Численное моделирование процесса оседания поверхности пирокластического потока по данным РСА интерферометрии: вулкан Шивелуч (Камчатка), извержение 29 августа 2019 г.

Вулкан Шивелуч – самый северный вулкан полуострова Камчатка, расположенный в 45 км от посёлка Ключи. На полуострове вулкан является одним из самых активных и крайне опасных. Извержения вулкана Шивелуч характеризуются как пароксизмальные эксплозивные, они могут быть катастрофическими, часто сопровождаются мощными пепловыми выбросами и, как правило, пирокластическими потоками. В данной работе исследуются возможные причины оседаний поверхности пирокластического потока, образовавшегося на склонах вулкана Шивелуч в процессе извержения 29 августа 2019 года. По данным РСА-интерферометрии по сериям радарных снимков спутника Европейского космического агентства Sentinel-1А за 2020 и 2021 годы в периоды с мая по октябрь были построены карты средних скоростей смещений на склонах вулкана и обнаружена область с большими оседаниями, совпадающая с областью пирокластического потока на юго-восточном склоне. Максимальные скорости субвертикальных смещений (рассчитанные в предположении, что вертикальные смещения значительно превосходят горизонтальные) составили 385 мм/год в 2020 г. и 257 мм/год в 2021 г. Также серии радарных снимков Sentinel-1A за 2018 год, т.е. до извержения, и за 2020 год, т.е. после извержения, позволили оценить мощности пирокластического потока по разности полученных цифровых моделей рельефа (ЦМР) на эти периоды времени. Полученные результаты показали, что зависимость скорости оседаний поверхности потока от его мощности при коэффициенте корреляции близком к высокому (-0.69) имеет существенный разброс.
Для оценки вклада различных процессов в оседание поверхности пирокластических отложений была построена термомеханическая модель, в которой учтена усадка за счёт термического охлаждения и процесс уменьшения пористости изверженных пород. Выполнено сравнение результатов моделирования с данными, полученными по РСА-интерферометрии.
Построенная термомеханическая модель показала, что расчетное оседание поверхности потока в процессе его остывания существенно меньше наблюдаемых величин. Для объяснения полученной по РСА-интерферометрии зависимости скорости оседаний поверхности потока от мощности пород достаточно в дополнение к термическому оседанию добавить усадку пород в результате небольшого изменения их пористости с 2019 по 2021 гг. на величину от 1.5 до 1.7 % в зависимости от начальной температуры изверженного материала. Также заметное влияние оказывают процессы эрозии: следы многочисленных водных потоков хорошо видны и на спутниковых снимках, и на карте скоростей оседаний земной поверхности.
Благодарности. Авторы благодарят Европейское космическое агентство (ESA) за снимки спутника Sentinel-1A.
Источник финансирования. Работа выполнена при поддержке гранта Министерства образования и науки № 14.W03.31.0033 “Геофизические исследования, мониторинг и прогноз развития катастрофических геодинамических процессов на Дальнем Востоке РФ”.