Не «эффект бабочки», но рядом: как ливень может привести к извержению вулкана

В мае 2018 года произошло крупное извержение вулкана Килауэа на одном из островов Гавайского архипелага, которое продолжалось несколько месяцев. Оказывается, оно могло быть вызвано сильными тропическими ливнями из-за увеличения давления грунтовых вод.

Извержения вулканов происходят, когда магма из внутренних частей вулкана (магматической камеры) поднимается на поверхность, например, при разрыве пород из-за сверхдавления в камере. Характер и частота извержений зависят от множества факторов, включая состав магмы, и даже форму вулканической постройки. Согласно недавнему исследованию, мощные продолжительные ливни тоже могут вызвать извержение. Статья авторов из университета Майями по результатам моделирования гидрогеологической системы гавайского вулкана вышла в конце апреля 2020 года в Nature.

Вулкан Килауэа на острове Гавайи считается одним из самых активных на Земле. Последнее его извержение началось в 1983 году, и продолжается до сих пор, однако его деятельность проходит фазы различной активности, с образованием новых лавовых озёр, выбросами из конуса вулкана или относительным затишьем. Активная фаза извержения, начавшаяся в начале мая 2018 года, сопровождалась сильным землетрясением магнитуды 6,9, и оказалась самым катастрофическим событием за 200 лет. При этом для лавы открылся новый путь выхода на поверхность, отличный от «обычного» за последние 35 лет. Потоки лавы по нему в течение следующих нескольких месяцев сильно повредили инфраструктуру на острове. Кроме того, механизм инициирования этой фазы оказался неясным: перед извержением не было зафиксировано характерных предвестников, например, в виде вздутия пород на поверхности, которое часто указывает на повышенное давление в магматической камере.

В новостях последних недель промелькнуло несколько извержений известных вулканов, включая Кракатау в Индонезии, Стромболи в Италии и Ключевскую Сопку на Камчатке. Про это есть две недавние заметки на сайте: Кракатау — заметка 1, про Ключевскую Сопку и аналогичные события — заметка 2. Гавайский вулканизм — это явление другого порядка с геологической точки зрения. Напомним, что большинство вулканов сосредоточено в неустойчивых областях земной коры — на границах литосферных плит (подробнее см. указанные две заметки). Эти сравнительно небольшие извержения последних недель в основном относились к стромболианскому типу, характерному для таких окраин (небольшие взрывные выбросы лавы и дыма, немного напоминающие лабораторные вулканы). Вулканы Гавайских островов относятся к гавайскому типу: для них характерно течение лавы по поверхности при сравнительно скромном участии выбросов дыма с пеплом. Эта разница обусловлена ключевым отличием состава магмы на Гавайях и, например, на Ключевской Сопке.

Магма — это расплавленные породы земной коры, составленные из силикатных (содержащих кремний) минералов. Магма может оставаться и на глубине, постепенно остывая и формируя плутонические (т.е. глубинные, или «интрузивные») магматические породы, например, граниты, габбро и т.д. Лава — это магма, вышедшая на поверхность при извержении вулкана. Ключевой параметр классификации магматических пород — это «кислотность» породы, то есть содержание в её минералах кремния, или кремнезёма SiO₂ (с химической точки зрения оксид соответствует своей кремниевой кислоте, отсюда и название). Отметим, что термин «кислотность» здесь не имеет отношения к кислой/щелочной реакции, как принято в химии. Самые известные кислые породы — это граниты. Здесь избыток кремнезёма в породе выделяется в виде хорошо заметных зёрен кварца (читатели из Петербурга могут при случае рассмотреть эту их особенность на гранитных набережных Невы). На другом конце этой шкалы — оснóвные породы с недостатком кремнезёма; наиболее знакомый их представитель — базальт. Земная кора под континентами принципиально отличается от океанической: континентальная кора содержит гранитный слой, а океанская кора сложена базальтами. Кислые и основные силикаты в расплаве ведут себя по-разному. Кислая магма — очень вязкая, а основная — наоборот, более текучая. Это связано с особенностями строения соответствующих силикатных минералов, то есть связывания в них атомов кремния. В рамках небольшой заметки нет возможности сильно вдаваться в детали, но из сказанного уже ясно, что характерной чертой извержений посреди океана будут лавовые «реки» (эффузивные извержения). Такого же типа вулканизм можно наблюдать в Исландии. А на континентах сдвиг будет в сторону «эксплозивных» (взрывных) извержений, когда вулкан выбивает в воздух «пробку» из очень вязкой лавы (Везувий).

Геологическое положение Гавайских вулканов тоже необычно: они не укладываются в закономерности размещения вулканов по границам плит, например, по Тихоокеанскому огненному кольцу, где находится наша Ключевская Сопка. Они возникли посреди Тихоокеанской плиты. Общепринятая теория их возникновения — это модель «горячей точки» (hot spot). Вкратце: источник вулканизма находится где-то глубоко в мантии Земли примерно на одном месте, в то время как Тихоокеанская плита движется над ним со скоростью около 50 км за миллион лет в направлении на северо-запад. Периодически этот источник «пробивает» кору, и в этом месте образуется очередной вулканический остров. Вулканы Гавайского архипелага становятся старше по направлению к северо-западу, а современные действующие вулканы, включая Килауэа, расположены на самом юго-восточном и самом крупном острове Гавайи.

Сильные ливни увеличивают количество грунтовых вод, соответственно увеличивается их давление. Вулканические породы на Гавайях весьма водопроницаемы, поэтому вода с поверхности может проникать на глубину до нескольких километров, то есть уже до областей, в которых скапливается магма, соответственно изменяя картину напряжений в породах вблизи магматических камер. Это распространение напряжений занимает некоторое время, поэтому задержка между периодами дождей и возникновением трещин на глубине может быть указанием на причинно-следственную связь между ливнями и разрывами породы.

Авторы выполнили математическое моделирование изменения давления в породах, слагающих вулкан Килауэа, на интервале времени в несколько месяцев перед началом цикла извержений 3 мая 2018 года. Основной инструмент при построении таких моделей — уравнение диффузии сквозь породу от поверхности вниз и более-менее правдоподобные оценки для соответствующих коэффициентов — пористости, проницаемости породы, её упругих свойств и т. д. Часть из этих параметров получается только при измерениях в лаборатории, и при их экстраполяции на реальные условия возникает дополнительная неопределённость. Согласно оценкам, изменение давления из-за инфильтрации вод с поверхности на глубине несколько километров может составить порядка нескольких до нескольких десятков кПа. Это даже меньше, чем атмосферное давление (100 кПа), однако из результатов мониторинга землетрясений известно, что если породы уже находятся в состоянии, близком к разрыву, землетрясение может быть вызвано изменениями давления даже около 1 кПа. В частности, триггером для многих землетрясений являются океанские приливы, вызывающие дополнительные нагрузки на породы. Это наблюдение пытаются использовать для прогнозирования неизбежных (в течение ближайших часов) землетрясений. Магматическая камера — более неповоротливый механизм по сравнению с  породами вблизи механического предела, и пока неясно, насколько реально вызвать выбросы из неё на поверхность такими простыми средствами.

Кроме математической модели, авторы основываются и на других результатах. Прежде всего — извержение 2018 года не сопровождалось существенным подъёмом пород на поверхности из-за увеличения давления в самой магматической камере перед извержением (изменения порядка десятков сантиметров, которые мониторятся при помощи космических радарных снимков, и рассматриваются как предвестники извержений). Кроме того, исторические данных по извержениям вулкана указывают на то, что они статистически чаще происходят в сезоны дождей на Гавайях с начала марта по конец августа. Последнее катастрофическое извержение мая 1924 года также следовало за периодом необычайно сильных ливней.

Вулканическая деятельность и процессы на поверхности Земли — например, эрозия горных пород, или круговорот воды — это два разных класса процессов, соответственно называемые эндогенными и экзогенными. У них разные движущие силы, области действия и разные масштабы, в том числе по времени: литосферные плиты движутся десятки миллионов лет, профиль реки изменяется за десятки лет, а формирование современного рельефа — вопрос всего пары миллионов лет. На непонимании соотношения этих масштабов основываются «идеи» в новостях вроде предложения предотвратить землетрясение, или извержение Йеллоустона, закачав в недра воды или похожие. Но эндогенная и экзогенная подсистемы иногда оказываются связанными, как показывают и эти результаты. Пока что это гипотеза, основанная на моделировании, плюс наблюдения, что вулкан действительно чаще извергается во «влажные» сезоны. Землетрясения действительно могут инициироваться внешними причинами, например, приливами, или подвижками земной коры из-за схода ледников, а для вулканов изучение такой взаимосвязи только начинается.