Изучение магматических питающих систем вулканов, корней вулканов, является одной из основных задач вулканологии. К числу главных объектов таких исследований принадлежит Ключевская группа вулканов (КГВ) наиболее мощная на островных дугах и в зонах поддвига литосферных плит. Сообщается о всесторонних исследованиях, которые ведутся здесь с 1931 г. Приводится ряд показательных результатов, полученных с 1960-х годов при изучении источников магм, извержений, землетрясений, деформаций и глубинного строения КГВ. При их рассмотрении учитываются данные физической вулканологии о механизме вулканической деятельности и данные петрологии о формировании магм. В магматической питающей системе КГВ и ее геофизической модели выделяются следующие пять частей: источник энергии и вещества у верхней границы тихоокеанского сейсмофокального на глубине около 160 км, область подъема магм в астеносфере, область накопления магм в коромантийном слое на глубинах 40-25 км, магматические очаги и каналы в земной коре, основания построек вулканов. Рассматриваются и объясняются свойства, связь этих частей, механизм деятельности вулканов и магматической питающей системы КГВ в ее современном состоянии. Имеются способы расчета магматических каналов, очагов, количества магмы в системе и других ее свойств.

An instrument package for simulating basaltic eruptions (IPSBE) with a height of 18 m has been developed for investigating the processes that occur during Strombolian eruptions. The device follows the geometrical ratio between the actual plumbing system of a volcano, with the ratio of conduit diameter to conduit height being 1 to 1000. For the first time in physical modeling studies, we created conditions in which a moving gassaturated model liquid enters the conduit; this enabled us to study bubble nucleation, expansion, and coalescence, the generation and transformation of gas structures, and the kinetic features shown by the evolution of the gas phase. These experiments revealed a novel (previously unknown) flow pattern of two phase mixtures in a vertical column, viz., a cluster flow that involves the regular alternation of compact clusters of gas bubbles that are separated by a fluid that does not involve a free gas phase. It is shown that the liquid, bubble, cluster, and slug flow patterns are mutually transformed under certain conditions; they are polymorphous modifications of a gassaturated liquid moving in a vertical pipe. The data thus acquired suggested a new model for the gas–liquid movement of a magma melt in a conduit: depending on the type of gas–liquid flow behavior at the vent, the crater will exhibit different types of explosive activity, including actual explosions.

Klyuchevskoy volcano, in Kamchatka’s subduction zone, is one of the most active arc volcanoes in the world and contains some of the highest δ18O values for olivines and basalts. We present an oxygen isotope and melt inclusion study of olivine phenocrysts in conjunction with major and trace element analyses of 14C- and tephrochronologically-dated tephra layers and lavas spanning the eruptive history of Klyuchevskoy. Whole-rock and groundmass analyses of tephra layers and lava samples demonstrate that both high-Mg (7–12.5 wt% MgO) and high-Al (17–19 wt% Al2O3, 3–6.5 wt% MgO) basalt and basaltic andesite erupted coevally from the central vent and flank cones. Individual and bulk olivine δ18O range from normal MORB values of 5.1‰ to values as high as 7.6‰. Likewise, tephra and lava matrix glass have high-δ18O values of 5.8–8.1‰. High-Al basalts dominate volumetrically in Klyuchevskoy’s volcanic record and are mostly high in δ18O. High-δ18O olivines and more normal-δ18O olivines occur in both high-Mg and high-Al samples. Most olivines in either high-Al or high-Mg basalts are not in oxygen isotopic equilibrium with their host glasses, and Δ18Oolivine–glass values are out of equilibrium by up to 1.5‰. Olivines are also out of Fe–Mg equilibrium with the host glasses, but to a lesser extent. Water concentrations in olivine-hosted melt inclusions from five tephra samples range from 0.4 to 7.1 wt%. Melt inclusion CO2 concentrations vary from below detection (<50 ppm) to 1,900 ppm. These values indicate depths of crystallization up to ~17 km (5 kbar). The variable H2O and CO2 concentrations likely reflect crystallization of olivine and entrapment of inclusions in ascending and degassing magma. Oxygen isotope and Fe–Mg disequilibria together with melt inclusion data indicate that olivine was mixed and recycled between high-Al and high-Mg basaltic melts and cumulates, and Fe–Mg and δ18O re-equilibration processes were incomplete. Major and trace elements in the variably high-δ18O olivines suggest a peridotite source for the parental magmas. Voluminous, highest in the world with respect to δ18O, and hydrous basic volcanism in Klyuchevskoy and other Central Kamchatka depression volcanoes is explained by a model in which the ascending primitive melts that resulted from the hydrous melt fluxing of mantle wedge peridotite, interacted with the shallow high-δ18O lithospheric mantle that had been extensively hydrated during earlier times when it was part of the Kamchatka forearc. Following accretion of the Eastern Peninsula terrains several million years ago, a trench jump eastward caused the old forearc mantle to be beneath the presently active arc. Variable interaction of ascending flux-melting-derived melts with this older, high-δ18O lithospheric mantle has produced mafic parental magmas with a spectrum of δ18O values. Differentiation of the higher δ18O parental magmas has created the volumetrically dominant high-Al basalt series. Both basalt types incessantly rise and mix between themselves and with variable in δ18O cumulates within dynamic Klyuchevskoy magma plumbing system, causing biannual eruptions and heterogeneous magma products.

Большая часть Камчатки покрыта почвенно-пирокластическим чехлом, который представляет собой непрерывно накапливающийся "слоёный пирог", состоящий из горизонтов тефры и погребенных почв. Пеплы крупнейших извержений образуют чёткие маркирующие прослои во вмещающих отложениях, которые прослеживаются на огромных территориях. Толща между маркирующими прослоями пеплов имеет также пирокластическую природу и включает как продукты менее мощных или дальних извержений, так и вторично переотложенные пеплы [2]. В данной работе представлены результаты исследования физико-химических свойств вулканических пеплов, представленных как пеплами-маркерами, так и неопознанной тефрой.
В работе использовались следующие экспериментальные методы исследования:
- гранулометрический состав определялся пипеточным методом (ГОСТ…).
- теплопроводные характеристики вулканических пеплов определяли методом регулярного режима I рода [7].
- фазовый состав влаги и температура начала замерзания определялись криоскопическим и контактным методами [7].
- минеральный анализ определен на ИК-спектрометре ФСМ-1201 (Россия) в интервале 400-4000 cм-1 при комнатной температуре. Спектральное разрешение составляло 2,0 cм-1, абсолютная калибровочная ошибка волнового числа - не больше ±0,1 cм-1 [6]. Состав стекол этих пеплов был проанализирован на микрозонде "Jeol JSM-6480LV", энергодисперсионным спектрометром "INCA-Energy 350" (окно ATW-2) в Лаборатории локальных методов исследования вещества МГУ.
Были исследованы образцы вулканического пепла, отобранные в районе Ключевской группы вулканов и в долине р. Камчатка, в диапазоне высот 129-1650 м. Почти все пеплы относятся к голоценовым, за исключением образца, отобранного из отложений озерных диатомовых глин яра Половинка в долине р. Камчатки, возраст которых относится ко второй половине раннего плейстоцена (Q21). Образец представляет собой белый рыхлый витрокластический пепел кислого состава.
Согласно ГОСТ 25100-95 по гранулометрическому составу вулканические пеплы относятся к пескам пылеватым. По содержанию SiO2 вулканическое стекло исследуемых пеплов относится к трем типам: риолитовый, андезитовый и базальтовый. Согласно данным ИК-спектроскопии в камчатских пеплах с андезитовым и базальтовым стеклом был найден аллофан, с риолитовым стеклом - опал (аллофан - аморфный слоистый алюмосиликат, опал - минерал подкласса гидроксидов, не является глинистым минералом).
Получены следующие результаты исследования физ.-хим. свойств рассматриваемых пеплов.
Фазовый состав влаги. Впервые в наших исследованиях был получен фазовый состав влаги (т.е. содержание льда, незамерзшей воды и пара) в мерзлых вулканических пеплах Камчатки (ссылки на наши работы). Наиболее важная характеристика фазового состава влаги в мёрзлой породе - зависимость содержания незамерзшей воды Ww от температуры t. Экспериментально установлены зависимости содержания незамерзшей воды от температуры для мёрзлых вулканических пеплов в диапазоне температур от 0 до -15 оС, содержание Ww при температуре ниже -3 оС изменяется незначительно. Установлено, что, например, при температуре определения теплофизических характеристик -10оС в исследуемых образцах содержание незамерзшей воды изменяется от 0 до 11%. Это связано с преобразованием вулканического стекла и появлением глинистых минералов (аллофанов). Последние характеризуются большой удельной поверхностью, что и определяет появление разного количества незамерзшей воды.
Теплопроводные свойства. Получены экспериментальные данные по изучению теплопроводности вулканических пеплов для талого и мерзлого состояния в широком диапазоне влажности и плотности (ссылки на наши работы). При изменении влажности от 0 до 78% и плотности скелета ?d от 0,7 до 1,7 г/см3 коэффициент теплопроводности ? закономерно увеличивается от 0,13 до 1,0 Вт/(м·К) в талом и от 0,14 до 1,27 Вт/(м·К) в мерзлом состоянии. При этом не смотря на то, что вулканические пеплы по гранулометрическому составу относятся к пескам пылеватым, они очень сильно отличаются от последних. Так, сравнение данных по теплопроводности для вулканогенно-обломочных и осадочных дисперсных пород показало, что вулканические дисперсные породы имеют очень низкую теплопроводность как в талом, так и в мерзлом состоянии, что объясняется многими причинами, например, разностью теплопроводностей скелета пород (теплопроводности кварца и вулканического стекла отличаются в 3-4 раза), так и формой самих частиц.
Засоленность. Анализ засоленности пеплов показал, что по ГОСТ 25100-95 все исследованные пеплы, за исключением образца, отобранного из яра Половинка, относятся к незасоленным, суммарное содержание легкорастворимых солей в них около 0,02-0,03%; пепел из яра относится к сильно засоленным. По результатам химического анализа водной вытяжки этого пепла сумма солей составляет 1,815% от массы вещества, а по химическому составу представлена преимущественно сульфатами (содержание SO42- составляет 1,242% от массы вещества). Также отмечено очень низкое pH=3,4.