The magmatic system of the Klyuchevskaya group of volcanoes inferred from data on its eruptions, earthquakes, deformation, and deep structure

Abstract-The study of magmatic plumbing systems of volcanoes (roots of volcanoes) is one of the main tasks facing volcanology. One major object of this research is the Klyuchevskaya group of volcanoes (KGV), in Kamchatka, which is the greatest such group that has been found at any island arc and subduction zone. We summarize the comprehensive research that has been conducted there since 1931. Several conspicuous results derived since the 1960s have been reported, emerging from the study of magma sources, eruptions, earthquakes, deformation, and the deep structure for the KGV. Our discussion of these subjects incorporates the data of physical volcanology relating to the mechanism of volcanic activity and data from petrology as to magma generation. The following five parts can be distinguished in the KGV plumbing system and the associated geophysical model: the source of energy and material at the top of the Pacific Benioff zone at a depth of about 160 km, the region of magma ascent in the asthenosphere. the region of magma storage in the crust-mantle layer at depths of 40-25 km, magma chambers and channelways in the crust, and the bases of volcanic edifices. We discuss and explain the properties of and the relationships between these parts and the mechanisms of volcanic activity and of the KGV plumbing system as they exist today. Methods for calculating magma chambers and conduits, the amount of magma in the system, and its other properties are available

Глибинні процеси, швидкісна, теплова і густинна моделі верхньої мантії Східної Камчатки

For the velocity structure of the lithosphere of East Kamchatka, a tomographic model of high spatial resolution was constructed. Model demonstrates clear relation of velocity values in mantle with subsurface structure. The change in velocity of P-waves relative to the average 1D model reaches ±0.6 km/s. Asthenosphere, in other words the interval where velocities are lower than in solidus point, can be seen as well. Seismological model may be used to control model of deep processes in the given region. The circuit of the Alpine and recent deep processes in the crust and the upper mantle of the East Kamchatka and Cronotsky gulf is considered with use of ideas of a advection-polymorphic hypothesis. Consequences of the processes are coordinated with velocity model of the mantle and composition of magmatic rocks. The data on crustal xenoliths and the composition of igneous rocks of different ages and with different depths of centers of partial melting of mantle rocks were used. The depths of the conductors in the upper mantle are consistent with the deep asthenosphere. But the S values for 1D and 2D models are too large. When using a three-dimensional model in the southern part of Kamchatka, the S value of the electrical conductivity objects in the mantle is reduced. Thus, coordination with the thermal model seems possible. The results of construction of density models of tectonosphere along three cross-sections on the East Kamchatka and adjacent aquatorium are considered. For the model of the upper mantle a thermal model corresponding to the structure of a deep process according to the advection-polymorphous hypothesis is used. The mantle gravitational anomaly reaches a large value — more than 200 mGal. Possibility of explanation of the observed gravitational field without the selection of model parameters is shown.Для скоростной структуры литосферы Восточной Камчатки построена томографическая модель высокого пространственного разрешения. Модель демонстрирует четкую связь значений сейсмической скорости в мантии и в подповерхностных структуре. Изменение скорости распространения P-волн относительно средней 1D модели достигает ± 0,6 км / с. Заметное положение астеносферы или интервала глубин со скоростями ниже, чем на уровне солидуса. Сейсмологическая модель может быть использована для контроля модели глубинных процессов в исследуемом регионе. Рассмотрена схема альпийских и современных глубинных процессов в коре и верхней мантии Восточной Камчатки и Кроноцкого залива с использованием представлений адвекцийно-полиморфной гипотезы. Последствия этих процессов согласуются со скоростной моделью мантии и составу магматических пород. Использованы данные о ксенолитов из земной коры и состава магматических пород разного возраста и различной глубины размещения ячеек частичного плавления мантийных пород. Глубина залегания проводников в верхней мантии соответствует глубине размещения астеносферы. Впрочем значение электропроводности S для 1D и 2D моделей слишком велики. При использовании трехмерной модели в южной части Камчатки величина S объектов электропроводности в мантии уменьшается. Таким образом, согласование с тепловой моделью представляется возможным. Рассмотрены результаты построения плотностных моделей тектоносферы вдоль трех профилей на Восточной Камчатке и смежной акватории. Для модели верхней мантии использовано тепловую модель, соответствует схеме глубинного процесса по адвекцийно-полиморфной гипотезой. Мантийная гравитационная аномалия достигает значительной величины - более 200 мГал. Показана возможность объяснения наблюдаемого гравитационного поля без подбора параметров моделей.Для швидкісної структури літосфери Східної Камчатки побудовано томографічну модель високого просторового розрізнення. Модель демонструє чіткий зв’язок значень сейсмічної швидкості в мантії і в підповерхневій структурі. Зміна швидкості поширення P-хвиль відносно середньої 1D моделі сягає ±0,6 км/с. Помітне положення астеносфери або інтервалу глибин із швидкостями, нижчими, ніж на рівні солідуса. Сейсмологічна модель може бути використана для контролю моделі глибинних процесів у досліджуваному регіоні. Розглянуто схему альпійських і сучасних глибинних процесів у корі та верхній мантії Східної Камчатки і Кроноцького залива з використанням уявлень адвекційно-поліморфної гіпотези. Наслідки цих процесів узгоджуються з швидкісною моделлю мантії та складом магматичних порід. Використано дані стосовно ксенолітів із земної кори і складу магматичних порід різного віку та різної глибини розміщення осередків часткового плавлення мантійних порід. Глибина залягання провідників у верхній мантії відповідає глибині розміщення астеносфери. Втім значення електропровідності S для 1D и 2D моделей надто великі. У разі використання тривимірної моделі у південній частині Камчатки величина S об’єктів електропровідності в мантії зменшується. Таким чином, узгодження з тепловою моделлю уявляється можливим. Розглянуто результати побудови щільнісних моделей тектоносфери уздовж трьох профілів на Східній Камчатці і суміжній акваторії. Для моделі верхньої мантії використано теплову модель, що відповідає схемі глибинного процесу за адвекційно-поліморфною гіпотезою. Мантійна гравітаційна аномалія сягає значної величини — понад 200 мГал. Показано можливість пояснення спостереженого гравітаційного поля без підбору параметрів моделей

On the Magma Chambers beneath Klyuchevskoi Volcano, Kamchatka

AAbstract—Numerous summit and parasitic eruptions of moderate potassium magnesian and high-alumina basalts and basaltic andesites, their mineralogic and geochemical features, and the composition of in situ chilled melt inclusions in the olivine of cinder lapilli discharged by Klyuchevskoi Volcano all provide evidence of the presence of magma chambers beneath the volcano. This is also supported by a dualism in the variation of CaO and A1203 concentrations in olivine and clinopyroxene during crystallization. The mineralogic features in the high-alumina basalts that were discharged by all parasitic eruptions of Klyuchevskoi provide evidence of magnesian magma being emplaced from a deeper chamber into a shallow high-alumina chamber. The distribution of incoherent elements in the volcano's magnesian and aluminiferous rocks shows that they came from a single mantle source. The geochemical and mineralogic data are in good agreement with the results of geophysical surveys that concern the structure and properties of the lithosphere beneath Klyuchevskoi

Magma Chambers beneath the Klyuchevskoy Volcanic Group

A 3D velocity model of the Earth's crust beneath the Klyuchevskoy volcanic group has been constructed using the seismic tomography method. Anomalies of the velocity parameters related to the zones of magma supply to active volcanoes have been distinguished. Petrological data on the composition, temperature, and pressure of generation and crystallization of primary melts of Klyuchevskoy volcano magnesian basalts have been obtained. The primary melt corresponds to picrite (MgO = 13-14 wt %) with an ultimate saturation of SiO2 (49-50 wt %), a high H2O content (2.2-2.9%), and incompatible elements (Sr, Rb, Ba, Hf). This melt is formed at pressures of 15-20 kbar and temperatures of 1280--1320С . Its further crystallization proceeds in intermediate magma chambers at two discrete pressure levels (i.e., greater than 6, and 1-2 kbar). The results of the petrological studies are in good agreement with the seismotomographic model