Муравьев Я.Д., Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, г.Петропавловск-Камчатский, E-mail: murjd@kscnet.ru, Клименко Е.С., Дмитриева Ю.А., Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
GIS: “Volcanic activity on Kamchatka and Kuril Islands”
Основной социальной задачей вулканологии является оценка вулканической опасности для населенных пунктов и хозяйственных объектов, прилегающих к действующему вулкану, а также своевременный прогноз извержения. Для этого необходимо определить возможный характер и масштабы извержения с учетом структурно-вулканологических данных и сведений о предшествующей эруптивной активности. При решении подобных задач проводится вулкано-географическое районирование территорий, для отдельного вулкана создаются тематические карты вулканической опасности, а конечные результаты представляются в виде разнообразных карт, схем, пояснительных записок, прогнозов и т.п. Эта информация обычно носит разрозненный характер и ее использование часто затруднительно, особенно в оперативном режиме, когда решения, связанные с большими материальными затратами (например, по срочной эвакуации населения), нужно принимать в кратчайшие сроки.
Сейчас, в связи с бурным развитием ГИС-технологий, появились новые возможности для анализа и оценки вулканической обстановки на основе создания геоинформационной системы по вулканоопасности. На этом пути одной из первоочередных и насущных является потребность создания единой базы данных, включающей в себя накопленный за много лет наблюдений материал и обеспечивающей возможность его оперативного использования. Программное обеспечение ArcGIS не только позволяет нам это сделать, но и обладает широкими возможностями для систематизации имеющихся данных, визуализации этапов их обработки и анализа.
«Домашний» вулкан над городом. На отложениях древних извержений Авачинского вулкана сегодня построен г. Петропавловск-Камчатский. На дальнем плане Козельский вулкан.
Извержение вулкана Шивелуч, который с севера примыкает к Ключевской группе вулканов, конец марта 2007 г.
На территории Российской Федерации современная вулканическая деятельность практически полностью сосредоточена на Камчатке и Курильских островах, где сегодня насчитывается не менее 70 действующих вулканов (Вулкан – в древнеримской мифологии бог огня, покровитель кузнечного дела). Поэтому, прежде всего, необходимо развивать геоинформационную систему по вулканической опасности Курило-Камчатского региона, чем мы, собственно, и начали заниматься. Эта часть тихоокеанского «Огненного кольца» является одной из наиболее активных на земном шаре. Например, только в 2009г. в состоянии активности здесь были 8 вулканов. Большинство их извержений в различной степени представляло опасность для местных населенных пунктов, в первую очередь – для населения городов Петропавловск-Камчатский, Елизово, Северо-Курильск и поселков Ключи и Козыревск.
Карымский вулкан на востоке Камчатки находится в состоянии постоянного извержения уже 14-й год.
Вершинное извержение самого высокого действующего вулкана Евразии – Ключевского, с излиянием лавовых потоков на внешние склоны и фонтанированием бомб из кратера.
Вулканы, как объект исследования, обладают некоторыми специфическими особенностями, необходимость учета которых приводит к построению разветвленной ГИС. В общем случае, назовем эти особенности пространственно-временными. В зависимости от мощности события, вулканическая деятельность может влиять на экологическую обстановку в регионах, удаленных от вулкана на сотни и тысячи километров, или на протяжении продолжительных периодов времени иметь устойчивый климатический эффект вследствие изменения альбедо Земли и влияния на приход солнечной радиации к ее поверхности. Также вулканы могут иметь длительные периоды покоя и могут «спать» тысячелетия, после которых внезапно «проснуться» уже на урбанизированных территориях!
Обрушение раскаленной лавы на склоне вулкана – причина формирования разрушительных грязевых потоков.
Катастрофическое извержение вулкана Пик Сарычева на Средних Курилах в июне 2009 г. и его последствия по данным космической съемки (по материалам съемки с Международной космической станции и других спутников).
Конечно, в вулканологии имеется до сих пор не решенная проблема – какие вулканы можно считать действующими, а какие относить к потухшим?! В нашу базу данных (БД) были внесены все вулканы, о деятельности которых имеется какая-либо информация за последние 5-6 тысячелетий. Соответственно, они подразделяются на 3 группы:
- активные вулканы, которые неоднократно действовали на памяти человека;
- вулканы, которые находятся в сольфатарной стадии деятельности (выделяют горячие газы и воды);
- вулканы, об извержениях которых нет никаких достоверных данных (потенциально активные вулканы), но возраст вулканических отложений на их склонах доказывает, что они извергались в историческое время.
Извержение вулкана представляет собой подъем мантийного вещества из недр Земли на поверхность. Соответственно, оно сопровождается рядом процессов, которые как раз и представляют основную опасность для близлежащих населенных пунктов.
Лавовые потоки сами по себе неопасны для населения в данном регионе, так как имеют небольшую длину. Лава практически всегда изливается непосредственно в пределах постройки вулкана. Правда, излияния и фонтанирование лавы могут сопровождаться выбросом вулканических бомб, но большинство из них также остается на склонах вулканического конуса.
Вид из города Петропавловска-Камчатского на Корякский вулкан во время извержения, март 2009 г.
Информационная записка о действующем вулкане, введенная в базу данных и извлекаемая по щелчку мышью (на примере вулкана Карымский).
С другой стороны, обвалы лавовых потоков уже могут представлять собой серьезную угрозу в виде лавин раскаленного материала на поверхность ледников. А мощные эксплозивные извержения сопровождаются сходом по склонам вулкана пирокластических потоков и образованием палящих туч. Это явление наносит наибольший ущерб прилегающей к вулкану территории и представляет собой значительную опасность. Так, пирокластический поток, сошедший на вулкане Шивелуч во время извержения 2005 года, перекрыл более 25 кв.км подножия, уничтожив 10 кв.км леса. В июне 2009 г. произошло мощное извержение вулкана пик Сарычева на острове Матуа (Курилы), в результате которого на большей половине острова была уничтожена растительность и погибла местная фауна.
Подъем расплавленного вещества на дневную поверхность во время извержений, а также интенсивная фумарольная деятельность в межэруптивный период выносят в атмосферу огромное количество газов, что может приводить к загрязнению окружающей среды токсичными веществами. Например, эта проблема существует для г. Северо-Курильск, где извержения вулкана Эбеко часто приводили к загрязнению воздушного бассейна и ухудшению качества питьевой воды, поступающей в водопровод из открытого водозабора.
Фрагмент карты вулканической опасности со слоем зональности вулканоопасности для вулканов Северной группы.
Фрагмент карты вулканической опасности активных вулканов Северной группы со слоем распространения тефры. В основном приведены маркирующие горизонты голоценовых извержений вулкана Шивелуч. Изопахиты дают представление о перемещениях облаков пепла и возможной мощности пеплопадов в населенных пунктах полуострова.
Во время сильных извержений пепловые шлейфы от вулканов могут достигать длины в сотни и тысячи километров, представляя определенную опасность для реактивных самолетов и международных трасс, проложенных вдоль Камчатки и Курильских островов. Сильные пеплопады могут приводить к нарушениям в работе электро- и радиосетей, средств коммуникаций и т.п.
Кроме этого, извержение вулкана и выброс огромного количества раскаленного материала на поверхность могут вызвать интенсивное таяние льда и снега, что, в свою очередь, приводит к образованию катастрофических грязевых потоков – лахаров. Для большинства населенных пунктов именно лахары, сходящие по руслам сухих рек, несут в себе наибольшую угрозу. С образованием подобных потоков во время вулканических извержений связано наибольшее количество жертв в истории человечества.
Подобное особенно актуально и для нашего региона, где в конце 2008г. активизировался Корякский вулкан. Он располагается менее чем в 30км от городов Петропавловск-Камчатский и Елизово, многие хозяйственные постройки и дачные участки еще более приближены к его подножию. Подсчитано, что в случае пароксизмального извержения этого вулкана максимальные объемы грязевых потоков в конце зимы могут составить 10-12 млн.куб.м, что достаточно для нанесения ущерба на большей части территорий дачной застройки и с/х угодий, расположенных на конусах выноса сухих рек, истоки которых лежат на склонах вулканической постройки.
Активные вулканы п-ва Камчатка, распространение терфы голоценовых извержений.
Макет карты “Вулканоопасность. Курило-Камчатская вулканическая дуга” в масштабе 1:1000000. Тематическая карта ГИС-проекта представляет собой два самостоятельных блока (Камчатский полуостров и Курильская островная дуга), из-за субмеридионального простирания слитых на один лист. На врезке – карта потенциальной вулканической опасности для вулкана Авачинский.
Лахары (грязевые потоки), сходящие по руслам сухих рек, представляют наибольшую угрозу для большинства населенных пунктов и сельхозугодий. В случае пароксизмального извержения Корякского вулкана в конце зимы объемы лахаров могут составить 10-12 млн.куб.м в каждом из существующих бассейнов.
Весь комплекс перечисленных опасных процессов должен учитываться при создании слоев данной ГИС и построении на их основе карты вулканической опасности. Макет такой карты, созданной в среде ArcGIS, выполнен в миллионном масштабе в поперечно-цилиндрической проекции Меркатора (UTM) – 56-57 зоны Северного полушария. На данном этапе ГИС включает в себя охарактеризованные далее слои.
1. Физико-географическая основа: гидрографическая сеть, горизонтали рельефа, населенные пункты. Изначально использовались материалы, предоставляемые по элементам общегеографической основы компанией ДАТА+. Они были существенно дополнены и скорректированы в соответствии с требованиями к карте и ее назначением. Все населенные пункты, крупные реки и озера были подписаны. По имеющемуся слою горизонталей была создана цифровая модель рельефа для всего полуострова Камчатка (модуль ArcGIS 3D Analyst > Interpolate > Topo to Raster). По каждому вулкану приводится информация о его географическом положении, абсолютной и относительной высоте, морфологии, активности, особенностях вулканических проявлений и по опасным процессам, которыми он может угрожать местному населению. Каждая гиперссылка иллюстрирована фотографиями. Эту информацию можно получить, щелкнув на условном знаке соответствующего вулкана на карте.
2. Зоны вулканической опасности. Цветом на карте выделены площади, которые могут подвергаться воздействию опасных явлений, сопровождающих извержение (лахарами, лавовыми и пирокластическими потоками, раскаленными лавинами и т.п.). Градации даются по прогнозной оценке частоты повторяемости извержений действующего вулкана. Штриховкой обозначена особо опасная зона, которая обычно охватывает постройку самого вулкана. Выделено 4 типа зон: извержение возможно в течение каждых 5-10, 10-50, 50-100 лет, и реже чем раз в 100 лет.
3. Реконструкция распространения тефры активно действующих вулканов Камчатки и Курильских островов. Отдельным слоем в БД внесены изопахиты тефры, выпадавшей во время сильных и катастрофических извержений ряда камчатских вулканов, которые дают представления о перемещениях облаков пепла и возможной мощности пеплопадов в населенных пунктах полуострова. Эти данные взяты из публикаций камчатских тефрохронологов о сильнейших эксплозивных извержениях вулканов полуострова в течение второй половины голоцена.
4. Слой “Карта максимальных снегозапасов” из Атласа снежно-ледовых ресурсов Мира (раздел Камчатка), созданный для оперативной оценки объема и площади распространения возможных лахаров (одного из главных видов вулканической опасности), формирующихся при извержении того или иного вулкана.
В настоящее время Институтом вулканологии и сейсмологии ДВО РАН и Геофизической службой РАН проводятся исследования по слежению за состоянием 12 наиболее опасных вулканов Камчатки и Северных Курил: сейсмические наблюдения, визуальные и видео наблюдения с круглосуточной передачей изображений вулканов, обработка спутниковых данных и оперативный анализ информации с прогнозом опасности извержений. Все собранные данные и разработанные алгоритмы анализа состояния активных вулканов предполагается в дальнейшем использовать для прогнозных оценок в среде создаваемой ГИС.
На данном этапе работы в систему БД включены лишь базовые слои ГИС, дающие общее представление о вулканической опасности в регионе. Но уже на стадии создания макета карты вулканической опасности в масштабе 1:1000000 возможно ее использование для оперативных оценок возможных последствий сильных извержений вулканов Камчатки.
Дальнейшее развитие ГИС “ВУЛКАНООПАСНОСТЬ” подразумевает:
а) пополнение ее новыми тематическими слоями: по тектонической и сейсмической активности, цунамиопасности для побережий полуострова и др.
б) подключение блока карт вулканической опасности для отдельных вулканов масштаба от 1:100000 и крупнее со вспомогательной информацией. В первую очередь, для вулканов, представляющих опасность для крупных населенных пунктов: Эбеко – для г.Сев.-Курильска (Сахалинская область), Корякский и Авачинский – для Петропавловско-Елизовской городской агломерации, Северная группа вулканов – для населенных пунктов Усть-Камчатского района Камчатского края.
в) автоматизацию выдачи оперативных оценок пространственно-временного развития опасных процессов на вулкане в зависимости от прогнозируемого сценария извержения.
