Ключевые слова

2411-3336

2541-9404

Записки Горного института

Journal of Mining Institute

Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ

Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University

RPIBWW

pmi-16305

https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16305

Геология

Geology

Magmatic system of the Klyuchevskoy volcano according to seismic data and their geomechanical interpretation

Магматическая система Ключевского вулкана по сейсмическим данным и их геомеханической интерпретации

Kiryukhin

Aleksei V.

Кирюхин

А. В.

Kiryukhin

Aleksei V.

AVKiryukhin2@mail.ru

0000-0001-5468-1452

Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (Петропавловск-Камчатский, Россия) Institute of Volcanology and Seismology FEB RAS (Petropavlovsk-Kamchatsky, Russia)

Bergal-Kuvikas

Olga V.

Бергаль-Кувикас

О. В.

Bergal-Kuvikas

Olga V.

kuvikas@mail.ru

0000-0003-0079-507X

Lemzikov

Mikhail V.

Лемзиков

М. В.

Lemzikov

Mikhail V.

lemzikov@kscnet.ru

0009-0005-4349-6231

Zhuravlev

Nikita B.

Журавлев

Н. Б.

Zhuravlev

Nikita B.

zhuravlev-95@mail.ru

0000-0001-6912-0471

27 10 2023

2023

263 698 714 14 08 2023 25 10 2023 27 10 2023

2023

А. В. Кирюхин, О. В. Бергаль-Кувикас, М. В. Лемзиков, Н. Б. Журавлев

Aleksei V. Kiryukhin, Olga V. Bergal-Kuvikas, Mikhail V. Lemzikov, Nikita B. Zhuravlev

Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0)

https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/16305

Выполнен 3D-анализ механизма транспорта и аккумуляции магмы в постройке и фундаменте Ключевского вулкана, предшествующего 11 извержениям в 2003-2021 гг. C использованием метода Frac-Digger и сейсмологических данных Камчатского филиала Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН» показано, что транспорт магмы из глубокого корового магматического очага (–30 км) осуществляется в режиме вертикального гидроразрыва (дайки) до периферического малоглубинного магматического очага (+1 км). Ориентация подводящих даек соответствует геомеханическим условиям радиального или С-ССВ растяжения. Вслед за этим в периферическом магматическом очаге фиксируются наклонные дайки и силлы различной ориентации. Аккумуляция магмы в периферическом магматическом очаге в виде силлов (в режиме горизонтального гидроразрыва на отметках от +0,3 до +2,3 км) способствует повышению эффективности дегазации магмы и теплообмена с метеорными водами, формированию парогазового резервуара высокого давления с последующей продувкой канала вулкана и его извержением. Трехмерный анализ распределения побочных извержений Ключевского вулкана в 1932-2021 гг. (16 побочных конусов) показывает их приуроченность к двум магистральным слабонаклонным структурным поверхностям. Изменение уровня дренирования магматической системы находит отражение в объемах и геохимической истории продуктов побочных извержений 1932-2021 гг.

3D analysis of the magma transport and accumulation mechanism in the structure and basement of the Klyuchevskoy volcano preceding 11 eruptions in 2003-2021 has been performed. Using the Frac-Digger method and seismological data from the Kamchatka Branch Federal Research Center United Geophysical Survey Russia Academy of Sciences it has been shown that magma transport from the deep crustal magma chamber (−30 km) is carried out in the vertical fracturing (dykes) mode to the peripheral shallow magma chamber (+1 km). The feeding dykes orientation corresponds to geomechanical conditions of radial or N-NNE extension. This is followed by inclined dykes and sills of various orientations from the peripheral magmatic chamber. Magma accumulation in the peripheral magmatic chamber in the form of sills (in the horizontal fracturing mode at elevations of +0,3 to +2,3 km) contributes to the efficiency of magma degassing and heat exchange with meteoric waters, and to the formation of a high-pressure vapour-gas reservoir with subsequent venting of the volcano channel and its eruption. Three-dimensional analysis of the distribution of flank eruptions of the Klyuchevskoy volcano in 1932-2021 (16 cinder cones) shows their association with two main low-inclined structural surfaces. Changes in the drainage level of the magmatic system are reflected in the volumes and geochemical history of the 1932-2021 flank eruption products.

Ключевые слова вулкан Ключевской магма дайка Frac-Digger

Keywords volcano Klyuchevskoy magma dyke Frac-Digger

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда «Исследования магмо-газо-водопроводящих систем активных вулканов» № 23-27-00127.

The research was supported by the grant of the Russian Science Foundation “Studies of magma-gas-water-conducting systems of active volcanoes” N 23-27-00127.

Кирюхин А.В. Геотермофлюидомеханика гидротермальных, вулканических и углеводородных систем. СПб: Эко-Вектор Ай-Пи, 2020. 431 c.

Kiryukhin A.V. Geothermofluidomechanics hydrothermal, volcanic and hydrocarbon system. Saint-Petersburg: Eco-Vector I.P., 2020. 431 p. (in Russian).

Reed M., Palandri J. Ascent and cooling of magmatic fluids: Precipitation of vein and alteration minerals / Water-Rock Interaction XIII. London: Taylor & Francis Group, 2010. 1008 p.

Reed M., Palandri J. Ascent and cooling of magmatic fluids: Precipitation of vein and alteration minerals. Water-Rock Interaction XIII. London: Taylor & Francis Group, 2010. 1008 p.

Кирюхин А.В., Федотов С.А., Кирюхин П.А. Магматические системы и условия глубинной гидротермальной циркуляции Ключевской группы вулканов по данным локальной сейсмичности и термогидродинамического моделирования // Вулканология и сейсмология. 2018. № 4. С. 3-14. DOI: 10.1134/S020303061804003X

Kiryukhin A.V., Fedotov S.A., Kiryukhin P.A. Magmatic systems and the conditions for hydrothermal circulation at depth in the Klyuchevskoi volcanic cluster as inferred from observations of local seismicity and thermo-hydrodynamic simulation. Journal of Volcanology and Seismology. 2018. Vol. 12. N 4, p. 231-241. DOI: 10.1134/S020303061804003X

Дядькин Ю.Д. Основы геотермальной технологии. Л.: Ленинградский горный институт, 1985. 175 с.

Dyadkin Yu. D. Principles of Geothermal Technology. Leningrad: Leningrad Mining Institute, 1985. 175 p.

Гирина О.А., Гордеев Е.И., Озеров А.Ю. и др. 30 лет Камчатской группе реагирования на вулканические извержения (KVERT) // Материалы XXVI ежегодной научной конференции, посвященной Дню вулканолога «Вулканизм и связанные с ним процессы», 30-31 марта 2023, Петропавловск-Камчатский. Петропавловск-Камчатский: Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, 2023. С. 34-37.

Girina O.A., Gordeev E.I., Ozerov A.Yu. et al. 30 years of Kamchatka Volcanic Eruption Response Team / Volcanism and related processes. Proceedings of the XXVI annual scientific conference dedicated to the Volcanologist Day, 30-31 March 2023. – Petropavlovsk-Kamchatsky: IVS FEB RAS, 2023, p. 34-37 (in Russian).

Azizah Al Shehri, Gudmundsson A. Modelling of surface stresses and fracturing during dyke emplacement: Application to the 2009 episode at Harrat Lunayyir, Saudi Arabia // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2018. Vol. 356. P. 278-303. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2018.03.011

Azizah Al Shehri, Gudmundsson A. Modelling of surface stresses and fracturing during dyke emplacement: Application to the 2009 episode at Harrat Lunayyir, Saudi Arabia. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2018. Vol. 356, p. 278-303. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2018.03.011

Drymoni K., Russo E., Tibaldi A. et al. Dyke-induced graben formation in a heterogeneous succession on Mt. Etna: Insights from field observations and FEM numerical models // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2023. Vol. 433. № 107712. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2022.107712

Drymoni K., Russo E., Tibaldi A. et al. Dyke-induced graben formation in a heterogeneous succession on Mt. Etna: Insights from field observations and FEM numerical models. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2023. Vol. 433. N 107712. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2022.107712

Drymoni K., Browning J., Gudmundsson A. Dyke-arrest scenarios in extensional regimes: Insights from field observations and numerical models, Santorini, Greece // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2020. Vol. 396. № 106854. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2020.106854

Drymoni K., Browning J., Gudmundsson A. Dyke-arrest scenarios in extensional regimes: Insights from field observations and numerical models, Santorini, Greece. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2020. Vol. 396. N 106854. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2020.106854

Rivalta E., Taisne B., Bunger A.P., Katz R.F. A review of mechanical models of dike propagation: Schools of thought, results and future directions // Tectonophysics. 2015. Vol. 638. P. 1-42. DOI: 10.1016/j.tecto.2014.10.003

Rivalta E., Taisne B., Bunger A.P., Katz R.F. A review of mechanical models of dyke propagation: Schools of thought, results and future directions. Tectonophysics. 2015. Vol. 638, p. 1-42. DOI: 10.1016/j.tecto.2014.10.003

Woods J., Winder T., White R.S., Brandsdóttir B. Evolution of a lateral dike intrusion revealed by relatively-relocated

Woods J., Winder T., White R.S., Brandsdóttir B. Evolution of a lateral dike intrusion revealed by relatively-relocated dike-induced earthquakes: The 2014–15 Bárðarbunga–Holuhraun rifting event, Iceland. Earth and Planetary Science Letters. 2018. Vol. 506, p. 53-63. DOI: 10.1016/j.epsl.2018.10.032

dike-induced earthquakes: The 2014–15 Bárðarbunga–Holuhraun rifting event, Iceland // Earth and Planetary Science Letters. 2018. Vol. 506. P. 53-63. DOI: 10.1016/j.epsl.2018.10.032

Fedotov S.A. Magmatic feeding systems and mechanism of volcanic eruptions. Moscow: Nauka, 2006. 455 p.

Федотов С.А. Магматические питающие системы и механизм извержений вулканов. М.: Наука, 2006. 455 с.

Bergal-Kuvikas O., Nakagawa M., Kuritani T. et al. A petrological and geochemical study on time-series samples from Klyuchevskoy volcano, Kamchatka arc. Contributions to Mineralogy and Petrology. 2017. Vol. 172. N 35. DOI: 10.1007/s00410-017-1347-z

Bergal-Kuvikas O., Nakagawa M., Kuritani T. et al. A petrological and geochemical study on time-series samples from Klyuchevskoy volcano, Kamchatka arc. // Contributions to Mineralogy and Petrology 2017. Vol. 172. № 35. DOI: 10.1007/s00410-017-1347-z

Ozerov A.Yu. Klyuchevskoy volcano: rocks, dynamics, model. Moscow: GEOS, 2019, p. 306. (in Russian).

Озеров А.Ю. Ключевской вулкан: вещество, динамика, модель. М.: Геос, 2019. 306 с.

Fedotova S.A., Zharinova N.A., Gontovaya L.I. The Magmatic System of the Klyuchevskaya Group of Volcanoes Inferred from Data on Its Eruptions, Earthquakes, Deformation, and Deep Structure. Journal of Volcanology and Seismology. 2010. Vol. 4. N 1, p. 1-33. DOI: 10.1134/S074204631001001X

Fedotova S.A., Zharinova N.A., Gontovaya L.I. The Magmatic System of the Klyuchevskaya Group of Volcanoes Inferred from Data on Its Eruptions, Earthquakes, Deformation, and Deep Structure // Journal of Volcanology and Seismology. 2010. Vol. 4. № 1. P. 1-33. DOI: 10.1134/S074204631001001X

Koulakov I., Gordeev E.I., Dobretsov N.L. et al. Rapid changes in magma storage beneath the Klyuchevskoy group of volcanoes inferred from time-dependent seismic tomography. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2013. Vol. 263, p. 75-91. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2012.10.014

Koulakov I., Gordeev E.I., Dobretsov N.L. et al. Rapid changes in magma storage beneath the Klyuchevskoy group of volcanoes inferred from time-dependent seismic tomography // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2013. Vol. 263. P. 75-91. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2012.10.014

Koulakov I., Abkadyrov I., Nassir Al Arifi et al. Three different types of plumbing system beneath the neighboring active volcanoes of Tolbachik, Bezymianny, and Klyuchevskoy in Kamchatka. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2017. Vol. 122, p. 3852-3874. DOI: 10.1002/2017JB014082

Koulakov I., Abkadyrov I., Nassir Al Arifi et al. Three different types of plumbing system beneath the neighboring active volcanoes of Tolbachik, Bezymianny, and Klyuchevskoy in Kamchatka // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2017. Vol. 122. P. 3852-3874. DOI: 10.1002/2017JB014082

Koulakov I., Shapiro N.M., Sens-Schönfelder C. et al. Mantle and crustal sources of magmatic activity of Klyuchevskoy and surrounding volcanoes in Kamchatka inferred from earthquake tomography. Journal of Geophysical Research: Solid Earth. Vol. 125. N e2020JB020097. DOI: 10.1029/2020JB020097

Koulakov I., Shapiro N.M., Sens-Schönfelder C. et al. Mantle and crustal sources of magmatic activity of Klyuchevskoy and surrounding volcanoes in Kamchatka inferred from earthquake tomography // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. Vol. 125. № e2020JB020097. DOI: 10.1029/2020JB020097

Koulakov I., Plechov P., Mania R. et al. Anatomy of the Bezymianny volcano merely before an explosive eruption on 20.12.2017. Scientific Reports Springer Nature. 2021. Vol. 19. N 11. N 1758. DOI: 10.1038/s41598-021-81498-9

Koulakov I., Plechov P., Mania R. et al. Anatomy of the Bezymianny volcano merely before an explosive eruption on 20.12.2017 // Scientific Reports Springer Nature. 2021. Vol. 19. № 11. № 1758. DOI: 10.1038/s41598-021-81498-9

Shapiro N.M., Droznin D.V., Droznina S.Ya. et al. Deep and shallow long-period volcanic seismicity linked by fluid-pressure transfer. Nature Geosciences. 2017. Vol. 10, p. 442-445. DOI: 10.1038/NGEO2952

Shapiro N.M., Droznin D.V., Droznina S.Ya. et al. Deep and shallow long-period volcanic seismicity linked by fluid-pressure transfer // Nature Geosciences. 2017. Vol. 10. P. 442-445. DOI: 10.1038/NGEO2952

Mironov N.L., Portnyagin M.V. H2O and CO2 in parental magmas of Kliuchevskoi volcano inferred from study of melt and fluid inclusions in olivine. Russian Geology and Geophysics. 2011. Vol. 52 (11), p. 1353-1367. DOI:10.1016/j.rgg.2011.10.007

Mironov N.L., Portnyagin M.V. H2O and CO2 in parental magmas of Kliuchevskoi volcano inferred from study of melt and fluid inclusions in olivine // Russian Geology and Geophysics. 2011. Vol. 52 (11). P. 1353-1367. DOI:10.1016/j.rgg.2011.10.007

Fournier R.O., Pitt A.M. The Yellowstone Magmatic-Hydrothermal System. Davis, CA, USA: Geothermal Resources Council, 1985, p. 319-327.

Fournier R.O., Pitt A.M. The Yellowstone Magmatic-Hydrothermal System. Davis, CA, USA: Geothermal Resources Council, 1985. P. 319-327.

Sahoo S., Tiwari D., Panda D. et al Eruption cycles of Mount Etna triggered by seasonal climatic rainfall. Journal of Geodynamics. 2022. Vol. 149. N 101896. DOI: 10.1016/j.jog.2021.101896

Sahoo S., Tiwari D., Panda D. et al Eruption cycles of Mount Etna triggered by seasonal climatic rainfall // Journal of Geodynamics. 2022. Vol. 149. № 101896. DOI: 10.1016/j.jog.2021.101896

Gudmundsson A. How local stresses control magma-chamber ruptures, dyke injections, and eruptions in composite volcanoes. Earth-Science Reviews. 2006. Vol. 79. Iss.1-2, p. 1-31. DOI: 10.1016/j.earscirev.2006.06.006

Gudmundsson A. How local stresses control magma-chamber ruptures, dyke injections, and eruptions in composite volcanoes // Earth-Science Reviews. 2006. Vol. 79. Iss.1-2. P. 1-31. DOI: 10.1016/j.earscirev.2006.06.006

Gudmundsson A. Introduction // Volcanotectonics: Understanding the Structure, Deformation and Dynamics of Volcanoes. Cambridge: Cambridge University Press. 2020, p. 1-33. DOI: 10.1017/9781139176217.002

Gudmundsson A. Introduction // Volcanotectonics: Understanding the Structure, Deformation and Dynamics of Volcanoes. Cambridge: Cambridge University Press. 2020. P. 1-33. DOI: 10.1017/9781139176217.002

Senyukov S.L. Monitoring and Prediction of Volcanic Activity in Kamchatka from Seismological Data: 2000-2010. Journal of Volcanology and Seismology. 2013. Vol. 7. N 1, p. 86-97 (in Russian). DOI: 10.7868/S0203030613010070

Сенюков С.Л. Мониторинг и прогноз активности вулканов Камчатки по сейсмологическим данным в 2000-2010 гг. // Вулканология и сейсмология. 2013. № 1. С. 96-108. DOI: 10.7868/S0203030613010070

Chebrov V.N., Droznin D.V., Kugaenko Yu.A. et al. The System of Detailed Seismological Observations in Kamchatka in 2011. Journal of Volcanology and Seismology. 2013. Vol. 7. N 1, p. 18-40 (in Russian). DOI: 10.7868/S0203030613010021

Чебров В.Н., Дрознин Д.В., Кугаенко Ю.А. и др. Система детальных сейсмологических наблюдений на Камчатке в 2011 г. // Вулканология и сейсмология. 2013. № 1. C. 18-40. DOI: 10.7868/S0203030613010021

Chebrova A.Yu., Chemarev A.S., Matveenko E.A., Chebrov D.V. Seismological data information system in Kamchatka Branch of GS RAS: organization principles, main elements and key functions. Geophysical Research. 2020. Vol. 21. N 3, p. 66-91 (in Russian). DOI: 10.21455/gr2020.3-5

Чеброва А.Ю., Чемарев А.С., Матвеенко Е.А. и др. Единая информационная система сейсмологических данных в Камчатском филиале ФИЦ ЕГС РАН: принципы организации, основные элементы, ключевые функции // Геофизические исследования. 2020. Т. 21. № 3. С. 66-91. DOI: 10.21455/gr2020.3-5

Girina O.A., Ozerov A.Yu., Melnikov D.V. et al. Avachinsky Volcano: monitoring and main eruption characteristics. Volcanism and related processes. Proceedings of the XXVI annual scientific conference dedicated to the Volcanologist Day, March, 28-29, 2019, Petropavlovsk-Kamchatsky. Petropavlovsk-Kamchatsky: IVS FEB RAS, 2019, p.11-14 (in Russian).

Гирина О.А., Озеров А.Ю., Мельников Д.В. и др. Вулкан Авачинский: мониторинг и основные характеристики извержений // вулканизм и связанные с ним процессы: Материалы XXII Всероссийской научной конференции, посвящённой Дню вулканолога, 28-29 марта 2019, Петропавловск-Камчатский. Петропавловск-Камчатский: Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, 2019. С.11-14.

Coppola D., Laiolo M., Massimetti F. et al. Thermal remote sensing reveals communication between volcanoes of the Klyuchevskoy Volcanic Group. Scientific Reports. 2021. Vol. 11. N 13090. DOI: 10.1038/s41598-021-92542-z

Coppola D., Laiolo M., Massimetti F. et al. Thermal remote sensing reveals communication between volcanoes of the Klyuchevskoy Volcanic Group // Scientific Reports. 2021. Vol. 11. № 13090. DOI: 10.1038/s41598-021-92542-z

Senyukov S. Activity of volcanoes in Kamchatka: monitoring and forecasting. Science in Russia. 2014. N 6 (203), p. 67-75. (in Russian). EDN TFNUST

Сенюков С. Активность вулканов Камчатки: мониторинг и прогноз // Наука в России. 2014. № 6 (203). С. 67-75. EDN TFNUST

Zoback M. D. Reservoir Geomechanics. Cambridge University Press. 2010. 448 p.

Zoback M. D. Reservoir Geomechanics. Cambridge University Press, 2010. 448 p.

Cherkashin R I., Bergal-Kuvikas O.V., Chugaev A.V. et al. Conditions and Magmas Sources of the Summit and Flank Eruptions of Klyuchevskoy Volcano in 2020-2021: Isotope (Sr–Nd–Pb–O)-geochemical data. Petrology. 2023. Vol. 31. N 3, p. 304-319. DOI.org/10.1134/S0869591123030037

Черкашин Р.И., Бергаль-Кувикас О.В., Чугаев А.В. и др. Условия генерации и источники магм вершинного и побочного извержений вулкана Ключевской в 2020-2021 гг.: изотопно-геохимические (Sr-Nd-Pb-O) данные // Петрология. 2023. T. 31. № 3. С. 264-280. DOI: 10.31857/S0869590323030032

Gudmundsson A. Deflection of dykes into sills at discontinuities and magma-chamber formation. Tectonophysics. 2011. Vol. 500, p. 50-64. DOI: 10.1016/j.tecto.2009.10.015

Gudmundsson A. Deflection of dykes into sills at discontinuities and magma-chamber formation // Tectonophysics. 2011. Vol. 500. P. 50-64. DOI: 10.1016/j.tecto.2009.10.015

Clunes M., Browning J., Marquardt C. et al. Inclination and heterogeneity of layered geological sequences influence dike-induced ground deformation. Geology. 2023. Vol. 51 (3), p. 278-283. DOI: 10.1130/G50464.1

Clunes M., Browning J., Marquardt C. et al. Inclination and heterogeneity of layered geological sequences influence dike-induced ground deformation // Geology. 2023. Vol. 51 (3). P. 278-283. DOI: 10.1130/G50464.1

Gudmundsson A. The propagation paths of fluid-driven fractures in layered and faulted rocks. Geological Magazine. 2023. Vol. 159, p. 1978-2001. DOI: 10.1017/S0016756822000826

Gudmundsson A. The propagation paths of fluid-driven fractures in layered and faulted rocks // Geological Magazine. 2023. Vol. 159. P. 1978-2001. DOI: 10.1017/S0016756822000826

Talovina I.V., Krikun N.S., Yurchenko Yu.Yu., Ageev A.S. Remote sensing techniques in the study of structural and geotectonic features of Iturup Island (the Kuril Islands). Journal of Mining Institute. 2022. Vol. 254, p. 158-172. DOI: 10.31897/PMI.2022.45

Таловина И.В., Крикун Н.С., Юрченко Ю.Ю. и др. Дистанционные методы исследования в изучении структурно-геологических особенностей строения о. Итуруп (Курильские острова) // Записки Горного института. 2022. Т. 254. С. 158-172. DOI: 10.31897/PMI.2022.45

Alekseev V.I. Deep structure and geodynamic conditions of granitoid magmatism in the Eastern Russia. Journal of Mining Institute. 2020. Vol. 243, p. 259-265. DOI: 10.31897/PMI.2020.3.259

Алексеев В.И. Глубинное строение и геодинамические условия гранитоидного магматизма Востока России // Записки Горного института. 2020. Т. 243. С. 259-265. DOI: 10.31897/PMI.2020.3.259