношения наблюдались и у других вулканов мира разными исследователями. На I Всесоюзном вулканологическом совещании в Ереване в 1959 г. С. К. Всехсвятский в докладе «Кометы, проблемы солнечной системы и вулканизм на Земле» показал важность выводов астрономии малых тел для освещения космогонической истории Земли и ее современного состояния, в частности вулканизма. Он пишет, что «Следы лунных процессов, вулканизм Земли и Марса, наличие кольца Сатурна, Титана, поддерживающего газообразную атмосферу, по-видимому, в результате потока энергии изнутри, позволяют думать о грандиозных масштабах эруптивной деятельности в прошлом». Вулканические процессы на Юпитере, появление белых пятен на Сатурне и Уране, конечно, могут говорить, как он думает, о еще сохраняющейся вулканической активности космического масштаба: «С Венерой могут быть связаны и наблюдающиеся короткопериодические метеорные потоки, поскольку при вулканических процессах естественно образование потоков обломочных и пепловых частиц. Данные о природе Венеры, о химизме и высокой запыленности ее атмосферы не противоречат этому выводу. Значительная группа комет семейства Нептуна, по-видимому, связана с активными процессами в системе этой планеты».

Конечно, перечисленные С. К. Всехсвятским «следы» вулканизма не позволяют с уверенностью все их относить к вулканическим процессам, как, например, лунные кратеры, которые считаются либо вулканическими, либо метеоритными; однако вулканические явления на других планетах, и, вообще говоря, в космосе, сходные с земными, безусловно должны наблюдаться, поэтому в вашей стране им уделяется большое внимание (В. И. Лебединский, А. А. Михайлов и др.). Связь вулканических сил и веществ вулканического происхождения с оболочками Земли весьма значительна. Предполагается, что в мантии Земли происходят процессы (регистрируемые сейсмическими и другими методами), которые имеют отражение в вулканических, сейсмических, гравитационных, магнитных и других проявлениях. Поэтому в последние годы в Советском Союзе в вулканической области Камчатки и Курильских островов по этой проблеме сделано много наблюдений (Г. С. Штейнберг).

Взаимодействие магмы с осадочными породами и ассимиляция последних предполагалась (Меняйлов, 1955) или отрицалась (Г. С. Горшков). В связи с этим ставился и разрешался вопрос об участии в дифференцирующейся магме и лаве вадозных и метеорных вод, растворов и элементов, извлекаемых из пород земной коры (В. В. Иванов, С. И. Набоко), и об извлечении некоторых химических элементов поверхностной водой из лавы и пополнение ими солевого состава океанов (К. К. Зеленов).

Советскими исследователями изучалось выделение из лавы летучих компонентов и различные химические реакции между ними. Предполагался цепной механизм этих реакций, приводящий к взрывным явлениям, которые в совокупности вызываются кинетической энергией окислительно-восстановительных процессов среди высокоактивных газовых компонентов, а не энергией паров воды, как это считалось раньше. Установлено также, что в атмосфере происходит эоловая дифференциация пеплов (А. А. Меняйлов, С. И. Набоко, И. И. Гущенко), в результате которой с удалением от вулкана в них приобретают все большее значение легкие частицы и, следовательно, кислые по своему химическому составу образования. Выброшенный в атмосферу пепел, с одной стороны, вызывает потемнение днем, а с другой, удлиняет сумерки и зори. Пепел, упавший на снег в весенние солнечные дни, ускоряет его таяние. Кроме того, тончайший пепел, рассеянный в атмосфере, влияет на распределение осадков — дождей и снега — на расстоянии в сотни километров в окрестностях вулкана.

Связь сильных пепловых и газовых извержений с пониженным атмосферным давлением отмечалась время от времени в случае маловязких лав, как, например, у Ключевского вулкана в 1937—1938 гг. (А. А. Меняйлов, И. И. Гущенко). Исследования показали, что при соприкосновении с поверхностной водой лава бурно реагирует, в результате чего происходят более частые взрывы и паровыделение, а также попадание некоторых элементов в воды океана. Связь солевого состава океанических и морских вод с газовой фазой вулканов и лавы ныне в значительной степени выяснена (К. К. Зеленов, Е. К. Мархинин и др.), но требует еще большего внимания. Обогащение океанических вод солями и отдельными элементами (железом и алюминием) за счет вулканических процессов, как теперь считают, имеет известное значение.

Современный вулканизм широко связан с некоторыми оболочками Земли. В ряде случаев установлена связь вулканических извержений с космическими факторами (солнечными пятнами, фазами Луны и пр.), хотя это явление еще мало анализировалось. Эти связи все более раскрываются исследованиями советских вулканологов, работающих в контакте с зарубежными исследователями.

Источник: big-archive.ru