В истории Земли не раз случались извержения супервулканов: триллионы кубометров магмы выбрасывались на поверхность планеты. Но в одних случаях это происходило довольно спокойно, а в других дело оборачивалось чудовищными взрывами и прочими катаклизмами.
Миллиард кубометров
Каких бы высот ни достигла земная цивилизация, человечество по-прежнему беззащитно перед крупными извержениями. В 2010 году вулкан Эйяфьядлайекюдль в Исландии на несколько дней оставил Европу без воздушного сообщения. Но по геологическим масштабам это было совсем крошечное извержение с объемом выбросов меньше одной сотой кубического километра.
Объем извержения - это суммарное количество всех материалов, выброшенных вулканом. Например, сотни кубических километров пепловых облаков могут соответствовать объему извержения менее 1 км3.
Истории известны катастрофические извержения (например, индонезийского вулкана Тамбора в 1815 году), которые поднимали в воздух до 150 кубических километров пород, истребляя все живое на обширных территориях вокруг вулкана и приводя к неурожаям и волнениям в другом полушарии.
Но даже такие крупные катастрофы могут показаться незначительными по сравнению с суперизвержениями (тысячи кубических километров выбросов), происходившими в недавнем геологическом прошлом. Такие события, случись они сейчас, кардинально изменили бы существование оставшегося в живых человечества, да и всю биосферу Земли.
Как Homo стал sapiensСамым мощным за последние несколько миллионов лет считается суперизвержение вулкана Тоба на Суматре, произошедшее около 72 тысяч лет назад. Тоба выбросил одним взрывом 2800 кубических километров пород. Сегодня на его месте находится вулканическое озеро длиной более 80 километров.
Субдукция - это когда одна литосферная плита (обычно океаническая) подползает под другую. Происходит это со скоростью примерно 2-8 сантиметров в год (примерно такими же темпами растет человеческий ноготь). Наиболее известные зоны субдукции находятся в Тихом океане.
По данным палеонтологов, это событие привело к сильному понижению средней температуры на Земле и к исчезновению многих видов животных и растений. А по одной из гипотез, именно пройдя через трудности этого периода, доисторический человек превратился в разумное существо.
Огромные кальдеры, оставшиеся после извержений, указывают, что на Тобе за последние два миллиона лет произошло по крайней мере три или четыре катастрофических извержения. Геологи пока не нашли окончательного ответа на вопрос, почему они повторялись именно в этом месте.
Схожим по масштабу было извержение 26,5 тысячи лет назад вулкана Таупо (Новая Зеландия). Примерно тогда же на Земле начался последний ледниковый период - некоторые специалисты связывают его с суперизвержением Таупо. Обе области супервулканизма (Тоба и Таупо) находятся в зонах субдукции - местах, где одна литосферная плита погружается под другую. Плавление и химические реакции в породах опускающейся плиты приводят к образованию магматических очагов. В результате их подъема на поверхности Земли появляются цепочки вулканов, среди которых встречаются и гиганты.
Плюмы под океаном и под сушейИтак, что бывает с вулканами, возникающими на стыке литосферных плит в зонах субдукции, мы выяснили. Но извержения происходят и в самых "невинных" местах - на большом расстоянии от границ плит. Такого рода вулканы образуются в результате выхода из мантии на поверхность струй раскаленного вещества, так называемых плюмов.
Литосфера включает в себя земную кору и наиболее прочную часть верхней мантии. Ее толщина под стабильными платформами может достигать двухсот, а в центре океанов - десятков километров. Ниже расположен менее вязкий слой, астеносфера, по которому участки литосферных плит могут перемещаться по поверхности Земли. Плюмы - потоки вещества, поднимающиеся вверх из глубин мантии Земли, чуть ли не от ядра. Приближаясь к поверхности, они "протыкают" литосферу и образуют центры вулканизма - как правило, внутри литосферных плит.
Самый яркий пример - Гавайская горячая точка. Тихоокеанская плита движется, а из глубин мантии в одном и том же месте бьет струя раскаленного плюма, постоянно "протыкая" литосферу и приводя к образованию все новых и новых вулканических островов. В результате на дне океана образуется цепочка вулканов, которая простирается на тысячи километров от активных Гавайев до древних образований возрастом около 70 миллионов лет у берегов Камчатки.
На континентах тоже встречаются следы плюмового вулканизма. Относительно свежие образцы - это молодые потоки базальтовой лавы в Саянах и в Северо-Восточной Африке, а также прекрасно сохранившиеся шлаковые конуса в Центральном массиве во Франции. Из более древних событий - знаменитые Сибирские траппы, образовавшиеся примерно 250 миллионов лет назад. Тогда на поверхность Земли вылилось аж 5 миллионов кубических километров магмы, что привело к одному из крупнейших вымираний биологических видов. Но сейчас в Сибири все спокойно: тайга, тундра да шахты, добывающие никель с медью.
Вулканическая область Йеллоустон в США - пример плюмового вулканизма, сопровождавшегося мощнейшими катаклизмами. Последние суперизвержения произошли там 2,1 млн, 1,3 млн и 640 тысяч лет назад, при этом объемы выброшенных пород составили соответственно 2 500 км3, 280 км3и 1 000 км3. Цифры впечатляют, хотя даже в сумме они в несколько раз меньше, чем в случае Гавайской горячей точки. При этом гавайские вулканы извергаются, скажем так, нежно: магма не спеша вытекает на поверхность, никаких взрывов и катастроф.
А вот в Йеллоустоне не раз случались масштабные катаклизмы. Во время наиболее крупных извержений этого супервулкана выбросы долетали до верхней границы стратосферы, а пепел покрывал значительные части территории Северной Америки.
Накопить силлы для взрыва - Почему же в Йеллоустоне происходят суперизвержения, а на Гавайях все спокойно? Ведь система питания этих вулканах одинаковая! - восклицает российский геолог
Иван Кулаков.
Не так давно в журнале Science была опубликована статья, написанная им в соавторстве с профессором Института физики Земли в Париже Николаем Шапиро: ученые сравнивали Гавайскую горячую точку и Йеллоустон.
- Различие между ними состоит в способах проникновения магмы на поверхность через земную кору. На Гавайях горячее вещество мантийного плюма проходит через относительно тонкую океаническую кору, состоящую из пород - условно говоря, базальтов, - близких по плотности к мантийному веществу. И в силу высокой температуры более легкий плюм достаточно свободно всплывает на поверхность через более тяжелую кору. Такой процесс происходит непрерывно и практически без катаклизмов, что приводит к спокойному выносу на поверхность огромного количества мантийного вещества. А вот через континентальную кору под Йеллоустоном плюму выйти намного сложнее, - объясняет Кулаков.
Континентальная кора состоит из двух примерно равных по толщине слоев. Нижняя часть имеет сходный с океанической корой "базальтовый" состав, в то время как верхний слой состоит из значительно более легких пород гранитного типа. Если крупный плюм находится под континентом, горячее мантийное вещество достаточно легко всплывает через нижний базальтовый слой, но не может продолжить подъем в силу своей большей плотности. В результате магма начинает накапливаться на границе между двумя типами коры. Плюм не проходит через верхнюю часть континентальной коры просто потому, что он тяжелее по плотности (простите за такой вульгаризм). В таких масштабах всплывание надо рассматривать примерно как движение в жидкости. Более плотная капля никогда не будет подниматься через менее плотное вещество.
По последним результатам сейсмической томографии, под Йеллоустоном сформировался гигантский резервуар горячей магмы объемом в 46 тысяч кубических километров.
По данным аспиранта
Новосибирского государственного университета Кайрлы Джаксыбулатова, работающего под руководством И. Кулакова и Н. Шапиро, этот резервуар имеет структуру слоеного пирога, в котором тонкие пласты магмы, так называемые силлы, чередуются с коренными породами. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Science в прошлом году.
Предполагается, что в течение длительного времени магма в этом очаге расслаивается на разные по плотности фракции. Тяжелые породы внизу, легкие с большим содержанием флюидов и газов - сверху.
- По достижении некоторой критической массы эта легкая фракция начинает проникать через верхнюю кору все выше и выше. В результате декомпрессии жидкие флюиды превращаются в газ - давление повышается, образуются новые трещины и каналы, что ускоряет подъем вещества и приток новых флюидов. Начинается лавинообразный процесс, впоследствии приводящий к взрыву супервулкана, - объясняет
Иван Кулаков.
Может ли произойти новое суперизвержение Йеллоустона или других подобных вулканов в ближайшей исторической перспективе? Этот вопрос волнует многих, ведь такого рода событие полностью изменит жизнь человечества и отодвинет все остальные проблемы на второй план.
- Последнее суперизвержение Йеллоустона было 640 тысяч лет назад, а периодичность, необходимая для накопления критической массы легкого магматического вещества, составляет 500-800 тысяч лет, - поясняет Кулаков. - Так что теоретически суперизвержение здесь возможно в самое ближайшее время. Ближайшее по геологическим меркам - речь идет о тысячах и десятках тысяч лет, что для человечества является весьма отдаленной перспективой.
О том, что Йеллоустонский вулкан жив и представляет потенциальную опасность, говорят результаты геофизических наблюдений. Современная активность магматического очага в районе кальдеры подтверждается, например, постоянными деформациями земной поверхности. Так, с 1996 по 2000 год область диаметром около 30 километров поднялась на 12 сантиметров, однако в последующие годы подъем замедлился и остановился. Под Йеллоустонской кальдерой регистрируется около 1000 землетрясений в год, однако большинство из них имеет тектоническую природу и связано с деформацией коры, а не с процессами в магматическом очаге. В настоящий момент там установлены сейсмические датчики, наклономеры, GPS-приемники и прочая геофизическая аппаратура, которая производит тщательный мониторинг состояния супервулкана. Это позволит заранее выявить признаки надвигающихся катастрофических событий.
Масштабные извержения происходят не вдруг - предшествующие процессы длятся достаточно долго, десятки, а может, даже сотни лет. Таким образом, идентификация предвестников суперизвержений даст человечеству шанс, приложив интеллектуальные усилия, минимизировать последствия катастрофы. Вот почему так важно продолжать изучение супервулканов, причем не только одного Йеллоустона. Однако исследования такого рода сложные и дорогостоящие, поэтому должны проводиться общими силами - учеными всего мира. Земля ведь и вправду наш общий дом.
