Извержения вулканов представляют собой серьёзную опасность и оказывают разрушительное воздействие как на живущих поблизости людей, так и на окружающую среду.
В настоящее время вулканическая активность прогнозируется на основе мониторинга процессов, происходящих в самих вулканах и в земной коре под ними толщиной в несколько километров, где присутствует готовая к извержению расплавленная порода.
Однако учёные установили, что очень важно искать подсказки о том, когда произойдёт извержение, гораздо глубже — там, где куски породы превращаются в магму, чтобы потом подняться в камеры, расположенные рядом с земной поверхностью.
«Наше исследование показало, что причиной извержений является не соотношение твёрдой и расплавленной пород, как считалось ранее, а плавучесть магмы».
Доктор Кэтрин Бут
Чтобы понять характерные черты вулканической активности, этого самого взрывоопасного природного явления на нашей планете, исследователи из Имперского колледжа Лондона (Imperial College London) и Бристольского университета (University of Bristol) провели исследование глубоких недр, позволяющих объяснить частоту, химический состав и масштаб извержений вулканов любого региона Земли.
Согласно полученным данным, опубликованным в журнале «Science Advances», масштаб и частота извержений тесно связаны со временем, в течение которого в резервуарах чуть ниже земной коры, на глубинах до 20 километров, формируется магма — чрезвычайно горячая расплавленная порода, и с размерами этих резервуаров.
Исследователи полагают, что сделанные ими открытия позволят более точно прогнозировать извержения вулканов, что в конечном итоге защитит множество людей и поможет свести к минимуму негативное влияние на биосферу.
Изучение вулканов во всех уголках Земли
В исследовании, проведённом учёными с факультета наук о Земле и инженерии Имперского колледжа Лондона, были рассмотрены данные о 60 наиболее взрывных извержениях вулканов в девяти странах: США, Новой Зеландии, Японии, России, Аргентине, Чили, Никарагуа, Сальвадоре и Индонезии.
Вот что рассказала автор исследования доктор Кэтрин Бут (Catherine Booth), научный сотрудник факультета наук о Земле и инженерии Имперского колледжа Лондона:
«Мы изучили вулканы по всему миру и копнули глубже наших предшественников, которые основное внимание уделяли неглубоким подземным камерам, где перед извержениями скапливается магма. Мы же сосредоточились на исследовании резервуаров-источников магмы на глубинах 10—20 километров, где твёрдые породы превращаются в магму под воздействием экстремально высокой температуры».
Команда исследователей, совместив фактический материал с передовыми компьютерными моделями, изучила состав, структуру и историю горных пород, находящихся глубоко под земной корой, а также информацию о действующих вулканах, чтобы выяснить, как магма, формируясь, ведёт себя глубоко под землёй, а потом поднимается сквозь толщу земной коры к вулканам.
Используя данную информацию, учёные создали компьютерные модели сложных процессов, происходящих с магмой в глубоких недрах Земли. Благодаря этому моделированию команда смогла существенно улучшить научные знания о том, какие факторы лежат в основе вулканической активности.
На рисунках А и В показаны те процессы, идущие в резервуарах-источниках, которые, по-видимому, способствуют мощному извержению вулкана. Сначала в ходе интрузии из верхней мантии образуется длительно существующий резервуар высококристаллизованной магмы. В этом резервуаре магма может стать менее кристаллизованной, и тогда она способна заполнить менее глубокую камеру, поднявшись в неё либо (А) через узкие трещины, называемые дайками, либо (В) через плавучие массы, известные как диапиры.
Другое дело, когда резервуар, выросший вверх, к поверхности земной коры, предоставляет магме возможность непосредственно проникать в неглубокую, верхнюю камеру (рис. C). По мере продвижения магмы через резервуар в ней происходят химические изменения, приводящие к аккумуляции слоя более развитой магмы у верхней части резервуара (рис. D).
Определение ключевых факторов, влияющих на извержения
«Наше исследование показало, что причиной извержений является не соотношение твёрдой и расплавленной пород, как считалось ранее, а плавучесть магмы, — отмечает доктор Бут. — Эта плавучесть контролируется температурой магмы и разницей в химическом составе между ней и окружающей её породой — по мере аккумуляции магмы её состав меняется, делая её менее плотной, более «плавучей» и способной подниматься. Как только магма становится достаточно плавучей, чтобы плавать, она поднимается, создавая в лежащей выше твёрдой породе трещины, а затем стремительно идёт через трещины и извергается наружу».
Ещё один важный фактор, требующий учёта при прогнозировании извержений, исследователи обнаружили, изучив поведение магмы в тот период, когда непосредственно перед извержением она поднялась из глубоких недр в неглубокие подземные камеры. Оказалось, что длительность неглубокого пребывания магмы под землёй может, как и плавучесть, существенно влиять на извержения вулканов: чем дольше магма находится неглубоко, тем слабее извержение.
Наиболее сильные и взрывные извержения, вроде бы, должны происходить там, где наибольшие резервуары магмы, но исследователи выяснили, что очень большие резервуары рассеивают тепло, замедляя процесс превращения твёрдых пород в магму. Это привело к выводу, что размер резервуаров является ещё одним ключевым фактором, учёт которого необходим для точного прогнозирования размеров извержений, и что существует оптимальный размер для максимально взрывных извержений.
А ещё полученные в ходе исследования результаты красноречиво свидетельствуют о том, что извержения редко представляют собой единичные события. Напротив, вулканическая активность циклична. Кроме того, лава исследованных вулканов имела высокое содержание кремнезёма — природного соединения, влияющего, как известно, на вязкость и взрывоопасность магмы: высокое содержание кремнезёма, как правило, делает магму более вязкой и приводит к более взрывным извержениям.
Дальнейшие шаги
«Улучшив понимание процессов, лежащих в основе вулканической активности, и предложив модели, проливающие свет на факторы, которые управляют извержениями, — отметил соавтор профессор Мэтт Джексон (Matt Jackson), заведующий кафедрой геологической гидродинамики факультета наук о Земле и инженерии Имперского колледжа Лондона, — наше исследование явилось чрезвычайно важным шагом на пути к более эффективному мониторингу и прогнозированию этих мощных геологических событий.
В своей работе мы не обошлись без ограничений: в нашей модели магма, в основном, течёт вверх, а резервуары-источники содержат только расплавленную породу и кристаллы. Однако есть свидетельства того, что в этих резервуарах имеются также другие подвижные элементы, такие как вода и углекислый газ, и что магма может завихряться и течь куда-то вбок».
В дальнейшем исследователи намерены усовершенствовать свои модели посредством включения в них трёхмерных потоков и учёта различных подвижных элементов. Таким образом они надеются продолжить детальное выяснение земных процессов, ответственных за извержения вулканов, чтобы в будущем мы смогли лучше готовиться к разрушительным природным явлениям.
Авторы оригинальной статьи: Хейли Даннинг (Hayley Dunning), Диана Кано Бордаханди (Diana Cano Bordajandi).