04.05.2018

Термомеханическое моделирование помогло объяснить формирование магматической системы Йеллоустонского супервулкана

Используя моделирование на суперкомпьютере для интерпретации сейсмических данных, ученые из Орегонского университета построили геологическую модель сложного магматического очага, находящегося под Йеллоустонским супервулканом. Оказалось, что в средней части коры расположено субгоризонтальное твердое тело застывших пород, разделяющее верхний и нижний резервуары магмы и препятствующее прямому поступлению глубинной магмы к поверхности.

Йеллоустонский супервулкан считается действующим, хотя последний крупный выброс лавы на поверхность здесь произошел 70 000 лет назад, а возраст самой молодой из кальдер этого супервулкана — 630 000 лет. Дело в том, что под кратером вулкана до сих пор сохраняется активный очаг расплавленной магмы, готовой излиться на поверхность в любой момент. Поэтому очень важно понимать размеры этого очага, его строение и динамику происходящих в нем процессов. Ведь речь идет не о простом вулкане, а о гигантском супервулкане, извержение которого может иметь катастрофические последствия для всего североамериканского континента. Полномасштабное извержение Йеллоустонского супервулкана может уничтожить большую часть территории Соединенных Штатов и на долгие годы изменить климат на планете.

Супервулканы

Понятие «супервулкан» не является строго научным. Этот термин применяется для обозначения крупнейших вулканов планеты, извержения которых характеризуются огромным объемом выброшенного материала (не менее 1000 км) и разрушительными последствиями не только для окружающей местности, но и для глобального климата.

Каждое извержение супервулкана оставляет значительный след как в геологической летописи, так и в эволюционной истории Земли. Мощность супервулкана может в несколько раз превышать мощность всех вместе взятых обычных земных вулканов, активных одновременно с ним. Теоретически, извержение одного супервулкана может привести к гибели всего живого на планете.

В настоящее время на Земле насчитывают около двух десятков супервулканов. Они располагаются в разных регионах с высокой вулканической активностью (большинство - в Северной и Южной Америке) и по-разному проявлены в рельефе (некоторые вообще никак не проявлены). Общим является то, что под супервулканами всегда находится активный очаг магмы значительных размеров.

Единого согласованного списка супервулканов не существует, но какой бы обзор мы ни взяли, на почетном первом месте в рейтинге супервулканов всегда стоит Йеллоустон.

Особенность геолого-тектонического положения Йеллоустонского супервулкана заключается в том, что он расположен над гигантским мантийным плюмом, подпитывающим магматический очаг под Йеллоустоном. На протяжении последних 17 миллионов лет Северо-Американская континентальная плита сдвигалась в юго-западном направлении (примерно со скоростью 25 км за миллион лет) относительно мантийного плюма, а он раз за разом «прожигал» новые кальдеры на месте очередных извержений. В этом плане Йеллоустон, наряду с Гавайскими и Азорскими островами, Исландией и т. д., относится к типичным «горячим точкам», которые отражают на поверхности процессы магмообразования и вулканизма, связанные с восходящими потоками разогретого мантийного вещества.

Геофизическими исследованиями предыдущих лет было установлено, что магматический очаг под Йеллоустонской кальдерой имеет двухуровневое строение. На глубине 4–14 км расположен верхний резервуар, а на нижних горизонтах земной коры (20–45 км) находится более крупный нижний резервуар, возможно, непосредственно связанный с мантийным плюмом. Однако до последнего времени оставалось много вопросов о составе магмы в этих магматических телах и о механизме их формирования. Было лишь известно, что степень плавления материала в этих резервуарах, рассчитанная на основе скорости прохождения продольных сейсмических волн, составляет 9% и 2% соответственно. Это невысокие значения, позволяющие надеяться, что в ближайшее время нового извержения не произойдет.

Геологи из Орегонского университета — Дилан П. Колон (Dylan P. Colon) и Илья Биндеман (Ilya Bindeman) — с помощью моделирования, выполненного на суперкомпьютере, сумели во многом ответить на эти вопросы. В этом им помогли ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich), создавшие специальные алгоритмы так называемого «форвардного моделирования», позволяющего анализировать различные сценарии развития событий в земных недрах.

Построив термомеханическую модель эволюции участка земной поверхности над Йеллоустонским плюмом площадью 1000 на 300 километров, ученые воссоздали процесс образования в земной коре очага магмы, связанного с подъемом мантийного плюма.

Согласно этой модели, верхняя часть (голова) плюма имела форму уплощенного пузыря диаметром около 160 км, поднимающегося со скоростью 4,7 см в год. Образование очага плавления в земной коре началось в момент, когда верхняя часть плюма достигла нижнюю границу литосферы. Скорость образования расплава говорит о том, что температура плюма в этот момент была примерно на 175 °С выше температуры окружающей мантии, а толщина перекрывающей литосферы составляла примерно 80 км.

Затем произошло разделение магматического очага на две отдельные интрузивные зоны. Одна находилась прямо над границей Мохоровичича (на ее месте сформировался нижний магматический резервуар), а вторая — на глубине 7–15 километров от поверхности (верхний резервуар). Эти две интрузивные зоны различаются по химическому составу. В частности, верхняя сложена породами кислого состава (гранитами и риолитами) и богата растворенными газами. Большая часть ее материала представляет собой расплавленные породы верхней коры. Нижняя интрузивная зона получала частичную подпитку из мантии и сложена породами основного состава (базальтами). С верхним резервуаром связан прогрев окружающих пород верхних горизонтов коры, насыщенных водой, что вызывает образование знаменитых гейзеров и горячих источников Йеллоустона, которые, выводя тепло на поверхность, охлаждают магматический очаг и препятствуют катастрофическому повышению температуры в нем.

Из модели следует, что между верхним и нижним резервуарами частично расплавленных пород находится субгоризонтальное тело (силл) застывших изверженных пород, состоящих в основном из габбро — интрузивных пород, формирующихся на глубине из базальтовой магмы. Образование силла, разделяющего два резервуара магмы, связано с реологическими свойствами земной коры. На глубине около 5–10 км располагается так называемая зона хрупко-пластического перехода (brittle–ductile transition zone), ниже которой хрупкие породы верхней земной коры уступают место пластичным и вязким. Поднимающаяся из нижнего резервуара базальтовая магма аккумулировалась ниже границы хрупко-пластического перехода, растекаясь и затвердевая в виде силла сложной формы, мощность которого в раздувах достигает 10–15 км.

Авторы считают, что процесс формирования сложных многоуровневых магматических систем, где верхние резервуары с большой долей корового материала отделены силлообразными телами застывших пород от нижних резервуаров с базальтовой магмой, может являться типовым для всех супервулканов «горячих точек», расположенных над мантийными плюмами.

Исследователи также отмечают, что, хотя полученные ими результаты пока не позволяют прогнозировать будущие извержения, они помогают объяснить структуру подводящей магматической системы, являющейся источником магмы для этих извержений, что может помочь в дальнейших прогнозах. Кроме того, изучение процессов, происходящих в зоне хрупко-пластического перехода, способствует научному пониманию того, как мантийные плюмы влияют на эволюцию и структуру континентальной коры.

Владислав Стрекопытов

Источники:

1. elementy.ru