Вулканический массив Толбачик, состоящий из двух стратовулканов - Острый Толбачик и Плоский Толбачик, а также многочисленные скориевые конусы и связанные с ними потоки лавы, является одним из крупнейших и наиболее активных вулканических районов Камчатки. Этот позднеплейстоценовый-голоценовый массив неоднократно извергался в голоценовые и исторические времена (менее 300 лет для Камчатки). Первый исторический рассказ о деятельности на Толбачике был написан русским исследователем Степаном Красенинниковым, который описал извержение Толбачика в 1739 году. Впоследствии в XX веке несколько исследователей изучили и опубликовали данные многочисленных извержений с вершины Плоского Толбачика, а также с близлежащих моногенетических вулканических полей на юго-западном и северо-восточном флангах массивов. В большинстве этих публикаций описана динамика извержений и морфология после них на вершине вулкана и лавовых потоках.
Однако Толбачик стал признан вулканом мирового значения после Великого Толбачикского фиссурного разрушения (1975-1976, GTFE), когда во время извержения на южном склоне вулкана Плоский Толбачик, продолжавшегося 1,5 года, образовались четыре новых моногенетических конуса и связанные с ними потоки лавы. В результате извержения образовались как высокие Mg, так и высокие Al базальты, а общий объем вулканического продукта (лава и скория) составил 2,2 км3 , что делает его одним из крупнейших извержений 20 века. В период между 1975-1976 гг. GTFE и эрупцией 2012-2013 гг. две книги и многочисленные рецензируемые статьи в российской и международной литературе содержат данные в основном об извержении Толбачика в 1975-1976 гг. Таким образом, в настоящее время большая часть имеющейся информации о Толбачикском вулканическом массиве сосредоточена на извержении 1975-1976 гг. За это же время другие части этого крупного массива и прилегающие к нему моногенетические конусы и потоки лавы были изучены гораздо менее подробно.
В 2012-2013 гг. на южном склоне вулкана Плоский Толбачик произошло новое крупное извержение из моногенетических конусов на той же трещинной системе, которая вызвала извержение 1975-1976 гг.
Геология и тектоника Центрально-Камчатской впадины и Ключевской группы вулканов
Камчатская дуга расположена на северо-восточной сходящейся границе Охотско-Тихоокеанской плит. В настоящее время Тихоокеанская плита вымывается со скоростью 8-9 см/год. Плита под Камчаткой опускается на 55°, но мелководье достигает 35° на севере, где происходит вынос Императорской горной цепи, сформировавшейся на вершине Тихоокеанской плиты. По сейсмическим данным глубина зоны Вадати-Бениоффа через Камчатку увеличивается с 60-100 км ниже фронта дуги до более чем 300 км ниже южной части задней дуги.
Четвертичный дуговой вулканизм на Камчатке состоит из трех зон, параллельных Курило-Камчатской гряде, последовательно смещающихся друг к другу с востока на запад относительно друг друга на север: Восточный вулканический фронт (EVF), грейферная Центрально-Камчатская впадина (CKD) с активной Ключевской группой вулканов (KGV) на севере страны (SR). В историческое время на Камчатке активный вулканизм наблюдался в основном в EVF и KGV. Однако вулканизм позднего плейстоцена и голоцена присутствует во всех трех вулканических зонах в сравнительно больших объемах.
Вулканы KGV и их эволюция во времени
В состав KGV входят четыре действующих вулкана - Ключевской, Безымянный, Плоский Толбачик и Плоский Дальний и девять, которые считаются потухшими, включая Камень, Плоский Ближный, Средний, Острый Толбачик, Овальную Зимину, Малую Зимину, Острый Остинь, У. Большой Горина, Овальную Большую Зимину. Благодаря своему уникальному положению и почти постоянной деятельности, KGV стала объектом обширных исследований. Опубликовано более 1000 работ, в том числе по петрологии, геофизике, геохронологии и других смежных дисциплин. Однако большинство публикаций посвящено недавно действующим вулканам и последним вулканическим продуктам.
Голоценовую активность в пределах KGV лучше всего документировать тефрохронологическими методами, однако эти методы можно использовать только при извержениях после последнего ледникового максимума (10-11 кА для Камчатки). С другой стороны, лишь ограниченное число изотопных возрастных признаков 40Ar/39Ar и K/Ar указывает на средний и поздний плейстоценовый возраст для нижней части стратиграфии стратовулканов или их фундаментальных пород. Большинство возрастных оценок вулканов, предположительно относящихся к периоду позднего плейстоцена, основаны на морфологии строения и стратиграфической связи с ледниковыми отложениями.
Большие лавовое плато под KGV извергались на 274 тыс. кА в юго-восточной части KGV на реке Хапица и на 262 тыс. кА в центральной части KGV на реке Студеная. За тот же промежуток времени вулканическая активность на хребте Кумроч (EVF), к востоку от KGV, дала около 25 скорийских конусов и несколько небольших вулканических массивов. На основании связи с ледниковыми отложениями было предложено, что большинство стратовулканов KGV и NCKD начали формироваться до 40-50 кА со старшим средним плейстоценовым периодом для вулкана Горный Зуб. Это подтверждается недавними 40Ar/39Ar датировками раннего лавового потока вулкана Шивелуч, который составляет около 82 кА. Самые молодые вулканы KGV - Ключевской и Безымянный - начали расти только на уровне 7 карат и 5,5 карат, соответственно, и продолжают оставаться высокоактивными. Зона моногенетических конусов на Плоских сопках, по-видимому, прекратила свою деятельность на уровне 10,2 карат и примерно в это время на Толбачикском вулканическом массиве началось образование второго моногенетического вулканического поля, которое также активно в настоящее время.
Петрология и геохимия CKD
Геохимическое разнообразие вулканических пород CKD по сравнению с их родительскими магмами остается одной из наиболее интригующих проблем образования магмы в этой области. Большинство пород SCKD и NCKD относятся к средне-кальциево-щелочным сериям, образцы которых можно найти на каждом вулкане CKD. Кроме того, на некоторых вулканах, включая Плоскосопкинский вулканический массив, Толбачикский вулканический массив и малоизученный вулкан Николька, встречаются высококанальные базальты, трахибазальты и трахьяндеситы.
Эти породы высоко обогащены щелочами, фосфором и несовместимыми элементами по сравнению с другими лавами CKD. Образцы Толбачика представлены в обоих направлениях. Наличие двух тенденций предполагает различные родительские расплавы и различные эволюционные пути образования и эволюции магмы в CKD. Состав пород внутри каждой пробы также сильно варьируется, и каждый вулкан KGV имеет свою петрологическую/геохимическую
До 1970-80 гг. исследования вулканизма CKD /KGV не рассматривали субдукцию в качестве магмообразующего процесса. Однако в период 1990-2005 гг. было предложено несколько процессов, связанных с субдукцией, объясняющих различия в геохимии породы в пределах CKD:
- плавление из различных источников в мантийном клине,
- разрушение клина переменной мантии,
- различные степени плавления и смешения расплавов из общего мантийного источника,
- переменный флюидный состав и неоднородность в флюид-модифицированной мантии,
- добавление адакитового компонента к мантийным источникам вулканов KGV,
- фракционирование расплавов различных составов.
Все эти процессы в сочетании с активным мантийным апвеллингом в этом регионе вызывают сильный флюидный поток и повышенную вулканическую активность. В качестве потенциального источника большого и переменного флюидного потока ниже области KGV было также предложено залегание Императорских горных пород под KGV.