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.

Abstract We test two methods of 3-D acoustic source localization on volcanic explosions and small-scale jetting events at Karymsky Volcano, Kamchatka, Russia. Recent infrasound studies have provided evidence that volcanic jets produce low-frequency aerodynamic sound (jet noise) similar to that from man-made jet engines. For man-made jet noise, noise sources localize along the turbulent jet flow downstream of the nozzle. Discrimination of jet noise sources along the axis of a volcanic jet requires high resolution in the vertical dimension, which is very difficult to achieve with typical volcano-acoustic network geometries. At Karymsky Volcano, an eroded edifice (Dvor Caldera) adjacent to the active cone provided a platform for the deployment of five infrasound sensors in July 2012 with intra-network relief of ~ 600 m. The network was designed to target large-scale jetting, but unfortunately only small-scale jetting and explosions were recorded during the 12-day experiment. A novel 3-D inverse localization method, srcLoc, is tested and compared against a more common grid-search semblance technique. Simulations using synthetic signals show that srcLoc is capable of determining vertical solutions to within ± 150 m or better (for signal-to-noise ratios ≥ 1) for this network configuration. However, srcLoc locations for explosions and small-scale jetting at Karymsky Volcano show a persistent overestimation of source elevation and underestimation of sound speed. The semblance method provides more realistic source locations, likely because it uses a fixed, realistic sound speed of ~ 340 m/s. Explosion waveforms exhibit amplitude relationships and waveform distortion strikingly similar to those theorized by modeling studies of wave diffraction around the crater rim. We suggest that the delay of acoustic signals and apparent elevated source locations are due to raypaths altered by topography and/or crater diffraction effects, implying that topography in the vent region must be accounted for when attempting 3-D volcano acoustic source localization. Though the data presented here are insufficient to resolve small-scale jet noise sources, similar techniques may be successfully applied to large volcanic jets in the future.

О возможности использования термомагнитных параметров для идентификации вулканических пеплов

Three-dimensional structural images of the P-wave velocity below the edifice of the great Klyuchevskoy group of volcanoes in central Kamchatka are derived via tomographic inversion. The structures show a distinct low velocity feature extending from around 20 km depth to 35 km depth, indicating evidence of magma ponding near the Moho discontinuity. The extensive low velocity feature represents, at least to some degree, the source of the large volume of magma currently erupting at the surface near the Klyuchevskoy group.