Детальная летопись эксплозивного вулканизма в островодужных системах Северной Пацифики: хронология, геохимия и взаимосвязь с климатом

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 проекта 22-17-00074

НазваниеДетальная летопись эксплозивного вулканизма в островодужных системах Северной Пацифики: хронология, геохимия и взаимосвязь с климатом

Руководитель Пономарева Вера Викторовна, Доктор географических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения Российской академии наук , Камчатский край

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-701 - Палеогеография

Ключевые слова эксплозивный вулканизм, субдукция, Северная Пацифика, Курило-Камчатский вулканический пояс, Аляскинско-Алеутский вулканический пояс, тефра, электронный микрозонд, LA-ICP-MS, изотопный анализ, байесовское возрастное моделирование

Код ГРНТИ39.19.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Важнейшей задачей современной науки является прогнозирование будущих климатических изменений, что возможно с помощью многопараметрических моделей, создатели которых были отмечены в этом году Нобелевской премией. Одним из важных природных процессов, оказывающим влияние на климат Земли, который необходимо учитывать в современных климатических моделях, является крупномасштабный эксплозивный вулканизм (например, 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. Особенно это касается удаленных районов, таких как Курило-Камчатская и Алеутская вулканические дуги в северной части Тихого океана. Эти вулканические провинции отличаются высокой эксплозивной активностью, в том числе в исторический период, но их пирокластика в основном захоронена в океане, а на суше зачастую уничтожена эрозией или погребена под более молодыми отложениями. Мы предлагаем провести междисциплинарное исследование эксплозивного вулканизма Курильской и Алеутской островных дуг с целью реконструкции летописи эксплозивных извержений этих регионов за плиоцен-четвертичное время. Исследование будет основано на изучении стратиграфии и геохимического состава вулканических пеплов (тефры), горизонты которых отлагались в непрерывно накапливавшихся осадках Тихого океана и Берингова моря. Материалом для исследования послужат керны, полученные в результате экспедиций глубоководного бурения ODP-145 и IODP-323, а также рейсов НИС "ЗОННЕ" SO202-INOPEX и SO264. Возраст извержений будет оценен с помощью возрастных моделей для изученных колонок и новых дат для пеплов, полученных методами радиоизотопного датирования. Сравнение полученных данных с палеоклиматическими летописями позволит проверить высказанные ранее гипотезы о синхронности вспышек эксплозивного вулканизма на Камчатке и в прилежащих островных дугах и корреляции этих вспышек с климатическими циклами. В исследованиях по нашему предыдущему проекту РНФ (2016-2020) нам удалось успешно осуществить такие исследования для Камчатского сегмента Курило-Камчатской островодужной системы, отработать методы опробования, возрастного моделирования, геохимического изучения тефры, расчета параметров извержений и распределения извержений во времени. Предлагаемые в этом проекте исследования Курильской и Алеутской дуг позволят сравнить их активность с вулканизмом Камчатки и применить отработанный комплекс методов для создания общей тефрохронологической модели северной части Тихого океана. С помощью такой модели можно будет не только выявить закономерности эксплозивной активности в огромном регионе, но и провести сопоставления с климатическими изменениями, как глобальными, так и запечатленными в этих же кернах. Тефрохронологическая модель также даст уникальную возможность надежно коррелировать удаленные морские и наземные отложения и оценивать их возраст. В состав нашего научного коллектива входят вулканологи, геохимики, палеогеографы и структурные геологи, имеющие большой опыт совместных исследований эксплозивного вулканизма Северной Пацифики. Кроме того, наш коллектив тесно сотрудничает с российскими, германскими и британскими океанологами в обработке результатов и публикации совместных статей (Приложение). Большая часть образцов тефры (~600 проб) из планируемых к изучению колонок, уже имеется в нашем распоряжении, что делает работы по проекту менее зависимыми от возможного усиления карантинных мер. Проект будет включать подходы, показавшие максимальную эффективность при тефрохронологических исследованиях глубоководных колонок: (1) Геохимический анализ единичных частиц тефры на содержание главных и рассеянных элементов с использованием электронного микрозонда (EMPA) и масс-спектрометрии индуктивно-связанной плазмы с лазерной абляцией (LA-ICP-MS), а также анализ микронавесок вулканического стекла для определения изотопных отношений Sr, Nd и Pb с помощью масс-спектрометрии с термической ионизацией (TIMS). (2) Оценку возраста пеплопадов по возрастным моделям для осадочных колонок, а также дополнительное изотопное (Ar40/Ar39, U/Pb, (U-Th)/He) датирование единичных минералов из пепловых горизонтов. (3) Составление сводной летописи пеплопадов Северной Пацифики на основе корреляции горизонтов тефры между кернами с учетом геохимического состава и возраста тефры. Летопись будет включать как вновь полученные данные для островных дуг, так и ранее полученные нами данные для Камчатки. (4) Байесовское возрастное моделирование сводной летописи для расчета возраста извержений и разработки тефрохронологической модели. (5) Статистический анализ хронологии крупных эксплозивных извержений с целью выявления закономерностей временного распределения эксплозивной вулканической активности. (6) Сопоставление полученной летописи извержений с палеоклиматическими и другими палеогеографическими летописями. Мы полагаем, что наши совместные усилия внесут большой вклад в расшифровку неизвестной в настоящее время плиоцен-плейстоценовой летописи вулканической активности в пределах северотихоокеанских островных дуг, позволят определить источники и ареалы распространения тефры, оценить возраст и магнитуды эксплозивных извержений и выявить особенности геохимической эволюции островодужного эксплозивного вулканизма и ее корреляции с региональной геодинамикой. Установленные извержения будут объединены в единую хронологическую модель, что позволит статистически исследовать расход магмы во времени и пространстве и проверить корреляцию вулканической активности с изменениями природной среды и климата. Тефрохронологические корреляции создадут надежную основу для выявления синхронности или асинхронности природных процессов, запечатленных в различных морских и наземных отложениях.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бубенщикова Н.В, Пономарева В.В., Портнягин М.В., Нюрнберг Д., Чао В., Лембке-Йене Л., Тидеманн Р. The Pauzhetka tephra (South Kamchatka): a key middle Pleistocene isochron for the Northwest Pacific and Okhotsk Sea sediments Quaternary Geochronology, v. 79, 101476 (год публикации - 2024)
10.1016/j.quageo.2023.101476

2. Пономарева В.В., Портнягин М.В., Бубенщикова Н.В., Зеленин Е.А., Деркачев А.Н., Жика Б., Горбаренко С.А., Кук Э., Гарбе-Шёнберг Д., Хёрнле К. A 6.2 Ma-long record of major explosive eruptions from the NW Pacific volcanic arcs based on the offshore tephra sequences on the northern tip of the Emperor Seamount Chain Geochemistry, Geophysics, Geosystems (G3), V. 24, e2023GC011126 (год публикации - 2023)
10.1029/2023GC011126

3. Щеклеина М.Д., Плечов П.Ю., Щербаков В.Д., Давыдова В.О., Биндеман.И.Н. Petrology of the Golygin ignimbrite (South Kamchatka) Moscow University Geology Bulletin, Vol. 78, No. 5, pp. 640–652. (год публикации - 2023)
10.55959/MSU0579-9406-4-2023-63-4-86-98

4. Деркачев А.Н., Горбаренко С.А., Портнягин М.В., Джонг У., Николаева Н.А., Ши К., Лью Я. Tephrostratigraphy of Pleistocene-Holocene deposits from the Detroit Rise eastern slope (northwestern Paciﬁc) Frontiers in Earth Science, т. 10, № 971404, с. 1-16 (год публикации - 2023)
10.3389/feart.2022.971404

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Наш проект посвящен исследованию эксплозивного вулканизма островных дуг Северной Пацифики на основе изучения вулканических пеплов, горизонты которых отлагались в глубоководных морских отложениях Тихого океана и Берингова моря в течение плиоцен-четвертичного времени, и их корреляции с пирокластикой, залегающей вблизи вулканов-источников. В отчетном году мы опубликовали две статьи в международных журналах Q1 с импакт-факторами 2.4 и 3.2 и одну статью в российском журнале, индексируемом РИНЦ и Scopus. Еще одна статья в журнал Q1 и две статьи в российские журналы приняты в печать. Среди соавторов опубликованных в этом году работ – пять участников нашего проекта. Главным завершенным исследованием этого года был анализ временнОго распределения последовательности пеплопадов, запечатленных в глубоководных осадках северо-запада Тихого океана (Zelenin et al., 2024). Мы проверили широко обсуждаемую гипотезу о том, что вспышки эксплозивного вулканизма имеют регулярную структуру, существенно определяемую климатическими циклами. Летопись пеплопадов продолжительностью в 6.2 миллионов лет, реконструированная нами в ходе работ по проекту и получившая название DS6M, имеет очевидную временную неоднородность событий. Проведенный нами фрактальный анализ ряда вулканизма DS6M показал, что извержения группируются гораздо сильнее, чем в потоке независимых событий, а характерный масштаб группировки отсутствует. Нормализованный график спектральной плотности показывает, что в исследованных данных частоты Миланковича (климатический фактор) не проявлены. Это говорит о том, что региональные факторы продуктивности вулканизма преобладают над глобальными климатическими изменениями даже для вулканических дуг умеренного пояса, где колебания оледенений проявлены наиболее сильно. Прямое сравнение DS6M с изотопно-кислородной кривой LR04 (Lisiecki, Raymo, 2005) показывает, что группировка извержений не зависит от объема льдов суши. Наиболее вероятной причиной наблюдаемой кластеризации извержений представляется разномаштабная неоднородность процесса субдукции, в частности иррегулярность состава и рельефа субдуцирующей плиты. Так, появление пеплов в осадочных колонках 6.2 млн лет назад скорее всего ознаменовало заложение Восточного вулканического пояса, а последующие апериодические вспышки 5.6, 4.3 и 3.0 млн лет назад могут быть связаны с поэтапным продвижением вулканического пояса на север. Наши данные позволили установить, что катастрофическое извержение с образованием кальдеры Крашенинникова (Восточная вулканическая зона Камчатки) произошло около 30 тысяч лет назад (Пономарева и др., 2024). Тефра этого извержения имеет региональное распространение и прослеживается в северном направлении от кальдеры на расстояние более 200 км. Объем пирокластики и магнитуда кальдерообразующего извержения оценены в ~13 км3 и 6.1, соответственно. Впервые найдены тефры, связанные с извержениями в. Авачинского в плейстоцене. Эти данные важны для оценки вулканической опасности для городов Камчатки, расположенных вблизи этого вулкана. С помощью наших исследований, еще две тефры вулканов Курило-Камчатской дуги были идентифицированы нашими коллегами в ледовых кернах Гренландии, благодаря чему породившие их извержения получили точную оценку возраста. Первая тефра – это КС2 (вулкан Ксудач, Камчатка), которая ранее была обнаружена на Шпицбергене и на востоке Северной Америки. Тефра KC2 с уточненным возрастом 7089±26 лет (до 1950 г.) является важным маркирующим горизонтом, позволяющим коррелировать и датировать отложения не только по всей территории Камчатки, но и далеко за ее пределами. Вторая тефра – это пепел в. Заварицкого, извергнутый в 1831 г. Доведена до публикации еще одна статья по эксплозивным извержениям вулкана Заварицкого (о. Симушир, Курильские острова), тефры которых были обнаружены и охарактеризованы как на суше, так и в окружающих морях. Установлено, что этот вулкан в голоцене был самым активным центром Курил. Вулканические стекла голоценовой пирокластики в. Заварицкого по составу отвечают низкокалиевым андезибазальтам-риолитам. Самые кремнекислые стекла отмечены в пемзах первого и самого сильного голоценового извержения ZV-1, которое произошло около 9.5 тыс. л. н. (рассчитанная магнитуда 6.4). Его тефра имела объем около 37 км3 и распространилась как минимум на 4500 км на СВ вплоть до СЗ Канады, где была обнаружена нашими коллегами в виде криптотефры (Davies, 2018). 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. Повышение содержания SiO2 в стекле последнего крупного извержения ZV-40 (1831 г.) 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. Двумя последними статьями мы начали публикацию результатов изучения тефр вулканов Курильских островов. Кроме того, наши новые данные о тефрах Курил содержатся в подготовленных и направленных соавторам на редакцию статьях о тефре из осадков на подводных горах Миннетонка и Тензи (Императорский хребет). В 2024 г. результаты наших работ по проекту были доложены на следующих конференциях: - «Вулканизм и связанные с ним процессы». XXVII ежегодная научная конференция, посвященная Дню вулканолога, Петропавловск-Камчатский, 27-29 марта 2024 г.. Сделано два устных и один стендовый доклад. Среди соавторов докладов – девять участников нашего проекта. - Годичное собрание Российского минералогического общества «Минералогические исследования в интересах развития минерально-сырьевого комплекса России и создания современных технологий», Апатиты, 16–21 сентября 2024 г. Сделано два устных доклада. В течение 2024 г. мы провели экспедиционные работы, посвященные отбору дополнительных образцов из больших яров Центральной Камчатской депрессии (ЦКД). В этих работах приняли участие пять участников проекта, включая двух молодых исследователей. Отобрано около 200 образцов тефры, 120 из них уже обработаны и проанализированы. Аналитические исследования позволили получить около 4000 микрозондовых и более 300 LA-ICP-MS анализов единичных частиц вулканического стекла из подводных пеплов в скважинах рейсов INOPEX и в осадочных колонках 87 рейса НИС «Академик Лаврентьев», а также из проксимальной пирокластики вулканов Камчатки, что позволило установить содержание в них главных и следовых элементов. Кроме того, получены аналитические данные по минералам-вкрапленникам в пирокластике крупнейших извержений и по расплавным включениям в них.

Публикации

1. Дэвис С.М., Альберт П.Г., Бурн А.Дж., Оуэн С., Свенссон А., Болтон М.С.М., Кук Е., Йенсен Б.Дж.Л., Джонс Г., Пономарева В.В., Судзуки Т. Exploiting the Greenland volcanic ash repository to date caldera-forming eruptions and widespread isochrons during the Holocene Quaternary Science Reviews, V. 334, #108707 (год публикации - 2024)
10.1016/j.quascirev.2024.108707

2. Зеленин Е.А., Гарипова С., Пономарева В.В., Портнягин М.В., Долгая А. Temporal characteristics of a 6.2 Ma-long ash-fall history in the NW Pacific Journal of Volcanology and Geothermal Research, V. 453, 108141 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jvolgeores.2024.108141

3. Пономарева В.В., Горбач Н.В., Зеленин Е.А., Портнягин М.В., Рогозин А.Н., Дирксен О.В. Кальдера Крашенинникова (Восточная Камчатка): возраст и магнитуда извержения Вестник Камчатской региональной ассоциации «Учебно-научный центр». Серия: Науки о Земле (ВЕСТНИК КРАУНЦ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ), № 3. Вып. № 63. С. 105 – 109 (год публикации - 2024)
10.31431/1816-5524-2024-3-63-105-109

4. Дирксен О.В., Пономарева В.В., Зеленин Е.А., Плечов П.Ю., Философова Т.М., Рыбин А.В. Эксплозивная активность вулкана Заварицкого (о. Симушир, Курильские острова) в голоцене Вулканология и сейсмология (год публикации - 2025)

5. Дирксен О.В. , Базанова Л.И., Пономарева В.В., Портнягин М.В., Философова Т.М. , Дирксен В.Г. Первые находки позднеплейстоценовых пеплов Авачинского вулкана Вестник Камчатской региональной ассоциации "Учебно-научный центр". Серия: Науки о Земле (год публикации - 2025)

6. Хатчисон У., Сугден П., Бурке А., Эбботт П., Пономарева В.В., Дирксен О., Портнягин М.В., МакИннес Б., Буржуа Дж., Фитцью Б., Веркерк М., Обри Т.Дж., Энгвелл С.Л., Свенссон А., Челман Н.Дж., МкКонелл Дж.Р., Дэвис С., Сигл М., Планкетт Дж. The 1831 CE mystery eruption identified as Zavaritskii caldera, Simushir Island (Kurils) Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) (год публикации - 2025)

Возможность практического использования результатов
Наши исследования лежат в основе работ по оценке и картированию вулканической опасности и вулканического риске для населения и объектов инфраструктуры, проводимых по заказам Администрации Камчатского края и организаций, строящих рекреационные комплексы международного значения