Геологические процессы активно вмешиваются в жизнь человечества. Землетрясения, цунами и извержения вулканов были и остаются ведущими природными факторами риска для человека и среды обитания. Несколько лет группа специалистов нашего института работает над созданием геоинформационных систем (ГИС) в области вулканологии, в частности над одной из них, получившей название «Вулканоопасность». Как известно, извержения вулканов принесли немало бед людям. Вот примеры известных вулканических катастроф за последние три века. Во время взрыва вулкана Тамбора (Индонезия) в 1815—1816 гг. по разным оценкам погибло от 66 до 92 тыс. человек, было выброшено в атмосферу около 150 км3 горных пород, образовалась кальдера диаметром 6 км. Вулкан Кракатау (Индонезия) в 1883 г. похоронил около 36 тыс. человек. При взрыве в атмосферу было поднято свыше 18 км3 горных пород и пепла, которые покрыли площадь около 827 тыс. км2. Тончайшая пыль достигла стратосферы, из-за чего на несколько градусов снизилась среднегодовая температура на обширных территориях Земли. Извержение вулкана Катмаи (США, Аляска) в 1912 г. хотя и обошлось без человеческих жертв, считается крупнейшей катастрофой XX в. В этот раз огромное количество вулкан Невадо-дель-Руис (Колумбия) в 1985 г. уничтожил расположенный в 45 км от него город Армера с населением около 26 тыс. человек. Вулкан Пинатуба (Филиппины) в 1991 г. разрушил две военно-морские базы США и несколько поселков у подножия вулкана. На территории России (в первую очередь на Камчатке и Курилах) населенные пункты в основном расположены на значительном удалении от вулканов, поэтому здесь вероятность человеческих жертв в случае извержения значительно ниже. В последние годы особое внимание как у нас, так и за рубежом уделяется комплексному изучению так называемых «спящих» вулканов, которые могут неожиданно активизироваться с катастрофическими последствиями для населения, природной среды и климата. Примеры возобновления вулканической деятельности после долгого перерыва — считавшиеся потухшими вулканы Камчатки (Безымянный, 1956 и кальдера Академия Наук, 1996), а также уже упомянутый вулкан Сент-Хеленс в США (1980). Их неожиданное извержение сопровождалось выбросом огромного количества вулканического материала. Геологическая служба США и НАСА установили наблюдения за шестнадцатью «спящими» вулканами штатов Вашингтон, Калифорния, Гавайи, Аляска, а также, при сотрудничестве с местными учеными, за вулканами Исландии, Гватемалы, Сальвадора, Никарагуа и Эквадора. На территории России к потенциально активным относят вулканы Большого Кавказа — Эльбрусской (в первую очередь сам Эльбрус) и Казбекекой групп, к ним же принадлежит ряд вулканов Курило-Камчатской островной дуги. Опыт вулканологии в изучении вулканических явлений позволяет предсказать некоторые из извержений с большой долей вероятности. Явное преимущество (непрерывность наблюдений, глобальный охват и дифференциальная масштабность) перед традиционными наземными методами получили исследования с использованием космических аппаратов. При этом появляется возможность контролировать динамику извержения, оперативно оценивать масштаб и экологические последствия катастрофических извержений. В связи с этим при создании системы «Вулканоопасность» наряду с результатами традиционных геологических и вулканологических работ учитывалась возможность использования сведений, получаемых аэрокосмическими методами. Широкое применение находят такие современные технические методы исследований, как GPS-приемники, используемые для определения координат на местности. Эти приборы в настоящее время широко доступны и позволяют выполнять две основные задачи: во-первых, строить современные электронные карты, отображающие вулканическую деятельность; во-вторых, позволяют определять точное местоположение того или иного объекта непосредственно в момент извержения. Необходимо отметить, что предсказание извержений вулканов более эффективно, чем прогноз землетрясений. Это объясняется тем, что признаков предстоящего извержения достаточно много, и они хорошо изучены. Важное значение имеет разработанный в рамках работ над информационной системой так называемый паспорт вулкана. В настоящее время существует представление, что тип вулкана остается прежним независимо от времени извержения. Поэтому при оценке состояния вулкана и последствий возможных извержений важно иметь сведения о характерных чертах вулкана.
Для удобства работы ГИС «Вулканоопасность» разнообразные данные о вулкане представляются в виде стандартного паспорта, который включает четыре блока. В первом сосредоточены общие сведения о вулкане: название, топографическая отметка, координаты, географическое положение, геоморфологическая обстановка,тип вулкана, главная серия изверженных пород. Во втором — исторические данные о предшествующих извержениях с их характеристиками (палеореконструкция вулкана). Для каждого извержения приводятся: дата, вид и степень извержения, направление распространения изверженных продуктов и их характеристика (характер продуктов и их параметры); вновь образованные вулканические постройки и их параметры; явления, предварявшие извержение и сопровождавшие его. В третий блок паспорта вулкана входят данные о его современном состоянии: глубинном строении региона, в том числе глубине залегания «промежуточных» магматических очагов; основании вулкана (геологическом строении фундамента); морфологии вулкана и размерах главных элементов вулканической постройки; признаках жизни вулкана (сольфатарной и фумарольной деятельности, термальных источниках, тепловом поле и др.). Четвертый — это данные мониторинга, т. е. наблюдения над признаками, предваряющими извержение. Сервер ГИС «Вулканоопасность» управляет информационными ресурсами и режимами работы всей системы. Здесь же накапливаются и передаются на рабочие места цифровые карты различных вулканических областей и отдельных вулканов Российской Федерации в масштабах от 1:1 000 000 до 1:100 000 и крупнее. Геоинформационная среда системы предоставляет возможность хранения, редактирования, обновления и распространения в единой системе разнообразных данных о территориях вулканических провинций, областей и отдельных вулканах (таблицы, карты, аэро- и космо-снимки). Важная составная часть системы — блок автоматизированной интерпретации материалов дистанционных съемок. В системе используется базовое программно-математическое обеспечение ESRI ArcGIS, выбранное с учетом простоты обмена сведениями с отечественными и зарубежными информационными системами в области вулканизма. Адаптация программных средств производится под конкретные задачи, решаемые системой с созданием пользовательских приложении на стандартных языках программирования. ГИС «Вулканоопасность» имеет изначально цифровую форму поступающей информации, привязанной к системе координат, что позволяет интегрировать массивы разнообразного содержания, необходимые для оценки состояния вулкана. Основную часть поступающего информационного потока составляют графические и атрибутивные данные государственной цифровой топографической карты масштаба 1:200 000 (например, для Кавказа — это сборка из 41 листа, охватывающая территорию 40°—44°с.ш., 39 — 48°в.д.), и аэрокосмические снимки площадей современного вулканизма. Топографические данные дополнены разномасштабными цифровыми (векторными и растровыми) картами, отображающими геолого-тектоническое положение вулканических областей и положение конкретного вулкана, его морфологию, ледовый покров и др. Атрибутивная (семантическая) информация представлена в виде паспортов вулканов Большого Кавказа (Эльбрус, вулканы Казбекской группы) и Камчатки (Ключевской, Плоский Толбачик, Харчинский, Харчинская региональная зона шлаковых конусов, Заречный). Источником информации служат опубликованные и вновь полученные авторами материалы о происходивших вулканических процессах. Паспорта составлены по стандартной разработанной форме и включены в базу данных, которая содержит также перечень вулканов мира (2260 наименований) с координатной привязкой по данным. В ГИС «Вулканоопасность» предусмотрена возможность проведения стратифицированного анализа массивов картографических данных (разделение на «слои»), а специальный интерфейс системы позволяет получать интересующую вулканолога атрибутивную информацию из базы данных. Одним из центральных вопросов информационного наполнения разработанной геоинформационной системы стал сбор, накопление и обработка данных, относящихся к центральной части Большого Кавказа (включающей вулканы Эльбрус и Казбек), вулканическая опасность которой аналогична опасности Каскадных гор США (вулканы Шаста, Лассен-Пик, Медсен-Лейк и др.). Специальное внимание уделялось Курило-Камчатскому вулканическому поясу, и в первую очередь Ключевской группе вулканов. Неповторимость и уникальность Ключевской группы определяется тем, что в мире нет больше такого единого магматического центра, где бы одновременно действовали столь разнообразные по типам и генетическим образованиям вулканы: вулкан Ключевской — классический пример стратовулкана-гиганта типа Этны, вулкан Безымянный — по типу подобен Катмаи или Сент-Хеленс, Плоский Толбачик и Ушковский — вулканы гавайского типа. И как следствие явилось многообразие в продуктах извержений: большое количество пирокластического материала (бомбы, шлаки, пемза, пеплы) и лавовых потоков (типа «аа» и «пахое-хое» — названия гавайские).
Сведения о вулканической деятельности на Кавказе
Вулканы Большого Кавказа — Эльбрус, Казбек и многочисленные более мелкие вулканы, входящие в их группы, в настоящее время находятся в стадии покоя, но многочисленные косвенные признаки свидетельствуют о потенциальной опасности извержения. Это можно видеть на примере трехмерной модели магматических камер вулкана Эльбрус. Магматический материал располагается в виде очага на глубинах до 9 км. На склонах Восточного кратера вулкана замечены парогазовые выделения, в составе которых углекислый газ, аммоний, пары воды и сульфаты. Тепло магматического материала оказывает влияние и на температурный режим углекислых источников, широко развитых на северном и западном склонах Эльбруса (Джилысу, Битюк-Тюбе и др.). Исследования показали широкое распространение продуктов катастрофических извержений вулканов Большого Кавказа. Пепел дацитового состава (с возрастом 18 тыс. лет) обнаружен на правом берегу р. Кубань (-420 км к северо-западу от вулкана Эльбрус), а андезитдацитового состава — в береговых обрывах Отказненского водохранилища (приблизительно в 250 км к север-северо-востоку от Эльбруса). Известны также линзы пеплового материала риодацитового состава (возраст -100 тыс. лет) на правобережье Волги между Волгоградом и Астраханью. В Баксанском ущелье (в 55 км к север-северо-востоку от Эльбруса) обнаружен лахар (грубо-обломочный несортированный материал), в котором до 50% обломков дацитовых лав и лаво-брекчий. Максимальный размер обломков достигает 2.0 м в поперечнике. Подстилающие их мореные и флювиогляциальные отложения относятся к позднему плейстоцену. Вулканы Эльбрус и Казбек — крупные центры оледенения Кавказа (площадь ледников на Эльбрусе около 140 км2). В случае катастрофического таяния снежно-ледниковых покровов могут подвергнуться серьезной опасности многочисленные населенные пункты,транспортные коммуникации и другие хозяйственные объекты, располагающиеся в долинах рек, которые питаются их водами. Опасность может значительно возрасти в результате образования лахара. Считают, что тип вулкана определяет и характер будущего извержения. Поэтому для определения размеров возможных бедствий в случае новых извержений необходимо восстановить строение вулкана, проанализировать характер предшествующей вулканической деятельности и состав продуктов, определить площадь распространения и объемы изверженного материала, или, другими словами, осуществить палеореконструкцию. Разработанная технология ГИС «Вулканоопасность» позволила создать серию цифровых (векторных) карт и на их базе серию трехмерных цифровых моделей, иллюстрирующих развитие вулкана Эльбрус, начиная с плиоцена и кончая голоценом; примерно определить площади и объемы излившихся лав и показать последовательность формирования вулканического сооружения.
Разрабатываемая система «Вулканоопасность» позволяет осуществлять сбор, накопление и автоматизированный анализ сведений о современном состоянии вулкана Эльбрус, а также о признаках и сигналах, предваряющих начало вулканической деятельности. Основа этой ГИС — цифровая (векторная) карта М 1:200 000. Отдельные слои карты содержат сведения о разнообразных изменениях, происходящих как на вулкане Эльбрус, так и в его окрестностях. При этом предусмотрено использование результатов не только визуальных наземных, но и аэрокосмических наблюдений, в том числе данные аэрокосмического зондирования. Сведения о признаках вулканической деятельности Эльбруса, поступающие со спутников, регистрирующих инфракрасное излучение, отражаются в виде серии слоев карты-основы, которые поддерживаются фактографическими данными. Специализированные слои карты-основы содержат результаты сейсмических и геодезических наблюдений. Так, с помощью глубинного сейсмического зондирования выявляются разуплотнение мантии, слои высокой электропроводности у границы раздела земной коры и верхней мантии, пониженные плотности и скоростные параметры с целью получения информации о характере изменения глубинного магматического очага и области магмообразования.
Паспорт вулкана
Для удобства работы ГИС «Вулканоопасность» разнообразные данные о вулкане представляются в виде стандартного паспорта, который включает четыре блока. В первом сосредоточены общие сведения о вулкане: название, топографическая отметка, координаты, географическое положение, геоморфологическая обстановка,тип вулкана, главная серия изверженных пород. Во втором — исторические данные о предшествующих извержениях с их характеристиками (палеореконструкция вулкана). Для каждого извержения приводятся: дата, вид и степень извержения, направление распространения изверженных продуктов и их характеристика (характер продуктов и их параметры); вновь образованные вулканические постройки и их параметры; явления, предварявшие извержение и сопровождавшие его. В третий блок паспорта вулкана входят данные о его современном состоянии: глубинном строении региона, в том числе глубине залегания «промежуточных» магматических очагов; основании вулкана (геологическом строении фундамента); морфологии вулкана и размерах главных элементов вулканической постройки; признаках жизни вулкана (сольфатарной и фумарольной деятельности, термальных источниках, тепловом поле и др.). Четвертый — это данные мониторинга, т. е. наблюдения над признаками, предваряющими извержение. Сервер ГИС «Вулканоопасность» управляет информационными ресурсами и режимами работы всей системы. Здесь же накапливаются и передаются на рабочие места цифровые карты различных вулканических областей и отдельных вулканов Российской Федерации в масштабах от 1:1 000 000 до 1:100 000 и крупнее. Геоинформационная среда системы предоставляет возможность хранения, редактирования, обновления и распространения в единой системе разнообразных данных о территориях вулканических провинций, областей и отдельных вулканах (таблицы, карты, аэро- и космо-снимки). Важная составная часть системы — блок автоматизированной интерпретации материалов дистанционных съемок. В системе используется базовое программно-математическое обеспечение ESRI ArcGIS, выбранное с учетом простоты обмена сведениями с отечественными и зарубежными информационными системами в области вулканизма. Адаптация программных средств производится под конкретные задачи, решаемые системой с созданием пользовательских приложении на стандартных языках программирования. ГИС «Вулканоопасность» имеет изначально цифровую форму поступающей информации, привязанной к системе координат, что позволяет интегрировать массивы разнообразного содержания, необходимые для оценки состояния вулкана. Основную часть поступающего информационного потока составляют графические и атрибутивные данные государственной цифровой топографической карты масштаба 1:200 000 (например, для Кавказа — это сборка из 41 листа, охватывающая территорию 40°—44°с.ш., 39 — 48°в.д.), и аэрокосмические снимки площадей современного вулканизма. Топографические данные дополнены разномасштабными цифровыми (векторными и растровыми) картами, отображающими геолого-тектоническое положение вулканических областей и положение конкретного вулкана, его морфологию, ледовый покров и др. Атрибутивная (семантическая) информация представлена в виде паспортов вулканов Большого Кавказа (Эльбрус, вулканы Казбекской группы) и Камчатки (Ключевской, Плоский Толбачик, Харчинский, Харчинская региональная зона шлаковых конусов, Заречный). Источником информации служат опубликованные и вновь полученные авторами материалы о происходивших вулканических процессах. Паспорта составлены по стандартной разработанной форме и включены в базу данных, которая содержит также перечень вулканов мира (2260 наименований) с координатной привязкой по данным. В ГИС «Вулканоопасность» предусмотрена возможность проведения стратифицированного анализа массивов картографических данных (разделение на «слои»), а специальный интерфейс системы позволяет получать интересующую вулканолога атрибутивную информацию из базы данных. Одним из центральных вопросов информационного наполнения разработанной геоинформационной системы стал сбор, накопление и обработка данных, относящихся к центральной части Большого Кавказа (включающей вулканы Эльбрус и Казбек), вулканическая опасность которой аналогична опасности Каскадных гор США (вулканы Шаста, Лассен-Пик, Медсен-Лейк и др.). Специальное внимание уделялось Курило-Камчатскому вулканическому поясу, и в первую очередь Ключевской группе вулканов. Неповторимость и уникальность Ключевской группы определяется тем, что в мире нет больше такого единого магматического центра, где бы одновременно действовали столь разнообразные по типам и генетическим образованиям вулканы: вулкан Ключевской — классический пример стратовулкана-гиганта типа Этны, вулкан Безымянный — по типу подобен Катмаи или Сент-Хеленс, Плоский Толбачик и Ушковский — вулканы гавайского типа. И как следствие явилось многообразие в продуктах извержений: большое количество пирокластического материала (бомбы, шлаки, пемза, пеплы) и лавовых потоков (типа «аа» и «пахое-хое» — названия гавайские).
Сведения о вулканической деятельности на Кавказе
Вулканы Большого Кавказа — Эльбрус, Казбек и многочисленные более мелкие вулканы, входящие в их группы, в настоящее время находятся в стадии покоя, но многочисленные косвенные признаки свидетельствуют о потенциальной опасности извержения. Это можно видеть на примере трехмерной модели магматических камер вулкана Эльбрус. Магматический материал располагается в виде очага на глубинах до 9 км. На склонах Восточного кратера вулкана замечены парогазовые выделения, в составе которых углекислый газ, аммоний, пары воды и сульфаты. Тепло магматического материала оказывает влияние и на температурный режим углекислых источников, широко развитых на северном и западном склонах Эльбруса (Джилысу, Битюк-Тюбе и др.). Исследования показали широкое распространение продуктов катастрофических извержений вулканов Большого Кавказа. Пепел дацитового состава (с возрастом 18 тыс. лет) обнаружен на правом берегу р. Кубань (-420 км к северо-западу от вулкана Эльбрус), а андезитдацитового состава — в береговых обрывах Отказненского водохранилища (приблизительно в 250 км к север-северо-востоку от Эльбруса). Известны также линзы пеплового материала риодацитового состава (возраст -100 тыс. лет) на правобережье Волги между Волгоградом и Астраханью. В Баксанском ущелье (в 55 км к север-северо-востоку от Эльбруса) обнаружен лахар (грубо-обломочный несортированный материал), в котором до 50% обломков дацитовых лав и лаво-брекчий. Максимальный размер обломков достигает 2.0 м в поперечнике. Подстилающие их мореные и флювиогляциальные отложения относятся к позднему плейстоцену. Вулканы Эльбрус и Казбек — крупные центры оледенения Кавказа (площадь ледников на Эльбрусе около 140 км2). В случае катастрофического таяния снежно-ледниковых покровов могут подвергнуться серьезной опасности многочисленные населенные пункты,транспортные коммуникации и другие хозяйственные объекты, располагающиеся в долинах рек, которые питаются их водами. Опасность может значительно возрасти в результате образования лахара. Считают, что тип вулкана определяет и характер будущего извержения. Поэтому для определения размеров возможных бедствий в случае новых извержений необходимо восстановить строение вулкана, проанализировать характер предшествующей вулканической деятельности и состав продуктов, определить площадь распространения и объемы изверженного материала, или, другими словами, осуществить палеореконструкцию. Разработанная технология ГИС «Вулканоопасность» позволила создать серию цифровых (векторных) карт и на их базе серию трехмерных цифровых моделей, иллюстрирующих развитие вулкана Эльбрус, начиная с плиоцена и кончая голоценом; примерно определить площади и объемы излившихся лав и показать последовательность формирования вулканического сооружения.
Разрабатываемая система «Вулканоопасность» позволяет осуществлять сбор, накопление и автоматизированный анализ сведений о современном состоянии вулкана Эльбрус, а также о признаках и сигналах, предваряющих начало вулканической деятельности. Основа этой ГИС — цифровая (векторная) карта М 1:200 000. Отдельные слои карты содержат сведения о разнообразных изменениях, происходящих как на вулкане Эльбрус, так и в его окрестностях. При этом предусмотрено использование результатов не только визуальных наземных, но и аэрокосмических наблюдений, в том числе данные аэрокосмического зондирования. Сведения о признаках вулканической деятельности Эльбруса, поступающие со спутников, регистрирующих инфракрасное излучение, отражаются в виде серии слоев карты-основы, которые поддерживаются фактографическими данными. Специализированные слои карты-основы содержат результаты сейсмических и геодезических наблюдений. Так, с помощью глубинного сейсмического зондирования выявляются разуплотнение мантии, слои высокой электропроводности у границы раздела земной коры и верхней мантии, пониженные плотности и скоростные параметры с целью получения информации о характере изменения глубинного магматического очага и области магмообразования.
