26.10.2018

Ступенчатая эволюция магматических очагов может предотвращать суперизвержения

Извержение любого из супервулканов, которых на Земле в настоящее время существует около двух десятков, может не только спровоцировать глобальное изменение климата, но и стать катастрофическим для всего живого. Поэтому ученые стараются как можно детальнее понять механизмы, приводящие к образованию огромных объемов расплавленной магмы в земной коре, разобраться в этапах образования и эволюции магматических очагов под супервулканами, выяснить условия и скорости процессов, протекающих в этих очагах. Детальное исследование супервулкана Таупо в Новой Зеландии показало, что тектоническая активность не всегда провоцирует мощные извержения, а может, наоборот, снижать их силу — поэтапно, словно по ступенькам, «поднимая» магматический очаг ближе к земной поверхности.

К супервулканам условно относят крупнейшие вулканы планеты, некоторые извержения которых характеризуются огромными объемами выброшенного материала. Как правило, супервулканы не похожи на обычные вулканы: у них, например, нет характерных конусов, а при извержениях лава изливается из многочисленных трещин в земной коре, и образующиеся лавовые поля могут занимать огромные территории. При этом только за одно извержение на поверхность может излиться более 450 км³ лавы (такие извержения называются суперизвержениями).

Хотя не все извержения супервулканов являются суперизвержениями (многие — значительно скромнее), сам факт того, что все супервулканы активизировались многократно на протяжении длительных периодов (продолжительностью от нескольких десятков тысяч лет до 1 млн лет), а во время суперизвержений за считанные дни, максимум — месяцы, на поверхность изливались гигантские объемы лавы, позволял предполагать, что под супервулканами находятся огромные очаги магмы, в которых все это время поддерживается плавление. Хотя ученые и не понимали до конца, какие факторы определяют масштаб и периодичность извержений, на этом положении основывались все существующие модели супервулканов.

Чтобы разобраться в том, как происходит образование магматических очагов под супервулканами, сколько времени занимает процесс «созревания» магмы в этих очагах и из каких этапов он состоит, группа ученых из США, Новой Зеландии и Швейцарии под руководством Гильерме Гуальды (Guilherme A. R. Gualda) из Университета Вандербильта в Нашвилле (Теннесси, США) решила изучить систему древнего вулкана Таупо в Новой Зеландии. В период между 340 и 240 тыс. лет назад этот супервулкан извергался шесть раз (это так называемые фазы извержений). С каждой из фаз связана отдельная порция вулканических пород, характеризующаяся своим составом и условиями образования. Судя по объему продуктов этих фаз, только одно из шести извержений — самое раннее (фаза Whakamaru) — можно отнести к категории суперизвержений.

Авторы статьи исследовали породы Вулканической зоны Таупо (TVZ — Taupo Volcanic Zone) при помощи петрологических методов (петрология — наука, изучающая условия образования горных пород, процессы их формирования и преобразования). Анализируя последовательность образования минералов той или иной магматической горной породы, особенности их состава и распределения примесей внутри кристаллов, зональность этих кристаллов, скорость их роста и т. д., ученые-петрологи могут определить не только то, на какой глубине и при каких давлениях и температурах формировались эти породы, но и судить о скорости подъема магмы к поверхности и скорости ее охлаждения, этапности внедрения расплавов в верхние части земной коры, а также о тектонических условиях (динамической обстановке), которые имели место в зоне вулканической деятельности.

Исследование, описанное в обсуждаемой статье, состояло из следующих этапов. На основе разработанной двумя из ее авторов геобарометрической модели MELTS для риолитовых лав вычислялось давление, при котором происходила кристаллизация основных породообразующих минералов (кварца и полевого шпата) по мере эволюции вулканической системы и подъема магматического расплава к поверхности. Также производился анализ элементов-примесей в вулканическом стекле (матрице вулканической горной породы, в которой находятся включения кристаллов). Это было необходимо для того, чтобы понять, какие порции лавы имеют общий источник и как происходила эволюция их состава во времени.

На электронном микроскопе были получены катодолюминисцентные изображения зональности кристаллов кварца, а с помощью метода рентгеновской микрофлюоресценции — картина распределения примесей титана в тех же кристаллах. Анализ этих изображений позволил оценить скорость роста кристаллов кварца в расплаве, которая указывает на то, сколько по времени находилась магма в верхних частях земной коры (потому что именно в этих приповерхностных условиях в расплаве начинают формироваться кристаллы кварца), то есть сколько проходило времени от момента поступления расплава в верхнекоровый очаг до его излияния на поверхность («созревание» магмы).

Завершающим этапом было построение на основе полученных данных моделей фазового равновесия, позволяющих восстановить весь процесс эволюции магматической системы.

В результате было выяснено, что магматический очаг двух первых фаз извержения (Whakamaru и Matahina) был относительно неглубоким, и в нем поддерживались стабильные условия. Судя по данным геобарометрии, давление в этом очаге находилось на уровне меньше 125 MПа, что соответствует глубинам около 5 км. Все последующие фазы извержений были связаны с повторным поступлением магмы с глубины и новой стадией эволюции очага, для которой была характерна миграция зоны магмообразования все ближе к поверхности с каждым новым эпизодом вулканизма. Соответственно менялось и давление, при котором начиналась кристаллизация. Авторы назвали это явление «ступенчатым подъемом» магматического очага. Ранее же считалось, что магматический очаг вулкана Таупо всегда находился на глубине около 5 км, и кристаллизация всех фаз происходила примерно при одном и том же давлении (желтая полоса на рисунке).

Таким образом была выяснена очень интересная закономерность. Если магматический очаг, испытывающий подпитку глубинными расплавами, долго остается стабильным и находится на одной и той же глубине, в нем происходит накопление гигантских объемов расплава, которые затем могут изливаться на поверхность в виде суперизвержений. Как правило, такая ситуация имеет место в случае спокойной тектонической обстановки. В случае же, когда тектоническая обстановка менее спокойна, при каждом последующем нарушении магматического очага он мигрирует в верхние горизонты земной коры по принципу «ступенчатого подъема», что сопровождается менее интенсивными извержениями.

Время же «созревания» магмы перед извержением и в том и другом случае примерно одинаково и при этом очень короткое (не более 100 лет). Об этом свидетельствуют данные скорости роста кристаллов кварца в расплаве. Все изученные образцы кварца начали свою кристаллизацию в расплаве за 10–100 лет до начала извержения соответствующей фазы.

Тесная связь между тектоникой и извержениями для супервулканов предполагалась и ранее, но считалось, что тектонические подвижки провоцируют излияния. Однако выясняется, что все, скорее, наоборот. При тектонических подвижках по разломам, проникающим в очаг магмообразования, происходит разгрузка давления в очаге, и магма лишь поднимается ближе к поверхности, не изливаясь на поверхность.

Вторым важным результатом исследования является определение времени, проходящего от начала кристаллизации в расплаве до самого извержения. Оно оказалось несопоставимо короче, чем интервалы между разными извержениями. Это значит, что каждое последующее извержение было не результатом излияния магмы из одного, действующего на протяжении длительного времени магматического очага, как думали раньше, а было связано с процессами, протекающими в отдельных, самостоятельных очагах. Каждый из этих очагов, хоть и являлся звеном единой эволюционной цепочки всей вулканической зоны, был связан с самостоятельной порцией глубинных расплавов, поступающих с глубины к поверхности в результате тектонических подвижек.

Владислав Стрекопытов

Источники:

1. elementy.ru