Explosive activity of Zavaritsky volcano (Simushir Island, Central Kuriles) during the Holocene

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важных природных процессов, оказывающим влияние на климат Земли, который необходимо учитывать в прогнозных моделях, является крупномасштабный эксплозивный вулканизм [Baldini et al., 2015; McConnell et al., 2020]. Многочисленные попытки установить причины вспышек эксплозивной активности и понять их связь с геодинамикой и/или изменениями климата пока не увенчались успехом, прежде всего в связи с отсутствием точных и подробных хроник извержений за длительные периоды времени. Особенную трудность представляет реконструкция эксплозивной активности в пределах островных дуг, пирокластические отложения которых часто скрыты под водой, а на суше образуют сложноустроенные и частично эродированные толщи. Одной из таких дуг является Курильский сегмент Курило-Камчатского вулканического пояса в северо-западной части Тихого океана. Свидетельствами неоднократных сильнейших извержений здесь служат многочисленные кальдеры и пачки пемзовых отложений [Горшков, 1967], но летопись прошлых извержений до сих пор расшифрована фрагментарно и лишь для единичных вулканов [Дегтерев и др., 2012; Hasegawa et al., 2011; Nakagawa et al., 2002]. В настоящей статье мы сопоставляем результаты изучения наземной пирокластики с опубликованными данными о пеплах, захороненных в морских и наземных осадках, чтобы впервые реконструировать хронологию эксплозивных извержений вулкана Заварицкого (о. Симушир, Курильские острова) за последние 10 тыс. лет и оценить параметры его крупнейших извержений.

Вулкан Заварицкого расположен в центральной части о. Симушир (Центральные Курилы) (рис. 1а). Он представляет собой щитообразную вулканическую постройку диаметром около 17 км, срезанную двумя вложенными друг в друга кальдерами. Диаметр внешней, более древней, кальдеры, составляет около 10 км, внутренней, более молодой — 7–8 км [Горшков, 1967]. Последующие извержения сформировали внутри молодой кальдеры стратовулкан с диаметром основания около 6 км, вершина которого также была разрушена в результате мощных эксплозивных извержений. Образовавшийся кратер (кальдера?) размером 3.5×2.7 км в настоящее время заполнен оз. Бирюзовым, в котором расположены два небольших экструзивных купола. Вулканический массив сложен породами низкокалиевой известково-щелочной серии [Парфенова и др., 2015].

 

Рис. 1. Распространение отложений эксплозивных извержений вулкана Заварицкого в голоцене.

а — вулканы о. Симушир — кружками показано положение разрезов, в которых были описаны тефры ZV-1 и ZV-3, желтой заливкой — отложения пирокластических потоков извержения ZV-1, пунктирные линии — бровки кальдер I и II, также показано положение опорного разреза т.н. 01118 (см. рис. 1б); б — общий вид опорного разреза тефры в т.н. 01118; в — изопахиты тефры для извержений ZV-1 (4 см), ZV-3 (1 см) и ZV-40 (10 см); г — распространение раннеголоценовых тефр ZV-1 (желтая линия) и ZV-3 (зеленая линия); точки наблюдения показаны соответствующими цветами.

 

Единственные зафиксированные извержения этого центра произошли в 1916–1932 гг. и в 1957 г., в результате чего возникли купола Восточный и Северный соответственно [Горшков, 1967], однако тефры этих извержений за пределами кальдеры не было обнаружено. Сведения о более древних, в т.ч. кальдерообразующих, извержениях и о возрасте вулкана в целом весьма немногочисленны и противоречивы. Анализ морфологии склонов обеих кальдер позволил предположить, что они образовались в среднем–позднем плейстоцене [Горшков, 1967] или же в самом конце верхнеплейстоценового оледенения или сразу после него [Мелекесцев и др., 1974]. Отложения голоценового почвенно-пирокластического чехла (далее ППЧ) в окрестностях вулкана, включающие многочисленные горизонты тефры, были описаны в работе [Разжигаева и др., 2013], но эти исследования были посвящены, прежде всего, развитию ландшафтов острова, а не истории извержений. Исследования удаленных голоценовых пеплов на других островах Курильской гряды, а также в кернах из морских осадочных колонок, позволили связать с вулканом Заварицкого два пепловых горизонта. Первый из них — это распространившийся вплоть до о. Шумшу раннеголоценовый пепел, первоначально датированный ~8.9 тыс. лет (все значения возраста в статье приведены в калиброванных годах до 1950 г.) [Nakagawa et al., 2008]. В осадочных колонках Охотского моря также был обнаружен низкокалиевый пепел, изначально описанный как тефра кальдеры Тао-Русыр, но в последующих работах отнесенный уже к вулкану Заварицкого с присвоением индекса TR(Zv) [Derkachev et al., 2016]. Криптотефра вулкана Заварицкого была обнаружена в торфянике в северо-западной Канаде, где ее возраст оценен в 9560±110 лет [Davies et al., 2018]. В то же время единичные описания разрезов проксимальной пирокластики на о. Симушир не позволяли установить, являются ли обнаруженные пеплы результатом одного катастрофического извержения или же они сформировались в результате серии мощных извержений. Кроме того, еще одна тефра вулкана Заварицкого (Zav-1) была обнаружена на островах Чирпой и Уруп [Nakagawa et al., 2008; Razjigaeva et al., 2022]. Ее возраст ранее оценивался в диапазоне 1000–600 лет назад (л. н.) [Nakagawa et al., 2008; Razjigaeva et al., 2022]. Другая информация об эруптивной активности в пределах вулканического центра Заварицкого отсутствовала.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Во время полевых работ 2011 г. на о. Симушир нами было описано более 20 разрезов голоценовых почвенно-пирокластических чехлов (ППЧ), в которых идентифицировано не менее 40 горизонтов пирокластики вулкана Заварицкого и отобрано более 160 образцов его тефры (см. рис. 1а, 1б). Определение содержаний главных породообразующих оксидов в вулканических стеклах выполнялось на Геологическом факультете МГУ энерго-дисперсионным электронно-зондовым анализом (спектрометр Oxford X-MaxN c площадью кристалла 80 мм², установленный на электронный микроскоп JEOL JSM-6480LV). Анализ проводился при ускоряющем напряжении 20 кэВ и токе зонда 10 нА. В качестве стандартов использованы природные силикаты [Jarosevich et al., 1980] и синтетические оксиды металлов. В дополнение, образцы раннеголоценовых пемз были проанализированы в ИВиС ДВО РАН при помощи сканирующего электронного микроскопа Vega 3 Tescan, оборудованного энергодисперсионным спектрометром Oxford X-max 80 mm² и программным обеспечением AZtec. Условия анализа составили: ускоряющее напряжение 20 кВ, ток на эталоне никеля ~0.7–0.75 нA, время накопления спектра 10 с и диаметр электронного пучка 5 мкм [Горбач и др., 2022].

Возрастная модель для разреза голоценовой пирокластики в опорном разрезе точки наблюдения (далее т.н. 01118) была создана в программе OxCal [Bronk Ramsey, 2009] с калибровочной кривой IntCal2020 [Reimer et al., 2020] на основании полученных нами радиоуглеродных датировок для проксимальных отложений и опубликованных дат для тефр вулкана Заварицкого и маркирующего горизонта тефры CKr (табл. 1) с учетом мощностей прослоев супеси, разделяющих горизонты пирокластики. Все возрасты в тексте даны в калиброванных годах до 1950 г., если не оговорено иное.

 

Таблица 1. Радиоуглеродные даты, использованные при построении возрастной модели

Номер образца	Лаб. номер	Место отбора	Материал	Стратиграфическое положение	14С возраст	Источник
01118/A1	ЛЕ-11049	о. Симушир	древесина	в тефре ZV-40	260±25	данные авторов
01118/A3	ЛЕ-11050	о. Симушир	древесина	в тефре ZV-40	290±25	данные авторов
07-US-18-10	IAAA-72953	о. Ушишир	палеопочва	над тефрой CKr	1910±40	Nakagawa et al., 2008
292	AA-42209	о. Чирпой	угли	под тефрой CKr	2178±42	Nakagawa et al., 2008
293	AA-42209	о. Чирпой	угли	под тефрой CKr	2290±43	Nakagawa et al., 2008
2/307	LU-5947	о. Уруп	торф	под тефрой CKr	2280±90	Razjigaeva et al., 2022
2/3709	LU-6257	о. Уруп	торф	под тефрой CKr	2140±110	Razjigaeva et al., 2022
01118/А11	ЛЕ-11046	о. Симушир	палеопочва	под тефрой ZV-34	2130±120	данные авторов
07-SM-7-22	IAAA-72952	о. Симушир	палеопочва	под тефрой ZV-3	6820±40	Nakagawa et al., 2008
08MT-1-12	IAAA-82142	о. Матуа	палеопочва	под тефрой ZV-1	7920±50	Nakagawa et al., 2008
08RS-2-4	IAAA-82151	о. Расшуа	палеопочва	под тефрой ZV-1	8100±40	Nakagawa et al., 2008
B15-62	IAAA-72598	о. Парамушир	торф	под тефрой ZV-1	8540±40	Hasegawa et al., 2011
–	–	Аляска	торф	рассчитанный возраст тефры ZV-1	9560±110	Davies, 2018

 

ПРОКСИМАЛЬНЫЕ ПИРОКЛАСТИЧЕСКИЕ ОТЛОЖЕНИЯ ВУЛКАНА ЗАВАРИЦКОГО

В наиболее полных разрезах ППЧ на о. Симушир нами было обнаружено не менее 40 горизонтов пеплов, сформировавшихся в результате эксплозивных извержений массива Заварицкого за последние 10 тыс. лет. Детально горизонты тефры были описаны и изучены в опорном разрезе т.н. 01118. В нижней части разреза (см. рис. 1б) залегают две мощных пачки пемзовой пирокластики, сформировавшихся в результате катастрофических извержений в начале голоцена. Верхняя же часть разреза представляет собой дробное чередование горизонтов шлаков серого и темно-серого цвета, отложившихся в результате менее сильных извержений с прослоями слабогумусированных супесей. Венчается разрез тефрой последнего мощного эксплозивного извержения вулкана (тефра ZV-40) (см. рис. 1б).

В основании разреза залегает стратифицированная пачка пемзовой пирокластики, названная нами ZV-1, состоящая из горизонта тефры и перекрывающих его отложений пирокластических потоков. Мощность тефры меняется от 3–4 м на внешних склонах кальдеры до 20 см на северной оконечности о. Симушир. Отложения пирокластических потоков представлены слегка уплотненными пемзовыми туфами, мощность которых составляет 3–5 м на расстоянии 6–8 км от кальдеры.

Выше по разрезу лежит тефра еще одного сильного извержения (ZV-3), мощность которой в т.н. 01118 составляет около 70 см. В отличие от извержения ZV-1, это извержение не сопровождалось формированием пирокластических потоков.

Залегающие выше по разрезу многочисленные горизонты тефры вулкана Заварицкого представляют собой хорошо сортированные, пористые, хрупкие шлаки серого и темно-серого цвета. Мощность отдельных горизонтов меняется от 2 до 25 см, а крупность обломков — от 0.5 до 10 см (рис. 2а). Их разделяют маломощные (от 1 до 7 см) прослои супесей, при этом богатые органикой почвенные прослои отсутствуют, что препятствовало широкому использованию радиоуглеродного датирования для определения возраста отдельных горизонтов.

 

Рис. 2. Дробное чередование горизонтов шлаков вулкана Заварицкого в разрезе почвенно-пирокластического чехла т.н. 01118 (а) и отложения лахара извержения ZV-40 на берегу Охотского моря (б).

 

В самом верху разреза лежит тефра ZV-40, образовавшаяся в результате последнего сильного извержения вулкана Заварицкого. Мощность тефры в опорном разрезе составляет около 90 см. Отложения пирокластических потоков здесь также отсутствуют, однако в кровле тефры, зачастую со следами размыва, залегают отложения мощного грязекаменного потока (лахара), распространявшегося по всем распадкам по периферии кальдерного комплекса. Выходя на берег Охотского моря и Тихого океана, эти отложения формируют полого-наклонные террасовидные поверхности, высотой до 6 м, быстро выклинивающиеся при удалении от долины водотока (рис. 2б).

СОСТАВ ВУЛКАНИЧЕСКОГО СТЕКЛА

Состав вулканических стекол был изучен в представительных образцах тефры 40 крупных и умеренных извержений, опробованных в т.н. 01118 (табл. 2). Вулканические стекла голоценовой пирокластики вулкана Заварицкого по составу отвечают низкокалиевым андезибазальтам‒риолитам (рис. 3а). Стекла горизонта ZV-1 самые кислые и по составу отвечают риолитам (72.5–74.0 мас. % SiO₂), стекла горизонта ZV-3 более основные и отвечают дацитам‒риолитам (65.0–71.9 мас. % SiO₂). Стекла большинства извержений имеют достаточно однородные состав (колебание содержания SiO₂ — не более 5 мас. % (рис. 3б)). Единственное исключение — тефра ZV-3, в стеклах которой содержание кремнезема варьирует в диапазоне 61.8–71.8 мас. %. В целом, наблюдаются волнообразные изменения содержания SiO₂ вверх по разрезу (рис. 4). Самые низкие содержания кремнезема (~55–56 мас. %) отмечены около 6.4–6.3 и 2.5–1.7 тыс. л. н. Однако, около 1650 л. н. эта тенденция внезапно изменилась и стекла тефры последующих извержения становятся все более кислыми, достигая максимальных значений (до 67 мас. % SiO₂) в тефре последнего крупного извержения (ZV-40). Отличительной особенностью тефры массива Заварицкого является исключительно низкие содержания K₂O, отличающие ее от тефры не только соседних вулканов Пик Прево и Мильна, но и подавляющего большинства других вулканов Курильских островов и Камчатки. В наиболее основных стеклах содержание K₂O составляет 0.3–0.5 мас. %, в наиболее кислых — не более 0.9–1.0 мас. %.

 

Таблица 2. Модельный возраст и средние составы для тефры голоценовых извержений вулкана Заварицкого

Индекс	Модельный возраст (BP)				95% уровень вероятности				Время, лет (см. примечание)		SiO2		TiO2		Al2O3		FeO	MnO		MgO		CaO		Na2O		K2O		P2O5		S	Cl	Сумма	Первичная сумма	N
	cреднее		погрешность		от		до
1	2		3		4		5		6		7		8		9		10	11		12		13		14		15		16		17	18	19	20	21
Zv#40	119		1		121		117		1032		64.02		0.86		15.53		7.44	0.23		1.77		5.79		3.36		0.66		0.25		0.00	0.09	100.00	98.05	6
Zv#39	1151		184		1514		784		294		59.60		1.17		14.86		10.46	0.24		2.12		6.73		3.88		0.64		0.25		0.00	0.05	100.00	100.33	3
Zv#38	1445		171		1773		1100		147		59.45		1.09		15.87		9.45	0.24		2.30		6.80		3.96		0.62		0.15		0.00	0.06	100.00	100.42	2
Zv#37	1592		156		1884		1273		6		57.21		1.19		14.86		11.54	0.20		3.39		7.60		3.29		0.50		0.17		0.00	0.06	100.00	99.43	5
Zv#36	1598		155		1886		1280		720		57.79		1.29		14.04		12.13	0.22		3.05		7.32		3.30		0.58		0.21		0.00	0.07	100.00	99.43	9
Zv#35	2318		104		2535		2126		143		58.58		1.23		14.66		10.98	0.22		2.66		7.31		3.52		0.59		0.17		0.00	0.07	100.00	100.16	3
Zv#34	2461		124		2716		2226		928		56.44		0.99		16.71		10.38	0.24		3.08		8.37		3.16		0.47		0.12		0.00	0.04	100.00	99.39	6
Zv#33	3389		202		3802		2996		500		62.28		0.97		14.37		9.29	0.25		2.25		6.26		3.45		0.67		0.14		0.00	0.06	100.00	98.74	3
Zv#32	3889		226		4354		3446		285		60.81		1.16		14.04		11.53	0.23		2.49		6.91		1.68		0.78		0.23		0.01	0.14	100.00	94.73	3
Zv#31	4174		237		4653		3706		286		61.16		0.91		15.30		9.08	0.20		1.90		6.44		4.06		0.68		0.19		0.00	0.07	100.00	99.21	6
Zv#30	4460		246		4956		3972		285		59.74		1.01		15.88		9.52	0.17		1.78		7.00		3.92		0.69		0.23		0.00	0.06	100.00	100.48	6
Zv#29	4745		253		5259		4246		72		60.43		0.99		15.11		9.72	0.22		2.28		6.76		3.59		0.64		0.20		0.00	0.07	100.00	100.41	3
Zv#28	4817		255		5331		4312		214		62.14		1.02		14.94		9.69	0.20		2.27		6.63		1.99		0.72		0.24		0.04	0.09	100.00	96.07	5
Zv#27	5031		259		5549		4519		2		61.44		0.94		16.24		7.90	0.16		1.55		6.71		4.05		0.74		0.19		0.00	0.08	100.00	99.70	3
Zv#26	5033		259		5561		4527		141		60.37		1.00		14.80		10.13	0.20		2.65		6.79		3.26		0.58		0.13		0.00	0.09	100.00	99.07	5
Zv#25	5174		259		5693		4659		141		60.65		0.90		15.82		9.14	0.20		2.04		6.88		3.55		0.54		0.19		0.00	0.09	100.00	98.99	3
Zv#24	5315		259		5840		4804		423		59.28		0.92		15.88		9.55	0.21		2.47		7.33		3.60		0.54		0.17		0.00	0.04	100.00	99.48	3
Zv#23	5738		261		6260		5215		352		59.25		0.78		16.72		8.83	0.23		2.59		7.36		3.83		0.41		0.00		0.00	0.00	100.00	101.15	2
Zv#22	6090		265		6618		5562		70		56.46		1.07		15.57		12.21	0.23		3.49		8.31		1.88		0.53		0.17		0.01	0.06	100.00	97.08	3
Zv#21	6160		266		6690		5633		141		57.21		1.33		14.07		13.16	0.24		2.84		7.71		2.63		0.58		0.18		0.00	0.05	100.00	99.62	4
Zv#20	6301		268		6836		5775		71		55.40		1.06		15.91		11.64	0.24		3.90		8.71		2.61		0.39		0.10		0.00	0.06	100.00	100.77	3
Zv#19	6372		269		6906		5845		211		57.35		1.23		14.38		12.37	0.26		3.35		7.79		2.54		0.53		0.12		0.00	0.07	100.00	99.56	3
1	2	3		4		5	6	7		8	9	10		11		12	13	14	15		16		17		18		19		20		21
Zv#18	6583	274		7121		6065	423	60.99		0.96	15.01	9.36		0.20		2.17	6.58	3.81	0.64		0.21		0.00		0.07		100.00		99.94		3
Zv#17	7006	284		7535		6504	71	63.40		0.90	14.73	9.31		0.22		2.05	6.02	2.27	0.69		0.19		0.11		0.10		100.00		96.86		4
Zv#16	7077	286		7598		6573	141	62.34		0.90	15.08	8.66		0.20		2.05	6.11	3.81	0.67		0.10		0.00		0.08		100.00		98.50		3
Zv#15	7218	290		7733		6725	70	61.43		0.87	15.36	8.76		0.21		2.16	6.36	3.96	0.59		0.21		0.00		0.08		100.00		99.43		3
Zv#14	7288	293		7800		6796	2	62.77		0.86	15.16	8.15		0.20		2.01	5.97	3.99	0.62		0.19		0.00		0.08		100.00		99.49		3
Zv#13	7290	293		7800		6798	282	63.48		0.91	14.39	8.74		0.23		1.93	5.69	3.66	0.68		0.19		0.00		0.10		100.00		98.99		6
Zv#12	7572	290		8063		7100	141	67.57		0.83	14.81	7.03		0.16		1.01	4.97	2.43	0.83		0.23		0.01		0.13		100.00		96.91		4
Zv#11	7713	288		8195		7255	71	64.47		0.75	14.44	7.64		0.21		2.21	5.22	4.15	0.64		0.18		0.00		0.09		100.00		100.99		3
Zv#10	7784	287		8261		7333	141	65.96		0.83	14.29	8.07		0.19		1.91	5.46	2.05	0.84		0.26		0.02		0.12		100.00		96.65		3
Zv#9	7925	285		8391		7485	212	64.96		0.73	14.70	7.33		0.19		1.78	5.31	3.89	0.73		0.27		0.00		0.11		100.00		99.61		3
Zv#8	8137	282		8570		7715	3	65.32		0.63	15.26	6.42		0.20		1.41	5.33	4.36	0.77		0.20		0.00		0.09		100.00		99.68		6
Zv#7	8140	282		8575		7717	505	63.10		0.91	14.74	8.64		0.19		2.21	6.02	3.19	0.72		0.19		0.00		0.10		100.00		97.87		3
Zv#6	8645	232		9003		8288	72	65.96		0.67	14.74	6.70		0.16		1.27	5.08	4.28	0.79		0.22		0.00		0.11		100.00		99.45		3
Zv#5	8717	224		9060		8370	72	64.65		0.82	14.45	8.86		0.21		2.06	5.74	1.96	0.79		0.25		0.05		0.18		100.00		96.25		4
Zv#4	8789	216		9120		8456	217	64.12		0.70	15.13	7.50		0.16		1.64	5.86	3.96	0.72		0.10		0.00		0.11		100.00		99.11		6
Zv#3	9006	190		9285		8716	226	67.23		0.62	14.23	6.43		0.03		1.37	4.93	4.20	0.84		0.05		0.00		0.08		100.00		99.71		87
Zv#2	9232	138		9440		9001	233	65.51		0.65	14.63	7.39		0.21		1.70	5.16	3.65	0.75		0.22		0.00		0.11		100.00		99.92		3
Zv#1	9465	64		9546		9333	0	73.49		0.48	12.95	3.98		0.01		0.55	2.87	4.47	1.01		0.03		0.00		0.16		100.00		98.08		106

Примечание. Время — временной промежуток между двумя соседними извержениями; содержания породообразующих окислов и летучих компонентов — в мас. %; N — количество анализов для данной тефры.

 

Рис. 3. Диаграммы содержания SiO₂ и K₂O в вулканических стеклах голоценовой пирокластики вулкана Заварицкого.

а — классификационная диаграмма K₂O–SiO₂ для всех изученных стекол. Граница умеренно— и низкокалиевых составов показана, согласно работе [Le Maitre et al., 2002]; б — состав стекол в проксимальных и дистальных образцах тефры ZV-1 (пояснения см. в тексте); в — состав стекол в проксимальных и дистальном образцах тефры ZV-3, также показаны составы стекол вулкана Гамчен, по работе [Portnyagin et al., 2020].

 

Рис. 4. Изменение содержания SiO₂ в вулканических стеклах тефры вулкана Заварицкого и промежутки между извержениями за последние 10 тыс. лет.

 

ВОЗРАСТ И МАГНИТУДА КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ИЗВЕРЖЕНИЙ ВУЛКАНА ЗАВАРИЦКОГО И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ИХ ТЕФР

Стратиграфическое положение горизонтов пемз ZV-1 и ZV-3 и специфические геохимические характеристики позволили нам уверенно идентифицировать эти горизонты в разрезах о. Симушир, а также скоррелировать их со слоями удаленных пеплов, описанными нами, а также другими авторами в разрезах Курильских островов [Nakagawa et al., 2008; Hasegawa et al., 2011], в морских колонках Охотского моря [Derkachev et al., 2016] и в торфянике на северо-западе Канады [Davies, 2018].

Тефра ZV-1. Региональные тефрохронологические работы на Курильских островах выявили присутствие низкокалиевого риолитового пепла в нижней части многих разрезов голоценовых отложений Центральных и Северных Курил (рис. 1в). Тефра, получившая индекс ZvSu и связанная, по мнению авторов, с одним из извержений вулкана Заварицкого, описана на островах Расшуа (где ее мощность составляет 10–15 см), Матуа (5 см), Шиашкотан (4–5 см) и Онекотан (4 см) [Nakagawa et al., 2008]. При этом южнее Симушира, на островах Чирпой и Уруп, эта тефра отсутствует. Тефрохронологические исследования на о. Парамушир выявили уникальный для этого острова пепел (индекс GA) с очень низким содержанием K₂O, мощность которого составляла 3–4 см [Hasegawa et al., 2011]. В разрезах почвенно-пирокластического чехла эта тефра лежит под горизонтом тефры КО, связанным с кальдерообразующим извержением Курильского озера на Южной Камчатке [Hasegawa et al., 2011]. В колонках морских отложений в Охотском море также был обнаружен пепел, названный авторами TR(Zv), со сходными геохимическими характеристиками [Derkachev et al., 2016]. Кроме состава стекол, соответствующего низкокалиевым риолитам, к идентификационным признакам этих тефр также можно отнести особенности минералогического состава: присутствие клино- и ортопироксена при отсутствии амфибола [Hasegawa et al., 2011]. Еще одна находка раннеголоценового низкокалиевого риолитового пепла, сходного по своим геохимическим характеристикам с пирокластикой кальдеры Заварицкого (на этот раз не в виде прослоя, а в виде криптотефры), была сделана в торфянике на северо-западе Канады [Davies, 2018].

Анализ приведенных в этих работах данных по составу стекол пеплов ZvSu, GA и TR(Zv), а также криптотефры с северо-запада Канады, показал, что как по стратиграфии, так и по составам стекол они идентичны описанной нами проксимальной пемзе ZV-1 (см. рис. 3б), то есть являются продуктами одного и того же извержения. Обнаружение тефры ZV-1 в разрезах Северных и Центральных Курил, а также в колонках Охотского моря и на северо-западе Канады, и ее отсутствие в разрезах южнее о. Симушир свидетельствует о том, что перенос тефры происходил преимущественно в северо-восточном направлении. Направление оси пеплопада на северо-восток и обнаружение этой тефры на северо-западе Канады очевидно подразумевает выпадение ее на территории Камчатки, Чукотки и Аляски; площадь пеплопада составляла более 6 млн км² (см. рис. 1г).

Имеющиеся данные [Nakagawa et al., 2008; Hasegawa et al., 2011; Derkachev et al., 2016] позволили нам оконтурить зону выпадения пепла мощностью 4 см и оценить ее площадь в 250 тыс. км² (см. рис. 1в). По минимальным оценкам (согласно [Legros, 2002]) объем изверженной тефры составляет 36.9 км³, а общий объем пирокластики извержения ZV-1 с учетом отложений пирокластических потоков на суше можно оценить в 37.0 км³ (или ~15 км³ в пересчете на плотную породу). Данная оценка консервативна и не учитывает объем отложений пирокластических потоков на дне океана, а также может недооценивать объем удаленной тефры. Минимальная оценка магнитуды извержения (M), при удельной плотности пемзы 700 кг/м³, составляет 6.4. К сожалению, пока не разработаны методы оценки объема пепла с учетом криптотефры, но сам факт обнаружения частиц тефры ZV-1 на северо-западе Канады на расстоянии почти 4500 км от вулкана говорит об исключительно мощном извержении (см. рис. 1г). Таким образом, даже минимальная оценка объема изверженной пирокластики позволяет поставить извержение ZV-1 в ряд крупнейших в Курило-Камчатской зоне за последние 10 тыс. лет. По объему оно уступает только извержению, приведшему к образованию кальдеры Курильское озеро, однако превосходит все известные извержения вулканов Курильских островов в голоцене. Столь большие объемы извергнутого пирокластического материала свидетельствуют о том, что извержение ZV-1 может быть связано с формированием последней кальдеры в массиве Заварицкого (кальдеры II, по [Горшков, 1967]), однако это утверждение нуждается в дополнительных подтверждениях. Оценки возраста тефры колеблются от 8.9 [Nakagawa et al., 2008] до 9.6 [Davies, 2018] тыс. лет; в нашей модели возраст этого извержения 9462±67 лет. Эти оценки возраста согласуются с положением тефры ZV-1 ниже тефры КО с возрастом около 8.4 тыс. лет [Ponomareva et al., 2004].

Тефра ZV-3. Данная тефра, возраст которой, по нашей модели, составляет около 9.2 тыс. лет, была обнаружена нами в разрезах к северу от кальдеры Заварицкого, вплоть до бухты Водопадная, однако в бухте Броутона, на северо-востоке острова, она отсутствует (см. рис. 1а). К юго-западу от кальдеры она описана на ее внешнем склоне и на перешейке Косточко (см. рис. 1а), однако отсутствует на о. Уруп. Это свидетельствует о том, что ось пеплопада была направлена на ССЗ и подавляющая часть тефры выпала в Охотском море, что затрудняет подсчет ее объема. Для оценки ареала распространения тефры были проанализированы данные исследований осадочных колонок в Охотском море. В колонке GC12-6А (см. рис. 1в) была обнаружена низкокалиевая тефра (индекс N) [Derkachev et al., 2016] мощностью 1 см, по составу стекол идентичная пеплу ZV-3 (рис. 3в). Авторы связали ее с извержением вулкана Гамчен на Камчатке, однако, сравнение составов стекол тефры N и пирокластики вулкана Гамчен не подтверждает это заключение (см. рис. 3в). Кроме того, для вулкана Гамчен не известны эксплозивные извержения в раннем голоцене: его конус начал формироваться лишь ~3.6 тыс. л. н. [Kozhurin et al., 2006]. По нашему мнению, тефра N является дистальным аналогом тефры ZV-3, свидетельствуя о ее распространении в северном направлении на расстояние более 700 км (см. рис. 1г). Минимальный объем тефры ZV-3 (по [Legros, 2000]) можно оценить в 5.5 км³, а минимальную магнитуду извержения — в 5.6.

Тефра ZV-40. Эта тефра, под индексом ZAV-1, описана в нескольких работах по Средним Курилам. Радиоуглеродные датировки этой тефры, встречающиеся в литературе, колеблются от 1070±70 до 40±90 ¹⁴С лет [Разжигаева и др., 2013; Nakagawa et al., 2008; Razjigaeva et al., 2022], составляя в среднем около 600 ¹⁴С лет. Однако большинство этих датировок были получены из подстилающей тефру почвы, т.е. характеризовали исключительно временной диапазон формирования этой почвы и могли давать удревненную оценку возраста перекрывающей ее тефры. Дата 40±90 ¹⁴С лет получена из разреза с отчетливой инверсией возрастов [Разжигаева и др., 2013] и не учитывалась при расчете возраста. Для получения более точного возраста нами были датированы обугленные растительные остатки (ветви и стволы кустарников), обнаруженные непосредственно в тефре ZAV-1. Полученные даты 260±25 и 290±25 (см. табл. 1) свидетельствуют о более молодом возрасте тефры. Калибровка этих дат показывает, что извержение произошло около 150–430 лет назад. Еще более точный возраст этого извержения был определен в результате изучения ледовых кернов Гренландии [Hutchison, personal communication]. В четырех скважинах (NEEM-2011-S1, NGRIP1, B19 и Tunu2013) в горизонте льда, образовавшемся по предварительным данным незадолго до середины XIX века, была обнаружена зона повышенной концентрации пепловых частиц. Проведенный геохимический анализ вулканического стекла из этого горизонта показал, что состав стекол пепловых частиц идентичен составу стекол тефры ZV-40 [Hutchison, personal communication]. Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что извержение ZV-40 около 1830–1850 гг. н. э. В разрезах ППЧ тефра ZV-40 была обнаружена на островах Симушир, Чирпой и Уруп. Пространственные вариации мощности горизонта тефры позволяют предположить, что ось пеплопада была направлена в ЮЗ направлении (см. рис. 1в): в СВ направлении тефра очень быстро выклинивается, и на севере о. Симушир (на расстоянии 30 км от кальдеры) ее мощность составляет всего 1–2 см, в то время как на островах Чирпой и Уруп, т.е. на расстоянии 100–130 км от центра извержения, мощность тефры ZV-40 достигает 10–12 см. Ограниченное количество точек наблюдения позволило нам определить лишь минимальный объем выброшенного материала. Рассчитанный по методу [Legros, 2000], он составил около 3.5 км³. Магнитуда извержения составила не менее 5.4.

ЭКСПЛОЗИВНАЯ АКТИВНОСТЬ В СРЕДНЕМ–ПОЗДНЕМ ГОЛОЦЕНЕ И ИЗМЕНЕНИЯ СОСТАВА ВУЛКАНИЧЕСКОГО СТЕКЛА В ТЕФРАХ

Извержения, последовавшие за выбросами пемзовых тефр ZV-1 и ZV-3, имели более скромный масштаб и их тефры обнаружены только в пределах о. Симушир. В период 9.8–7.3 тыс. л. н. стекла в тефре в основном отвечают дацитам (см. рис. 4). Затем содержание SiO₂ в стеклах постепенно понижается и около 6.4 тыс. л. н. достигает минимума (55 мас. %). После этого, примерно в течение 2.3 тыс. лет, следуют извержения тефры со стеклами андезитового состава, но около 2.5–1.6 тыс. лет содержание SiO₂ вновь падает до значений основных андезитов–андезибазальтов. Стекла тефр последующих умеренных извержений демонстрируют некоторый рост содержания SiO₂, однако, после значительного перерыва, следует третье за голоцен сильное эксплозивное извержение (ZV-40), содержание SiO₂ в стеклах которого резко возрастает. В тефре этого извержения вновь появляются стекла с повышенным содержанием кремнезема (до 67.6 мас. %), подобные стеклам раннеголоценовых извержений (см. рис. 4).

Волнообразные колебания содержания SiO₂ в стеклах из пирокластики крупнейших извержений ранее отмечались для камчатских вулканов Шивелуч [Ponomareva et al., 2015] и Ключевской [Portnyagin et al., 2009]. Поскольку вулканические стекла представляют собой фрагменты частично дегазированного расплава, закаленные при выбросе в атмосферу, их составы отражают эволюцию магмы в очаге. Тефры с наиболее кислыми стеклами соответствуют выносу максимально дифференцированного вещества, эволюционировавшего в очаге длительное время без значительного притока свежей магмы, пирокластика с наиболее основными стеклами свидетельствует о поступлении в очаг и быстром выносе на поверхность свежих, наименее дифференцированных магм. Соответственно, нисходящий тренд содержания SiO₂ характеризует постепенное замещение дифференцированной магмы свежими порциями, а восходящий — замедление подачи свежей магмы и постепенное преобладание дифференцированных разностей в очаге. Повышение содержания SiO₂, после 1.5 тыс. л. н. (см. рис. 4), может говорить о подготовке нового мощного извержения.

В целом, режим деятельности вулкана за последние 10 тыс. лет весьма необычен (см. рис. 4). В раннем и среднем голоцене (до 4000 лет назад) крупные и умеренные эксплозивные извержения происходили достаточно регулярно, промежуток между извержениями составлял в среднем около 200 лет. Однако после 4000 лет назад режим активности существенно изменился. Между эксплозивными извержениями стали наблюдаться длительные (до 900 лет) перерывы, за которыми следовали одно или несколько извержений с промежутком в 100–250 лет. Последний длительный период “затишья” завершился извержением ZV-40 и, если предположенная закономерность верна, в ближайшие 100 лет на вулкане Заварицкого следует ожидать достаточно сильное эксплозивное извержение.

ВЫВОДЫ

1. Вулкан Заварицкого в голоцене был одним из самых активных вулканов Курильской островной дуги.
2. Вулканические стекла голоценовой пирокластики в. Заварицкого по составу отвечают низкокалиевым андезибазальтам–риолитам и обнаруживают волнообразные вариации от 55 до 75 мас. % SiO₂. Самые кремнекислые (риолитовые) стекла отмечены в пемзах самого первого голоценового извержения ZV-1.
3. Сильнейшим извержением было извержение ZV-1, которое произошло около 9.5 тыс. л. н. Извержение имело магнитуду 6.4. Тефра этого извержения распространилась как минимум на 4500 км на СВ. Объем тефры составил около 37 км³. В связи со своим широким распространением и особенностями вещественного состава, тефра ZV-1 может служить прекрасным маркером для корреляции и синхронизации морских и наземных палеоархивов на огромной территории от Охотского моря до СЗ части Северной Америки.
4. Тефра последовавшего за ним извержения ZV-3 распространялась на расстояние не менее 700 км. Объем тефры составил около 5.5 км³.
5. Повышение содержания SiO₂ в стекле последнего крупного извержения ZV-40 (произошедшего около 1830–1850 гг.) до раннеголоценовых значений, совпадающее с увеличением магнитуды извержения, а также длительный период покоя перед этим извержением могут свидетельствовать о подготовке нового мощного эксплозивного извержения в ближайшие 100 лет.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-17-00074, https://rscf.ru/project/22-17-00074/.

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.

About the authors

O. V. Dirksen

Institute of Volcanology and Seismology FEB RAS

Author for correspondence.
Email: oleg.dirksen@gmail.com
Russian Federation, bulvar Piipa, 9, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

V. V. Ponomareva

Institute of Volcanology and Seismology FEB RAS

Email: oleg.dirksen@gmail.com
Russian Federation, bulvar Piipa, 9, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

E. A. Zelenin

Geological Institute RAS

Email: oleg.dirksen@gmail.com
Russian Federation, Pyzhevsky lane, 7, bld. 1, Moscow, 119017

P. Yu. Plechov

Fersman Mineralogical Museum RAS

Email: oleg.dirksen@gmail.com
Russian Federation, Leninsky prosp., 18, bld. 2, Moscow, 119071

T. M. Philosofova

Institute of Volcanology and Seismology FEB RAS

Email: oleg.dirksen@gmail.com
Russian Federation, bulvar Piipa, 9, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683006

A. V. Rybin

Institute of Marine Geology and Geophysics FEB RAS

Email: oleg.dirksen@gmail.com
Russian Federation, Nauki str., 1B, Yuzhno-Sakhalinsk, 693022

References

Supplementary files