Что творится внутри Земли? Какие процессы там протекают? Еще недавно о многом из этого можно было только догадываться, судить по косвенным данным. И лишь в последнее десятилетие бурное развитие новых геофизических методов позволило приблизить давнюю мечту исследователей: видеть то, что происходит “далеко под нами”. Среди этих методов своими особыми возможностями выделяется сейсмическая томография. Перспективное направление успешно развивают ученые
Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука (
ИНГГ) СО РАН в Новосибирске. Любопытными подробностями внутренней жизни Земли с нашим корреспондентом поделился заведующий лабораторией сейсмической томографии
ИНГГ доктор геолого-минералогических наук Иван КУЛАКОВ.
- Сейсмическая томография, - начинает рассказ Иван Юрьевич, - это геофизический метод, который позволяет определить объемное распределение характеристик среды (в частности, скорости пробега или величины затухания сейсмических волн) по параметрам ее просвечивания сейсмическими волнами (скажем, по времени их пробега или амплитуде сигнала). Такие волны могут возбуждаться искусственными ударами, взрывами или естественными источниками - землетрясениями. Они регистрируются специальными приемниками, чувствительными “микрофонами”, которые улавливают “звуки” внутри Земли. Сейсмические волны распространяются в среде и “накапливают” совокупную информацию о распределении упругих свойств пород в пространстве между приемником и источником. Задача состоит в том, чтобы, используя возможности томографии, расшифровать такую информацию и получить трехмерное распределение параметров (например, степени затухания или скорости сейсмических волн), по которым можно многое сказать о состоянии пород на больших глубинах. Здесь немало общего с медицинской томографией, но есть некоторые особенности, которые значительно усложняют задачу. Допустим, при изучении структур внутри Земли очень трудно просветить их по разным направлениям, так как в реальных сейсмических экспериментах не всегда удается обеспечить оптимальное расположение источников и приемников. При изучении землетрясений сложность еще и в том, что кроме объемного распределения характеристик среды необходимо определять и местоположение источников, что может привести к неоднозначности при решении этой задачи.
И все же, несмотря на теоретические и практические трудности, связанные с применением сейсмической томографии, она в последние годы превратилась в мощный инструмент, который используется для решения многих фундаментальных и прикладных научных задач. Например, она позволяет увидеть механизмы крупномасштабных геологических явлений в мантии - первопричину всех тектонических процессов, которые происходят на поверхности планеты.
С помощью сейсмической томографии можно определить конфигурацию литосферных плит в мантии, которые ведут себя сложно в зонах коллизии (в местах, где сталкиваются континентальные блоки) и зонах субдукции (там, где одна литосферная плита погружается под другую). Томографические модели позволяют обнаружить следы мантийных струй - плюмов, которые иногда приводят к значительным базальтовым излияниям во внутренних частях литосферных плит, вдали от активных границ. Сейсмическая томография дает хорошие результаты и при изучении вулканов, разломных зон в районах крупных землетрясений и других объектов, что позволяет понять механизмы многих геологических процессов в земной коре. Мелкомасштабные томографические исследования широко используются в практических целях, таких как поиск и разведка полезных ископаемых, определение прочностных свойств пород при инженерных работах, в археологии.
- На каких же возможностях этого перспективного метода сосредоточилась ваша лаборатория и чем удалось удивить коллег?
- Наши сотрудники имеют опыт работы с реальными данными при решении многих прикладных и фундаментальных задач, но наше приоритетное направление - изучение вулканов. Это объекты с чрезвычайно контрастными физическими свойствами и, наверное, единственные геологические структуры, в которых процессы происходят в режиме реального времени. При достаточном количестве данных сейсмическая томография позволяет изучать изменения упругих параметров среды не только в пространстве, но и во времени. Один из самых эффективных индикаторов, отражающих состояние магматических очагов, - отношение скоростей пробега продольных и поперечных волн, величина которого повышается при наличии жидких флюидов или расплавов.
Наша лаборатория в числе первых в мире получила данные о существенном изменении свойств пород под вулканом во время цикла, связанного с крупными извержениями. С 1999 по 2009 год Камчатский филиал Геофизической службы РАН на Ключевской группе вулканов Камчатки проводил длительные сейсмологические наблюдения с помощью нескольких десятков сейсмических станций. Мы использовали данные этих наблюдений для построения четырехмерной модели коры и сопоставили ее с этапами извержений. Обнаружили, что основной питающий магматический источник под Ключевским вулканом расположен на глубине ниже 24 километров и он остается стабильным в течение всего периода наблюдений. А вышележащие структуры претерпевали серьезные изменения, что объясняется миграцией флюидов и расплавов. В период, который предшествовал крупным извержениям Ключевского и Безымянного вулканов в 2005 году, мы обнаружили два тела с аномально высоким отношением скоростей пробега продольных и поперечных волн. Они располагались друг над другом на глубинах 12 и 1 километр. Эти аномалии говорят о наличии промежуточных магматических камер, существование которых следует также из петрологической информации о разнообразии составов и режимов извержений вулканов Ключевской группы. В 2005 году, когда вулканы “ожили”, структура земной коры под ними резко изменилась: конфигурация сейсмических аномалий стала другой, а среднее значение отношения скоростей увеличилось. Это может говорить о более активной миграции флюидов и расплавов во время извержения, насыщении ими пород под вулканами. После извержений в последующие три года средний уровень отношения скоростей под вулканами уменьшился, а разные аномалии в верхней части коры исчезли. Это свидетельствует о наступлении фазы релаксации, когда количество флюидов в системе сокращается и становится недостаточным для формирования магматических очагов. На основании этих результатов мы сделали вывод о том, что магматические очаги - это динамические системы, которые способны менять свои свойства достаточно быстро. Скорее всего, они представляют собой пористое вещество типа губки, содержащее перегретые породы, близкие к точке плавления. При проникновении флюидов из мантии эта температура понижается, что может приводить к частичному плавлению пород и формированию магматических очагов. Но если в результате вулканической активности флюиды выходят на поверхность, расплавленная субстанция в магматических очагах может быстро исчезнуть.
Для получения новых данных по вулканам мы каждый год проводим полевые работы по формированию сетей сейсмических станций на вулканах Камчатки. В прошлом году установили сеть из 21 сейсмической станции на вулкане Горелый, который сейчас демонстрирует признаки активизации. В течение всего нескольких дней полевых работ мы зарегистрировали сотни сейсмических событий под вулканом. Установленная сеть в течение года будет в автономном режиме непрерывно записывать информацию о сейсмическом состоянии вулкана. Мы предполагаем получить уникальные данные, которые позволят впервые изучить детальное распределение вулканогенной сейсмичности под этим вулканом и построить его глубинную трехмерную сейсмическую модель. Летом планируем снять сейсмическую сеть с вулкана Горелый и переставить ее на вулкан Толбачик, известный своим впечатляющим извержением в 2012-2013 годах. Кроме собственных данных, которые получаем во время полевых работ, мы используем сведения о многих вулканах мира - это результат сотрудничества с ведущими сейсмологическими и вулканологическими центрами. Мы собрали уникальную “коллекцию” моделей различных вулканов, исследуя которые можно выявить общие закономерности строения вулканических систем и лучше понять принципы их функционирования.
- Расскажите о тех, кто с вами работает.
- Большая часть сотрудников лаборатории - аспиранты и студенты. Конечно, по материальному обеспечению нас не сравнить с коллективами нефтяных компаний, но той молодежью, которая вливается в наши ряды, движет не столько материальный интерес, сколько тяга к научному поиску. И в институте не скупятся на то, чтобы развивать это стремление, обеспечивать возможности для получения новых знаний. Мои молодые коллеги регулярно выезжают на стажировки в ведущие исследовательские центры Европы и США, где осваивают новейшие научные методики. Почти все они, в качестве первых авторов, публикуют статьи в ведущих международных журналах.
- Ну и немного о том, что можно ожидать в будущем.
- С помощью сейсмической томографии удается восстанавливать сценарии геологических событий, происходящих на больших глубинах. По накалу “страстей” они не уступают сюжетам голливудских триллеров. Нас, ученых, исследования в этой области увлекают своей красотой и масштабностью. Продолжая изучение удивительных явлений, мы поможем раскрыть множество загадок, связанных с работой “мотора” внутри Земли.
