Цунами на тихоокеанском побережье Камчатки за последние 7000 лет: диагностика, датировка, частота

Камчатcкий регион является одним из наиболее сейсмически активных в мире. Населенные пункты, расположенные на побережье Тихого Океана и Берингова моря, помимо сейсмических и вулканических явлений, периодически подвергаются воздействию цунами. За исторический период (около 260 лет) здесь отмечено 14 катастрофических цунами, два из них - цунами 1737 и 1952 гг. были наиболее разрушительными (2,4,6). Анализируя каталог исторических цунами, можно считать, что около 90 % катастрофических цунами на Камчатке возникают в результате мелкофокусных землетрясений с магнитудой М>7-8 в Курило-Камчатской сейсмофокальной зоне. Цунами от удаленных источников (телецунами) воздействуют на побережье Камчатки с меньшей интенсивностью. Наиболее сильное из них - Чилийское цунами 1960 г. имело среднюю высоту 3-4 м, и лишь в узких заливах и бухтах заплеск достиг 5-7 м (2,6). Ограниченное число наблюденных событий в историческое время и отсутствие инструментальных наблюдений на Камчатке до середины ХХ века не позволяют статистически достоверно определить повторяемость и максимальную высоту заплесков волн цунами для отдельных пунктов на побережье.

Во многих странах, чьи побережья периодически подвергаются цунами, период исторических наблюдений за этим явлением так же короток. Поэтому в конце 80-х гг. во всем мире приобрели большую актуальность исследования отложений цунами как исторических, так и доисторических (палеоцунами). Первые работы по изучению отложений цунами были выполнены в Японии в середине 80-х годов. В последующий период подобные работы проводились на западном побережье США и Канады, на Гаваях, в Чили, Индонезии, Никарагуа, Греции и ряде других стран - в большинстве регионов, подверженных цунами. Благодаря этим работам были детально изучены отдельные события и отложения цунами как таковые. Однако, получить полные данные за длительный промежуток времени (тысячи лет) не удавалось (11,15-17).

На Камчатке находки отложений цунами делались неоднократно. Первые целенаправленные исследования геологических следов цунами были проведены И.В. Мелекесцевым в 1993 году. В ходе работ было найдено и идентифицировано 4 горизонта цунамигенных отложений на п-ве Камчатский Мыс (5). Начиная с 1995 г. такие работы проводились на Камчатке каждый год (рис.1). Находки многочисленных (более 40 для отдельного района) отложений цунами за последние 7000 лет впервые были сделаны в 1995 г. на побережье Кроноцкого залива. Полученные данные позволили реконструировать не только параметры отдельных цунами, но и впервые поставить задачу об исследовании изменения частоты цунамигенных землетрясений во времени. Кроме того, представительный ряд данных позволил по характеру следов цунами на локальных участках выявить формы рельефа, концентрирующие энергию волн цунами, что необходимо для составления карт цунамиопасности и долгосрочного прогноза цунами-риска.

Методика исследований

Восточно-Камчатский регион является чрезвычайно благоприятным и уникальным полигоном для исследований палеоцунами. Это связано, прежде всего, с близостью Восточно-Камчатского побережья к эпицентральным областям сильнейших землетрясений, расположенных в пределах Курило-Камчатской сейсмофокальной зоны; во-вторых, с преобладанием положительных тектонических движений вдоль восточного побережья региона, что создает условия для образования многочисленных морских террас и береговых форм рельефа за весь период голоцена; в третьих - с наличием древних торфяников во многих местах Восточного побережья Камчатки, в которых из-за высокой скорости торфонакопления горизонты вулканических пеплов и цунами могут сохраняться без дальнейшего переотложения на протяжении тысяч лет; в четвертых - с возможностью применения метода тефрохронологии (1,12). Метод основан на изучении и корреляции маркирующих горизонтов вулканических пеплов (тефры), каждый из которых имеет характерный облик, химический и минералогический состав и распространение на большой территории. При исследованиях отложений цунами на Камчатке, тефрохронологический метод применяется как базовый для корреляции и датирования отложений;

Предварительные места поиска отложений цунами выбирались после анализа аэрофотоснимков и топографических материалов. С их помощью найдены ключевые участки на побережьях, где могут сохраниться цунамигенные отложения; дешифрируются сейсмотектонические формы рельефа; присутствуют хорошо развитые торфяники; конфигурация побережий и шельфа не препятствует свободному проникновению цунами. Кроме того, собираются описания исторических цунами на предполагаемом участке исследований. Отложения исторических цунами служат опорными для выяснения интенсивности более древних событий.

Во время проведения полевых работ на выбранном участке побережья проводится нивелирная съемка профилей побережья - от уреза воды через пляж, береговые валы и на расстояние максимальных заплесков цунами (рис.2). Профили обычно измеряются через 1-2 км вдоль берега. Вдоль профилей закладываются шурфы и описываются геологические разрезы. Обычно вдоль каждого профиля закладывается от 5 до 10 шурфов. Глубина шурфов составляет в среднем от 1 до 4 м - в зависимости от возраста поверхности. Из геологических разрезов отбираются образцы вулканических пеплов, органики, цунамигенного материала - для минералогического, радиоуглеродного и гранулометрического анализов.

В настоящее время в мире нет единой методики идентификации цунамигенного материала, в каждом случае используются различные подходы и методы. Проводя полевую идентификацию цунамигенных отложений на побережье Камчатки, были выделены их следующие отличительные особенности: 1) приуроченность к полосе побережья вне зоны штормовой досягаемости и к различным гипсометрическим уровням (примерно до 30 м); 2) присутствие в отложениях морского песка и окатанной гальки; 3) незначительная мощность отложений (от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров); 4) периодичность образования отложений (десятки - сотни лет).

В ходе работ закладывались и описывались шурфы на морских террасах, валах и других формах берегового рельефа. Шурфы в понижениях между прибрежными береговыми валами оказались малоинформативными вследствие преобладающего здесь эолового и штормового переноса песка с пляжа. Поэтому основная часть выработок была сосредоточена вдали от возможных источников материала, схожего с цунамигенным: в торфяниках и на разновысотных террасовых уровнях (рис.2). Во время полевых исследований на различном удалении от побережья в каждом районе было заложено от 30 до 300 шурфов. В них детально описывались все горизонты, выявлялись и диагностировались цунамигенные отложения, отбирались пробы морского песка и пеплов.

Предварительная датировка палеоцунами проводилась непосредственно в полевых условиях с помощью тефрохронологического метода - по соотношению в разрезах цунамигенных отложений с пеплами известных вулканических извержений (рис.3). Определение состава и возраста голоценовых маркирующих горизонтов вулканических пеплов проведено ранее камчатскими исследователями (12) в окрестностях вулканов Ксудач, Опала, Ходутка, Мутновский, Горелый, Карымский, Семячик, Безымянный, Шивелуч, Жупановский и др. Эти работы позволили определить оси пеплопадов крупнейших извержений. Поэтому при проведении работ на побережье заранее предполагалось, какие маркирующие горизонты тефры могут присутствовать в разрезах, и оставалось лишь диагностировать их.

После построения геологических разрезов и идентификации пепловых горизонтов, разрезы коррелировались между собой. На их основе были построены сводные разрезы, по которым расчитывалась частота повторяемости цунами и землетрясений, их вызвавших.

Основные результаты

В 1995 - 2000 г. были исследованы отложения цунами в 8 районах Восточного побережья Камчатки (рис.1), вдоль северного и центрального участка Курило-Камчатской сейсмофокальной зоны, охватив побережье на протяжении 750 км.

Ниже приводится основные полученные результаты по районам исследований.

Побережье п-ва Камчатский (на юге - от поселков Крутоберегово и Тонкий до устья р.Большая Перевальная, на востоке - бухта Солдатская, на севере - район от устья р.Столбовая до устья р.Алтын) (рис.1). Здесь были выявлены и датированы следы цунами за последние 5 тысяч лет (рис.3,4). Наиболее тектонически стабильным оказался самый северный участок исследований - от устья р.Столбовая до устья р. Алтын. Тут не было обнаружено значительных изменений уровня и конфигурации побережья по крайней мере за последние 5 тыс.лет. Вместе с тем, данный район неоднократно подвергался воздействию цунами. Здесь были найдены отложения 15 цунами на высоком 6-8 метровом береговом валу и за ним. Максимальная дальность проникновения цунами - 200-400 метров. Конфигурация побережья в районе р.Столбовая такова, что волны с большими высотами могут приходить только с северного и восточного направления, т.к. с южного направления побережье хорошо защищено Камчатским полуостровом. К подводной части устья р.Столбовая примыкает глубокий каньон, хорошо видимый по батиметрическим картам. Не исключено, что именно он служит своеобразным "волноводом" для цунами. В ходе работ тут были обнаружены следы единственного для этого района сильного исторического цунами (1969 г.) от "Озерновского" землетрясения 23 ноября 1969 г. (2,13,14,19). Высота волны достигла здесь 8 метров. Несмотря на то, что севернее п-ва Камчатский современная зона субдукции отсутствует, полученные данные свидетельствуют о наличии в акватории Берингова моря сильных цунамигенных землетрясений, происходящих в среднем раз в 150-200 лет.

Восточный участок работ - бухта Солдатская - сейсмотектонически очень активный район. Здесь проходит зона региональных разломов. Амплитуды поднятий, связанных, по-видимому, с единовременными сейсмическими событиями, достигают здесь от 0,5 до 2-3 метров. За последние несколько тысяч лет побережье здесь сильно изменилось. Сформировалось 11 серий береговых валов, их высотная разница достигает нескольких метров. Устьевые части рек, впадающих в бухту, также претерпели сильные изменения, - здесь появились новые участки русел, прорезающие морскую 5-7 м террасу. Вблизи побережья были найдены отложения 4-5 цунами. На расстоянии 300-500 м от побережья бухты Солдатская находятся подводные и надводные скалы, которые, вероятно служат своеобразным барьером при подходе волн. Так, например, высота Усть-Камчатского цунами 1923 г. достигла в этом районе ~ 5 м (на соседних участках - свыше 10), а его отложения были найдены лишь в одном шурфе - на первом в береговом валу.

Работы в Южной части п-ва Камчатский проводились на мористом и озерном побережьях. В ходе работ выяснилось, что современные озера Нерпичье и Култук в недавнем прошлом составляли часть большого морского лимана и обособленное развитие получили лишь в настоящее время. За последние 2-3 тысячи лет амплитуда тектонических поднятий в районе оз.Нерпичье - пос.Крутоберегово составила 5-6 м. В этом районе было найдено 4-6 горизонтов цунами, в том числе цунами 1923 года, достигшего здесь высоты 10 м.

На участке р.Большая Перевальная - пос.Крутоберегово были обнаружены отложения цунами за последние 2-3 тыс. лет. Этапы формирования позднеголоценовых морских террас на этом участке ~ 2000, 1000 и около 300 лет назад. Наиболее интенсивные тектонические поднятия происходили на Камчатском мысу - до 20 м за последние 2000 лет. В силу чрезвычайно высоких скоростей тектонических поднятий на п-ве Камчатский мыс не было выявлено древних торфяников, и, как следствие из этого, большого количества отложений цунами. Вместе с тем, отложения отдельных исторических цунами (например, 1923 г.) были идентифицированы на значительном удалении от побережья и большой высоте над уровнем моря (см. рис.3).

Побережье Камчатского залива включает следующие участки исследований: приустьевые части и междуречье рек Малая Чажма и Большая Чажма, участок побережья от устья р.Сторож до устья р.Быстрая (Кумрочевская), приустьевая часть р.Адриановка (рис.1). В этих районах было заложено свыше 300 шурфов, описаны геологические разрезы, идентифицированы отложения цунами за последние 5-7 тысяч лет (рис.3). Тектонический режим этих участков отличается умеренными и даже низкими для Восточного побережья Камчатки скоростями движений, преимущественно восходящих. Разница относительных высот между разновозрастными береговыми валами, морскими террасами незначительна - в пределах первых метров. Такой тектонический режим, а также особенности экзогенных геолого-геоморфологических процессов в голоцене создали условия для формирования прекрасных торфяников, в которых были идентифицированы многочисленные отложения вулканических пеплов и цунами. Разрез одного из торфяников к югу от р.Большая Чажма приведен на (рис.3). Торфяник расположен в 300 м от берега за серией 6-8 метровых береговых валов. Как видно из рисунка, сильные цунами на юге Камчатского залива происходили в среднем 2 раза в 100 лет.

Кроноцкий залив (р.Жупанова). На этом участке (рис.1) в прибрежных 5 метровых торфяниках и на разновысотных (30,15,10 м) террасах было обнаружено 43 горизонта отложений палеоцунами за период около 7000 ¹⁴С лет (рис.3,4). Полученные данные позволили выявить зависимости между частотой цунами и их интенсивностью, а так же между высотой волн цунами и дальностью их проникновения вглубь суши. Так, например, цунами с высотой около 5 м происходили, в среднем, 12 раз в 1000 лет. При этом волны проникали примерно на 1 км вглубь побережья. Цунами с высотой волны около 30 м происходили здесь примерно 1 раз в 1000 лет, при этом максимальная дальность их проникновения составляла более 10 км вверх по течению реки и низкой речной террасе. Выяснилось, что частота цунами в Кроноцком заливе в начале нашей эры (1500-2000 лет назад) составляла примерно 1 событие в 50 лет. В течение последующих интервалов частота цунами уменьшилась с 55 лет (1000-1500 лет назад) до 70 лет (1000-400 лет назад). Начиная с 1737 г. до настоящего времени, цунами свыше 5 м в Кроноцком заливе происходят в среднем раз в 40-50 лет.

Побережье Авачинского залива (в районе Халактырского пляжа) (рис.1). В этом районе не удалось обнаружить торфяников, все шурфы были заложены в почвенных чехлах. В связи с этим, полученные для участка данные по палеоцунами - не полные. Тут было выявлено 13 горизонтов отложений цунами за последние 3,5 тысячи лет (рис.3,4). Установлено, что за этот период времени максимальные дальности заплесков цунами в районе исследований не превышали 850-900 м. При этом высота волн при подходе к побережью достигала порядка 10 м и выше. Цунами со средними высотами волн при подходе к побережью порядка 6-7 м (аналогичные цунами 1952 г.) в районе Халактырского пляжа затапливают участок побережья шириной до 600 м. Катастрофические цунами в этом районе происходят в среднем раз в 60 лет (по наиболее полным данным за последние 300 лет). По геолого-геоморфологическим данным установлено, что в начале нашей эры на побережье Авачинского залива был сформирован ряд сейсмотектонических террас и береговых валов.

Бухты Асача и Мутная (рис.1). Здесь идентифицировано соответственно 21 и 23 горизонта цунами за период свыше 7 тысяч ¹⁴С лет (рис.3,4) Следы максимально высоких заплесков цунами были найдены здесь на террасах высотой 25-35 м, максимальные заплески по рекам составили 10-12 км. Побережье бухты Асача в большей мере открыто цунами восточного и юго-восточного направления, а побережье бухты Мутная - восточного и северо-восточного. Подводный рельеф бухт практически одинаков. На основе анализа отложений палеоцунами выяснилось, что формы рельефа на побережье бухты Мутная усиливают интенсивность цунами на берегу в 1,5-2 раза по сравнению с соседней бухтой Асача.

Отложения исторических цунами

Во время исследований отложений цунами на различных участках восточного побережья были обнаружены следы цунами, описанные в историческом каталоге. Путем сравнения отложений исторических и древних цунами можно оценивать интенсивность более древних событий. С другой стороны, полученные геологические данные дополняют пробелы в историческом каталоге. На (рис.3) в разрезах показаны цунамигенные горизонты образованные во время исторических событий. Сводные геологические данные по отложениям исторических цунами и их сравнение с данными каталога представлены в (табл. 1).

Таблица 1.

Анализ данных и обсуждение результатов

После построения геологических разрезов и идентификации пепловых горизонтов для отдельных районов разрезы коррелировались между собой. На их основе для каждого участка побережья строился сводный разрез (рис.4), по которому рассчитывалась частота повторяемости цунами. В силу геоморфологических особенностей побережий, в отдельных районах удалось идентифицировать цунами различной интенсивности. Так, например, в устье р.Жупанова отложения цунами найдены на высоте 5, 10, 15, 30 м., т.е. сводный разрез включил данные о цунами свыше 5 м. В бухте Асача и Мутная основная часть шурфов заложена на террасах 7-10 и 20-25 м уровня. Соответственно, в сводный разрез вошли данные о цунами свыше 7-10 м. В связи с этим, фактический материал о повторяемости цунами на различных участках побережья восточной Камчатки отображает не все события, а лишь свыше определенной интенсивности. Полученные данные все же позволяют проанализировать изменение частоты возникновения цунами определенной интенсивности во времени.

Чтобы сопоставить данные о частоте цунами в различных районах, сводные разрезы были пронормированы. Временной отрезок, за который производилось сопоставление данных, составил 5000 лет. Количество цунами для отдельного района за этот промежуток времени принято за 100%. После этого был расчитан % цунами, произошедших в тысячу лет от общего количества цунами (для интервалов 3000-2000, 2000-1000, 1000-0 лет до н.э., 0-1000 и 1000-2000 лет н.э.). Для сопоставления частоты повторяемости цунами были выбраны три района - залив Озерной на севере, залив Кроноцкий в центральной части и бухты Асача и Мутная на юге восточного побережья Камчатки. Данные по Авачинскому заливу не использовались, т.к. они явно не полные; данные по Камчатскому заливу находятся на стадии обработки. Пронормированные таким образом графики представлены на рис.5. На всех трех графиках видно увеличение повторяемости цунами в промежутке 1000-2000 лет назад.

Примерно на это же время (1300-1800 л.н.) приходится синхронная активизация вулканизма на Камчатке (1,11), когда формировались кальдера V на вулкане Ксудач и кратер Бараний Амфитеатр на вулкане Опала. Также имели место несколько сильных эксплозивных извержений вулкана Шивелуч (с одним из них связан маркирующий горизонт тефры Ш₃). Кроме того, возникли несколько стратовулканов (Северный средний конус вулкана Крашенинникова, конус Савича на Кихпиныче и конус Штюбеля на Ксудаче) и экструзивный купол г.Неприятной на вулкане Дикий Гребень.

Крупнейшие сейсмообвалы с объемами около 1 км³ в Срединном хребте (8) также имеют возраст 1500-2000 л.н. По-видимому, синхронизация перечисленных выше событий была связана с общим для всей Камчатки этапом усиления сейсмической активности в начале нашей эры.

В ходе работ по изучению следов цунами возникло много вопросов, на которые пока нет ответов, либо они не однозначны. Например, как соотносится дальность заплеска волны и максимальное расстояние, на которой откладываются следы цунами? Как сильно влияет время года на характер воздействия цунами на берег (снежный покров, растительность на берегу)? Как отличить локальные цунами, сближенные во времени на разных участках побережья, от катастрофического события, проявившегося на всей восточной Камчатке одновременно (проблема точности датировок)? Возможно ли по интенсивности цунами на берегу оценить эпицентр и энергию в очаге? Какова роль подводных оползней и обвалов в образовании цунами? Эти и еще целый ряд вопросов являются основой для предстоящих исследований.

Выводы

Для восьми исследованных участков побережья получены данные о повторяемости и интенсивности цунами за период 3-5 тыс. лет.

Получены новые данные о проявлениях камчатских цунами для исторических событий - 1737, 1841, 1923, 1952, 1960, 1969, 1997 гг.

Наличие отложений голоценовых цунами на побережье з-ва Озерной свидетельствуют о возникновении сильных цунамигенных землетрясений в акватории Берингова моря в среднем раз в 150-200 лет.

Установлено, что на исследованных участках восточного побережья Камчатки (около 750 км с севера на юг) 1000-2000 лет назад было увеличение частоты повторяемости цунами, совпавшее по времени с активизацией действующих вулканов, образованием целого ряда крупнообъемных сейсмообвалов в центральной Камчатке, что может быть объяснено увеличением сейсмотектонической активности в Камчатском регионе в этот период.

Большая часть полевых исследованийи и обработка полученных данных была проведена совместно с сотрудниками ИВГиГ ДВО РАН - А.В.Сторчеусом, О.А.Брайцевой, И.В.Мелекесцевым, Л.И.Базановой, В.В.Пономаревой, а так же профессором университета штата Вашингтон Дж.Буржуа. О.А.Брайцева, Л.И.Базанова, и В.В.Пономарева также оказали неоценимую помощь при идентификации вулканических пеплов.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (в период с 1995 по 2001 г.), NSF (1999 г.) и NGS (2000 г.)

1. Брайцева О.А., Мелекесцев И.В., Пономарева В.В., Сулержицкий Л.Д., Литасова С.Н. Возраст действующих вулканов Курило-Камчатского региона // Вулканология и сейсмология. 1994. N4-5. С. 5-33.

2. Заякин Ю.Я., Лучинина А.А. Каталог цунами на Камчатке. // Обнинск: ВНИИГМИМЦД, 1987. 50 с.

3. Заякин Ю.А., Пинегина Т.К. Цунами на Камчатке 5 декабря 1997 г. // Кроноцкое землетрясение на Камчатке 5 декабря 1997 года: предвестники, особенности, последствия (сборник статей). Петропавловск-Камчатский, 1998. С.257-265.

4. Крашенинников С.П. Описание земли Камчатки. М-Л.: Главсевморпуть, 1949. 843 с.

5. Мелекесцев И.В., Курбатов А.В., Певзнер М.М., Сулержицкий Л.Д. "Доисторические" цунами и сильные землетрясения на полуострове Камчатском (Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 1994. N4-5. С. 106-116.

6.Соловьев С.ЛС, Го. Ч. Н. Каталог цунами на западном побережье Тихого Океана. Москва, 308 с.

7. Пинегина Т.К., Мелекесцев И.В., Брайцева О.А., Сторчеус А.В. Следы доисторических цунами на Восточном побережье Камчатки // Природа, 1997, N4. С.102-107.

8. Пинегина Т.К. Отложения палеоцунами на Восточном побережье Камчатки // Тез. докл. Международной конференции по вопросам сейсмологии, вулканизма, и процессов субдукции Камчатско-Алеутского региона. Петропавловск-Камчатский, Россия, 1-9 июля, 1998 . С. 39-40.

9. Пинегина Т.К. Возраст сейсмотектонических обвалов долины р.Быстрой-Эссовской (Камчатка) // Вулканология и сейсмология (в печати 01.04.99).

10. Пинегина Т.К., Базанова Л.И., Мелекесцев И.В., Брайцева О.А., Сторчеус А.В., Гусяков В.К. Доисторические цунами на побережье Кроноцкого залива, Камчатка, Россия (предварительное сообщение)// Вулканология и сейсмология 2000. N2, С.66-74.

11. Atwater B.F. Evidence for Great Holocene Earthquakes Along the Outer Coast of Washington State// Science. 1987. V.236. P. 942-944.

12. Braitseva O.A., Ponomareva V.V., Sulerzhitsky L.D., Melekestsev I.V., Bailey J. Holocene key-marker tephra layers in Kamchatka, Russia.// Quaternary Research, 1997. 47:125-149.

13. Bourgeus J., Titov V., Pinegina T.K. New data about 1969 Tsunami on Bering Sea, Russia://AGU, 1999.

14. Bourgeois J., Pinegina T.K. Tsunami deposits on Kamchatka, Russia: contributions to historical and millennial - scale records - work in progress. International Tsunami Workshop, Moskow, 06/15-19, 2000 (in print).

15. Minoura K., Nakaya S. Traces of tsunani preserved in inter-tidal lacustrine and marsh deposits: some examples from Northeast Japan// J. Geol.1991. V.99 N2. P.265-287.

16. Minoura K., Gusiakov V.K., Kurbatov A.V. Tsunami sedimentation associated with the 1923 Kamchatka earthquake// Sedimentary Geology, 1996. 106(1-2):145-154.

17. Minoura K., Imamura F., Takahashi T., Shuto N. Erosion and se dimentation by the 1992 Flores Tsunami-evidence from Babi Is land// Tohoku University, Sendai 980, Japan. 1996. P.1-8.

18. Pinegina T.K., Bazanova L.I., Braitseva O.A., Gusyakov V.K., Melekestsev I.V., Storcheus A.V. East Kamchatka paleotsunami traces // Abstract Kamchatka Tsunami Workshop, Aug. 21-24, 1996. P. 5-12.

19. Pinegina T.K., Bourgeus J. Tsunami deposits and paleo-tsunami history on Peninsula Kamchatskiy (56-57oN), Kamchatka region (Bering Sea), Russia: preliminary report //AGU, 1998.