КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-17-00075

НазваниеСтруктура и динамика активных магматических систем

РуководительКулаков Иван Юрьевич, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (45).

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-110 - Вулканология

Ключевые словавулканы, магматическая система, сейсмическая томография, землетрясения, Камчатка, Курильские острова

Код ГРНТИ37.00.00

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
За время реализации РНФ 20-17-00075 достигнут значимый прогресс в понимании принципов работы систем питания активных вулканов, выявлении флюидонасыщенных зон и магматических очагов. В случае продления проекта, работа будет продолжена с акцентом на возможном использовании этой информации для разведки ресурсов геотермальной энергии. Внутреннее тепло Земли - практически неисчерпаемый источник энергии, которую возможно извлекать с относительно небольшими финансовыми затратами и нагрузкой на окружающую среду. Вызовы современности, связанные с усилиями человечества сократить количество выделяемых парниковых газов, ведут к ускорению развития альтернативных источников энергии, среди которых геотермальная энергетика представляется одной из наиболее перспективных. Ключевым этапом при разведке и разработке геотермальных ресурсов являются исследования земных недр методами геофизики, в основном сейсмическими. Планируется продолжить многомасштабные сейсмические исследования глубинного строения районов Камчатки, Курильских островов и других областей мира с аномальным геотермальным фоном. При этом будут использованы собственные данные, полученные участниками проекта в ходе полевых работ, а также архивные материалы и данные, предоставленные коллегами из других организаций. (Иностранные коллеги предоставляют данные своих сейсмических сетей для томографического моделирования нашими алгоритмами и будут входить в соавторы публикаций с результатами по ним.) Для обработки сейсмических данных и построения моделей будут применяться, в основном, собственные алгоритмы сейсмической томографии на объемных и поверхностных волнах. По объемным волнам кроме скоростей будет рассчитываться трехмерное распределение сейсмического затухания, как важного атрибута для определения состояния вещества в системе питания вулкана. Совместное использование данных по волнам Рэлея и Лява позволит выявить вертикально-трансверсальную анизотропию, что позволит сделать выводы о структурных особенностях магматических очагов и систем питания. Для изучения геометрии глубинных границ планируется использовать метод приемных функций. Главный этап полевых работ планируется на Камчатке летом 2023 года: на участке размером ~50 км, включающем вулканы Вилючинский, Горелый, Мутновский и Асача, на один год будет установлено до 35 широкополосных сейсмостанций. Наиболее плотная расстановка будет в районе Мутновской ГеоЭС, что позволит с высокой детальностью выявить сейсмические атрибуты гидротермальных резервуаров и их глубинных корней. Комплексная интерпретация результатов томографического моделирования по данным такой сети, с учетом существующей геолого-геофизической информации, позволит выявить перспективные зоны для развития геотермальной энергетики в этом районе. Будет проведена обработка ранее полученных по проекту сейсмических данных временной сети 2021-2022 гг. на о. Парамушир и построен каталог локальной сейсмичности. По данным объемных волн будут рассчитаны трехмерные модели сейсмических скоростей и затухания под северной частью острова. Это позволит проследить особенности глубинного строения, ответственные за высокую эруптивную активность вулкана Эбеко в период работы сети. Будет продолжено исследование вулканических областей мира, где наблюдается аномальный геотермальный фон, таких как кальдера Йеллоустоун, по которой участникам проекта доступен крупный набор данных о поверхностных и объемных волнах. Также будет продолжено изучение строения вулканов Аляски, Алеутских и Канарских островов. Планируется исследование глубинной структуры под молодыми базальтовыми полями - харратами в Саудовской Аравии, где предполагается наличие потенциальных источников геотермальной энергии. Главным результатом проекта станут детальные достоверные модели коры районов с интенсивными проявлениями современного вулканизма и геотермальной активности. С применением сейсмических подходов будет получена серия атрибутов для прогноза перспективных мест добычи геотермальной энергии.

Ожидаемые результаты
В результате установки для автономной работы сейсмической сети на территории вулканов Вилючинский-Горелый-Мутновский в 2023-2024 годах будут получены уникальные непрерывные сейсмические записи с трехкомпонентных широкополосных сейсмостанций в течение одного года. Дальнейшая обработка этих данных различными сейсмическими методами позволит принципиально улучшить понимание глубинных процессов, приводящих к активным вулканическим и геотермальным проявлениям на этой территории. Это, в свою очередь, будет важным шагом для поиска и освоения геотермальных ресурсов и построения новых мощностей геотермальной энергетики. В результате обработки сейсмических данных по временной сети, работавшей в северной части о. Парамушир в 2021-2022 годах, будет впервые получен каталог сейсмичности в этом районе. Предполагается, что распределение землетрясений можно будет связать с тектоническими и магматическими процессами, происходящими под островом. Кроме того, на основе полученных времен вступлений Р- и S-волн будет проведена томографическая инверсия и построение трехмерной модели распределения скоростей Vp, Vs, отношения Vp/Vs и сейсмического затухания. Ожидается, что на базе распределения этих параметров удастся определить форму магматического очага под вулканом Эбеко и другими участками вулканического хребта Вернадского. На основе информации о глубине верхней границы очага от поверхности можно будет оценить величину температурного градиента и определить наиболее перспективные участки для бурения скважин и построения геотермальной станции. Это позволит обеспечить город Северо-Курильск электроэнергией и теплом из геотермальных источников, что будет намного дешевле и экологичнее, чем работа дизельной электростанции, функционирующей в настоящее время на острове. Еще одним объектом для исследования будет кальдера Йеллоустоун в США. В распоряжении участников проекта имеется большой объем данных по поверхностным и объемным волнам в этом районе. Это дает возможность создать и апробировать алгоритм совместной инверсии различных типов данных, что позволит существенно повысить разрешение, которое недостижимо при реализации инверсии по отдельным наборам данных. Таким образом, результатом данного пункта будет новая методика совместной томографической инверсии данных по объемным и поверхностным волнам. При этом сами результаты, касающиеся этого уникального объекта, являющегося местом крупнейших суперизвержений, будут интересны мировой научной общественности и с большой долей вероятности будут опубликованы в журналах самого высокого рейтинга. По ходу реализации проекта его участники будут продолжать сотрудничество со специалистами со всего мира. (Как показывает опыт последних месяцев, известные события нисколько не снизили интенсивность научного общения членов проекта с зарубежными коллегами, которые по-прежнему готовы передавать нам локальные сейсмологические данные, зарегистрированные зарубежными сейсмостанциями, для томографического моделирования нашими методиками, и быть соавторами публикаций по результатам этих исследований.) Предполагается, что будут получены новые томографические модели по вулканам на Аляске, Алеутских и Канарских островах, Саудовской Аравии и других мест. По каждому этому случаю будут опубликованы статьи в высокорейтинговых журналах. Каждая такая модель внесет дополнительный вклад в понимание общих закономерностей функционирования магматических систем, что позволит лучше контролировать вулканическую активность и использовать ее энергию для нужд человека. Совместное использование для таких объектов моделей скоростей Р- и S-волн, сейсмического затухания, а также другой геолого-геофизической информации (из литературы и личного общения со специалистами) позволит лучше понять природу отдельных структур, например, разделить области накопления магмы от флюидных резервуаров. Эта информация является определяющей при планировании разведки и эксплуатации геотермальных месторождений.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году была продолжена работа с данными, полученными на предыдущих этапах реализации настоящего проекта (до продления), путем установки временной сейсмической сети в северной части острова Парамушир. Это исследование важно, прежде всего, потому что на территории сети расположен вулкан Эбеко, который проявлял перманентную активность по ходу работы сети. Полученные в результате обработки этих данных результаты дают возможность определить механизмы активизации вулкана и экстраполировать эту информацию на схожие вулканы мира. Помимо фундаментально научной значимости, данное исследование имеет очевидные практические приложения. На острове Парамушир расположен город Северо-Курильск, имеющий потребности в электроэнергии и отоплении. Информация о глубинном строении острова является необходимой для оценки геотермальных ресурсов, которые можно использовать для нужд города. В результате обработки сейсмических записей временной сети было выявлено более 400 локальных сейсмических событий. Времена вступлений от этих событий были использованы для томографической инверсии, результатом которой явились трехмерные модели аномалий скоростей Р- и S-волн, а также отношения Vp/Vs. Внутри постройки вулкана Эбеко на малых глубинах обнаружено высокоскоростное тело с повышенным Vp/Vs, которое состоит из консолидированных интрузивных пород с некоторым насыщением флюидами и расплавами. Аномалия с повышенным Vp/Vs расположена непосредственно под Юрьевскими горячими источниками и прослеживается вплоть до активных воронок вулкана Эбеко, что указывает на связь магматических, фреатических и гидротермальных процессов. Альтернативный подход обработки сейсмических данных основывается на методе сейсмической интерферометрии и заключается в выделении поверхностных волн из функции кросс-корреляции сейсмического сигнала по парам станций. Рассчитанные дисперсионные кривые групповых скоростей волн Рэлея были использованы для реализации томографической инверсии, результатом которой стала трехмерная модель распределения аномалий Vs под северной частью острова Парамушир. На малых глубинах в этой модели выявлена высокоскоростная аномалия, вытянутая вдоль хребта Вернадского и включающая в себя район вулкана Эбеко. Ниже глубины 4 км эта аномалия подстилается низкоскоростной аномалией, которая, по-видимому, отражает положение магматических источников, ответственных за извержения вулканических центров вдоль хребта Вернадского в голоцене. Под восточным склоном хребта Вернадского на глубине около 1 км прослеживается горизонтальный слой с пониженной скоростью, который интерпретируется нами, как зона проникновения и миграции метеорных вод. Эти результаты являются принципиально важными для оценки геотермальных ресурсов на острове Парамушир с целью их дальнейшего использования для нужд города Северо-Курильск. Некоторое отличие этого результата от модели, построенной на базе объемных волн, связано с различной разрешающей способностью методов, основанных на объемных и поверхностных волнах. В рамках проекта было продолжено исследование других вулканов мира, данные по которым имеются в открытых источниках, либо предоставлены нам зарубежными коллегами для последующих исследований и совместных публикаций. Накопление такой информации принципиально важно для выявления закономерностей между строением вулканов и их активностью, что является важным этапом для определения прогностических признаков для отдельных типов вулканов. В 2023 году завершены исследования и опубликованы статьи по трем вулканическим структурам: остров Тенерифе (Канарский архипелаг), Катмай и Августин (Аляска). В случае Тенерифе выявлено существенное утолщение коры под центральной частью острова и предложен механизм поршня, приводящий к вертикальному движению блока земной коры при постепенном нагружении продуктами извержения вулкана Тейде. Обнаружены локальные аномалии под активными вулканическими центрами, которые связываются с фонолитовыми магматическими резервуарами, ответственными за эксплозивные извержения. В томографической модели, построенной для Катмайского вулканического кластера, выявлен единый канал с высоким отношением Vp/Vs, который питает вулканы всей группы. На малых глубинах этот канал разбивается на отдельные ветви, ведущие к каждому из вулканов. Обнаружены особенности коры, связанные с извержением вулкана Новарупта в 1912 году. На основании этой модели и новых петрологических данных нами предложен механизм реализации этого извержения. В сейсмической модели вулкана Августин на малых глубинах внутри постройки обнаружена контрастная аномалия с очень высоким значением Vp, низким Vs и очень высоким Vp/Vs, которая маркирует твердое ядро вулкана, состоящее из магматических пород (высокое значение Vp), но сильно трещиноватое и насыщенное флюидами и частичным расплавом (низкое значение Vs). На больших глубинах, ниже уровня моря, обнаружена субвертикальная аномалия с высоким соотношением Vp/Vs, представляющая канал магмы.

 

Публикации

1. Беловежец Н.Н., Бережнев Я.М., Кулаков И.Ю., Яковлев А.В., Абраменков С.С., Смирнов С.З., Абкадыров И.Ф. Magma and hydrothermal sources below the northern part of Paramushir Island (Kuril Arc) inferred from ambient noise tomography Journal of Volcanology and Geothermal Research, 443, 107931 (год публикации - 2023) https://doi.org//10.1016/j.jvolgeores.2023.107931

2. Кулаков И.Ю., Кайси С.И., Избеков П.Э., Браун Б.Л. Structure of shallow magma sources beneath Augustine Volcano (Alaska) inferred from local earthquake tomography Journal of Volcanology and Geothermal Research, 444, 107965 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2023.107965

3. Рей-Девеса П., Бенитес К., Пруденсио Ж., Гутьеррес Л., Кортес-Морено Г., Титос М., Кулаков И., Зуккарелло Л., Ибанез Х.М. Volcanic Early Warning Using Shannon Entropy: Multiple Cases of Study Journal of Geophysical Research, Solid Earth, 128, e2023JB026684 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1029/2023JB026684

4. - Исследования И.Ю. Кулакова и его команды вошли в число лучших проектов РНФ за 10 лет ИНГГ, 9.11.2023 (год публикации - )