Как образуются суперизвержения? Почему они происходят на совершенно разных по своему геологическому строению вулканах? Как получается, что в одних случаях они достаточно спокойны и непрерывны, а в других — случаются раз в сотни тысяч лет и сопровождаются катастрофами глобального масштаба? Какова вероятность, что суперизвержение случится в ближайшие годы, и можно ли его предсказать? Сибирским учёным удалось разгадать феномен супервулканизма.
Проблемы суперизвержений обсуждались на
открытом семинаре в
Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН. Свои точки зрения на это явление высказали заведующий лабораторией сейсмической томографии
ИНГГ СО РАН доктор геолого-минералогических наук
Иван Юрьевич Кулаков, председатель Объединенного учёного совета а по наукам о земле СО РАН академик
Николай Леонтьевич Добрецов, старший научный сотрудник
ИГМ СО РАН доктор геолого-минералогических наук Сергей Захарович Смирнов и другие специалисты из
ИНГГ СО РАН и
ИГМ СО РАН. В результате бурной, но достаточно конструктивной дискуссии были выявлены точки соприкосновения, которые позволили построить более или менее целостную картину феномена супервулканизма.
«Классически в литературе суперизвержение определяется как извержение с объёмом выброшенных пород в твёрдом эквиваленте более тысячи кубических километров. Можно также говорить о силе взрыва (хотя он имеет место не всегда), о том, насколько высоко он поднимает эти породы, как далеко распространяет их», — рассказывает
Иван Кулаков.
Объём продуктов такого извержения достаточен, чтобы радикально повлиять на глобальный климат планеты, вызвав апокалиптические последствия. Например, вулканическую зиму (глобальное похолодание вследствие антипарникового эффекта, вызванного загрязнением атмосферы пеплом). Мощный взрыв, изменение состава воздуха, длительное понижение температуры могут оказаться губительными для всего живого, что подтверждается данными о предыдущих катастрофах. Насколько уязвима наша цивилизация по отношению к таким природным явлениям? Сможем ли мы научиться предсказывать их?
В течение последнего миллиона лет активность проявляли три супервулкана: Йеллоустоун (территория США, 640 тысяч лет назад), Таупо (Новая Зеландия, 26 тысяч лет назад) и Тоба (Индонезия, 74, 500 и 840 тысяч лет назад).
Таупо и Тоба располагаются над зонами субдукции, последний интересен тем, что там в течение одного миллиона лет произошло сразу несколько суперизвержений. Следы крупных кальдерообразующих катастроф находят и в других зонах субдукции, однако именно повторяемость их в одном месте делает кальдеру Тоба уникальной. Йелоустон же, активность которого связывается с наличием под ним мощной горячей струи в мантии плюма, представляет собой настоящую загадку для учёных, поскольку имеет кислый состав пород и взрывной характер извержений, характерный для зоны субдукции (которой под Йелоустоном нет). В прошлом году сибирские учёные нашли объяснение феномену этого вулкана
http://www.sbras.info/articles/opinion/chuzhoi-sredi-svoikh.
Оказалось, что Йеллоустон расположен над континентальной корой с верхним слоем гранитного состава, плотность которого существенно ниже мантийных базальтов. Магма из мантийного плюма пройти через эту преграду не может и в течение примерно полумиллиона лет формирует огромный очаг, где накапливаются легкие фракции и флюиды (в том числе, и вода). После достижения критической массы они проникают в верхнюю кору. В результате там образуется огромный очаг с очень вязкой магмой кислого состава, насыщенной горячей водой под большим давлением. Дегазация Н2O вызывает лавинообразный процесс, который, в итоге, приводит к колоссальному взрыву.
Когда исследователи изучили Тобу, оказалось, что там происходят похожие процессы. «С помощью сейсмической томографии мы создали трехмерную картину, которая, как мы считаем, прекрасно отражает многоуровневую магматическую систему этого супервулкана», — говорит
Иван Кулаков. На данной модели на глубине 30-50 км можно увидеть контрастную сейсмическую аномалию, которая, по мнению авторов, отражает наличие под корой огромного магматического очага объемом около 50 000 кубических километров. Внутри коры выявлена другая аномалия, вероятно, показывающая положение промежуточного очага. Как полагают учёные, именно эти две аномалии являются главными резервуарами, которые ответственны за супервулканизм.
«Почему несколько суперизвержений происходит в одном месте? На карте батиметрии дна Индийского океана отчетливо прослеживается протяженный хребет Исследователей, направленный непосредственно к вулкану Тоба. Он является трансформным разломом, разделяющий две различные по возрасту океанические плиты. В трещины под ним на достаточно большую глубину проникает большое количество воды. Океаническая литосфера вместе с насыщенным жидкостью хребтом начинает погружаться в мантию. В результате сложных физико-химических процессов, происходящих при повышении давления и температуры, вода покидает литосферу. С помощью сейсмической томографии можно увидеть, что основной ее поток выходит на глубине 150 км. Именно там на верхней границе погружающейся плиты регистрируются сильные землетрясения, — объясняет Иван Юрьевич. — Эта вода, поднимаясь вверх, приводит к активному преобразованию и плавлению вещества в мантии. В результате происходит образование капель расплава, которые наполняют базитовой магмой резервуар у подошвы коры. Из-за высокой плотности вещество из этого резервуара не может продолжать подъем через континентальную кору, но служит мощным источником летучих (легкие химические вещества, находящиеся в недрах Земли в жидком или газообразном состоянии), которые являются чрезвычайно эффективным переносчиком тепла вверх. В результате действия перегретых флюидов происходит плавление пород в верхней коре. Расплавленная магма кислого состава, насыщенная большим количеством горячей воды, является мощной взрывоопасной смесью, которая при достижении некоторой критической массы периодически приводит к суперизвержениям».
Таким образом, высокотемпературный базитовый очаг является не поставщиком материала для супервулканизма, но генератором высокотемпературных флюидов, которые, в конечном итоге, и способствуют суперизвержению. «Работа этого механизма абсолютно идентична что в Тобе, что в Йеллоустоуне. И здесь, и здесь есть печка — источник летучих. Отличие заключается лишь в том, что в первом случае она образуется за счёт потока воды, выделяемой из погружающейся океанической литосферы, а во втором — за счёт прохождения плюма. Верхние части у них похожи. Поэтому, хоть Йеллоустоун и Тоба по своей изначальной природе абсолютно разные, в результате оказывается, что у них много общего», — комментирует
Иван Кулаков.
«На мой взгляд, суперизвержение определяется случайным стечением геологических обстоятельств. Во-первых, в верхней части, близко к тем местам, где формируются его очаг, должен быть источник вещества и флюидов. По этой причине все суперизвержения «сидят» на зрелой земной коре. Во-вторых, нужна «печка», огромное количество базитового материала, являющегося источником тепла и в какой-то степени — вещества. Детонатором выступает, прежде всего, вода, создающая давление при превращении в пар. Соответственно, для суперизвержения необходимы условия, при которых она попадает в расплав и в течение какого-то времени не может оттуда удалиться», — говорит старший научный сотрудник
ИГМ СО РАН Сергей Смирнов.
Диана Хомякова
