От «анатомии» вулканов – к их «физиологии»⁠⁠

Вулкан Спурр и кратер Пик. Аляска. Вид с юга. Image courtesy of AVO/USGS. Photographer McGimsey, R.G.

30 ноября 2018 г. в престижном научном журнале Scientific Reports, входящем в группу Nature, вышла статья новосибирских геофизиков, разработавших алгоритм для изучения временной динамики строения глубинных вулканических структур. Ее первый автор, заместитель директора Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука, член-корр. РАН И.Ю. Кулаков, дал краткое научно-популярное изложение этой и другой, схожей по тематике статьи, которая была опубликована в этом же году в Geophysical Research Letters

Вулканы представляют собой наиболее быстро меняющиеся природные геологические объекты. В отличие от других структур земных глубин, где процессы протекают в масштабах времени в миллионы и миллиарды лет, существенные изменения «внутренностей» вулкана могут произойти в течение нескольких лет, дней и даже часов. Изучение этой динамики помогает понять, как устроена вся система питания магматической системы и установить причины извержений, что дает нам ключ к предсказанию вулканических катастроф.

Для изучения внутреннего, глубинного строения вулканических структур в большинстве случаев используется метод сейсмической томографии, когда источником сейсмического сигнала служат землетрясения, часто случающиеся под вулканом. С первого взгляда задача обнаружения временной изменчивости кажется не слишком сложной: нужно просто разделить все данные по временным интервалам, построить для каждого интервала отдельную томографическую модель и сравнить их. Однако, как показывает практика, такой подход не работает, поскольку «подвулканные» землетрясения случаются нерегулярно и к тому же неравномерно. В результате полученные разницы между моделями будут, скорее, отражать изменения в системе наблюдения, а не реальные процессы внутри Земли.

Новосибирские исследователи предложили использовать другой подход, основанный на отборе наборов данных с идентичной геометрией, что позволило выявлять достаточно малые изменения глубинных структур. В 2018 г. этот алгоритм был применен для изучения двух активных вулканов – Галераса в Колумбии и Спурра на Аляске. Такой выбор был обусловлен, в первую очередь, тем, что на этих вулканах в течение продолжительного времени работала достаточно плотная сейсмическая сеть, и эти данные доступны. Во-вторых, в период инструментальных измерений на обоих вулканах наблюдались периоды активизации, которые могли приводить к существенным изменениям в их глубинном строении.

Вулкан Галерас. Колумбия. Photographer Jair Cadena

Вулкан Галерас – один из наиболее активных в Южной Америке: начиная со времени испанского завоевания, на этом вулкане произошло более сотни извержений. Последний эпизод активности наблюдался в период с 2002–2011 гг. В это время на вулкане эпизодически происходили взрывы с большим выбросом вулканических газов.

Строение вулкана Галерас в Колумбии по результатам повторной томографии. На моделях отчетливо видно, что в 2001–2007 гг. под вулканом наблюдалась аномалия грибообразной формы, показывающая расположение магматической камеры с питающим каналом. Разным цветом показано отношение сейсмических скоростей Vp/Vs, чувствительное к наличию жидкости (расплавов или флюидов). Коричневым цветом отмечены породы с высоким содержанием жидкой фазы

Изучение вариаций сейсмических скоростей показало, что в период максимальной активности непосредственно под вулканом формировалось тело грибообразной формы – активная магматическая камера с питающим каналом, соединяющим ее с более глубокими резервуарами горячей магмы. В периоды пониженной вулканической активности это тело становилось меньше либо вообще исчезало. Это означает, что внедрение перегретых флюидов может приводить к быстрому плавлению магмы в камере, что, в свою очередь, приводит к извержениям. Когда приток флюидов прекращается, магматический очаг достаточно быстро затвердевает и становится «невидимым» для сейсмической модели (Koulakov, Vargas, 2018).

Вторым объектом исследования геофизиков в 2018 г. стал вулкан Спурр – самый крупный действующий вулкан Аляски. В прошлом веке крупные извержения этого вулкана произошли в 1953 и 1992 гг., причем эти, как и все другие известные исторические извержения, шли не из основной вершины, а из бокового конуса. Когда в 2002 г. вулкан начало «трясти» в районе главного конуса, началось активное выделение вулканических газов из него, ученые стали готовится к новому извержению. Поскольку эта часть вулкана была «закупорена» уже много тысяч лет, извержение могло стать катастрофическим. К счастью для немногочисленного местного населения и к явному разочарованию для исследователей активность вулкана к 2006 г. постепенно сошла на нет.

Установка сейсмостанций на вулкане Спурр, Аляска. Photographer M. West

Результаты томографических исследований показали, что под вулканом имеется магматическая камера, верхняя граница которого до 2002 г. находилась на глубине около 5 км от дневной поверхности. При активизации вулкана магматический очаг поднялся на 2 км, а сам процесс подъема сопровождался активной сейсмичностью. Единственным объяснением такого значительного и быстрого изменения строения камеры может быть выброс перегретой воды из магматического очага и ее проникновение под большим давлением в верхнюю хрупкую часть земной коры.

Томографические модели отражают изменения внутри вулкана Спурр на Аляске во время сейсмического кризиса в 2002–2006 гг. В 2002 г. аномалия с повышенным отношением сейсмических скоростей Vp/Vs резко изменила свою форму, сместив верхнюю границу на 2 км вверх. Схематически показана возможная причина такого изменения, связанная с подъемом магматических флюидов

На глубине 2 км вода вследствие декомпрессии превращается в пар, который, продолжая подниматься, вызывает разрывы пород и образование все новых и новых трещин. «Хруст», возникающий при этом, регистрируется приборами в виде сотен и тысяч микроземлетрясений. Такой процесс ослабляет прочность коры и тем самым готовит путь для прорыва магмы. Однако в этом случае давления в очаге оказалось недостаточным для извержения. Возможно, через несколько десятилетий, после насыщения магмы новой порцией активных флюидов, вулкан сделает еще одну попытку извергнуться через центральный купол. Сделать это, вероятно, ему уже будет проще благодаря немалой «работе», которую он проделал в предыдущие годы.