Nature: в спящих вулканах до сих пор сохранились глубокие магматические залежи

Фото из открытых источников

Вулканы, которые кажутся спокойными, могут по-прежнему содержать большое количество расплавленной магмы вблизи поверхности Земли, даже спустя долгое время после того, как воспоминания об извержениях стираются из памяти.

Новые данные свидетельствуют о том, что эта погребенная магма может сохраняться годами, а это значит, что длительные периоды без активности не обязательно снижают существующий риск. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Geoscience.

На территории Каскадного хребта на северо-западе Соединенных Штатов исследователи выявили обширные магматические резервуары под несколькими крупными вулканами, которые в последнее время практически не проявляли извержений.

Работу возглавил Гуаньнин Пан из Корнельского университета. Он изучает, как землетрясения обнажают скрытую под землей магму. Он объединил усилия с Геологической службой США (USGS) для использования уже существующих станций мониторинга, расположенных вокруг нескольких крупных вершин. Вместе команда подвергла сомнению упрощенное представление о том, что магма вытекает после извержений и исчезает, когда вулкан переходит в спящее состояние.

Жители населенных пунктов от штата Вашингтон до северной Калифорнии проживают вблизи вулканов, которые Геологическая служба США (USGS) в обновленной оценке отнесла к категории «очень высокая угроза».

Эта зона субдукции, где одна тектоническая плита погружается под другую, питает магму, поднимающуюся вверх, и способствует образованию вулканов вдоль горного хребта.

Извержения были не единственной проблемой, поскольку пепел и быстрые грязевые потоки могли стремительно нестись по речным долинам при таянии снега и льда.

Знание того, действительно ли магма исчезает между извержениями, имеет важное значение для систем предупреждения, планов землепользования и дорогостоящих решений о местах размещения датчиков.

Далекие землетрясения передают вибрации через земную кору, а магма изменяет эти вибрации, размягчая горные породы и замедляя их движение.

В ходе исследования ученые отслеживали сейсмические волны, пересекавшие центры вулканов после землетрясений, произошедших на значительном расстоянии.

Они искали места, где волны резко замедлялись, что свидетельствует о частичном расплавлении, то есть о наличии в породе некоторого количества жидкой магмы.

Поскольку твердая порода передает вибрации быстрее, чем жидкость, это замедление указывало на накопление магмы, даже когда на поверхности не наблюдалось новой активности.

Сигналы позволили отследить магматические тела на глубине примерно от 4,8 до 14,5 километров ниже вершин, в зоне, которая до сих пор находится внутри земной коры.

В большинстве наиболее изученных вулканов имелся резервуар диаметром примерно от 4,8 до 9,7 километров, что достаточно велико, чтобы влиять на давление и движение газов.

На восьми целевых участках исследователи обнаружили наиболее четкие признаки плавления под шестью пиками, в то время как на двух участках не хватало достаточного количества станций мониторинга для подтверждения достоверности результатов.

Такое сочетание сигналов указывает на то, что отсутствие данных может быть следствием недостаточного мониторинга, а не всегда отсутствия магмы в земной коре.

У некоторых вулканов магма хранилась непосредственно под вершиной, но одним из ключевых исключений было то, что магма хранилась на расстоянии нескольких километров в сторону от вершины.

Например, в результате геофизических исследований на горе Сент-Хеленс было обнаружено водохранилище, смещенное к юго-западу от кратера, что соответствует более ранним данным других геофизических работ.

Смещение может происходить, когда магма следует за зонами в земной коре, поэтому горячие породы могут не находиться под вершиной.

Для людей, живущих ниже по склону, такая геометрия влияет на то, какие долины подвергаются наибольшему риску будущих извержений или обрушений.

Замедление волн было настолько значительным, что объяснить его одним лишь теплом было бы недостаточно, поэтому, вероятно, часть породы расплавилась.

Чтобы перевести это замедление в расплав, команда оценила долю расплава — долю породы, которая представляет собой жидкую магму.

Наилучший диапазон значений составлял от 13 до 32 процентов, что позволяло поддерживать уровень воды в водохранилище ниже уровня, при котором, как предполагалось, вода будет свободно течь и произойдет извержение.

Такое состояние соответствует магме, богатой кристаллами и медленно движущейся. Это означает, что большой резервуар может существовать, не прорываясь на поверхность.

На протяжении десятилетий многие считали наличие большого магматического массива признаком скорого извержения, поскольку такие явления между извержениями казались редким явлением.

В своих публичных комментариях авторы подчеркнули, что долгоживущая магма может быть нормальным явлением, а не внезапным фактором, способным вызвать катастрофу.

«По всей видимости, эти магматические тела существуют под вулканами на протяжении всего их жизненного цикла, а не только в период их активности», — сказал Панг.

Такой подход смещает акцент в мониторинге на изменения во времени, а не рассматривает единичный снимок магмы как доказательство неизбежного извержения.

Геологическая служба США создала Национальную систему раннего предупреждения о вулканической активности — план, позволяющий соотносить уровни мониторинга с угрозой на всех вулканах США.

В районе Каскадных гор Каскадная вулканическая обсерватория использует сейсмометры, датчики движения грунта и газовые приборы для отслеживания сейсмической активности.

Более точные карты расположения магмы могут помочь определить места размещения датчиков, снизив затраты и повысив вероятность раннего предупреждения.

«Если бы у нас было более общее представление о местонахождении магмы, мы могли бы гораздо эффективнее нацеливать и оптимизировать мониторинг», — сказал профессор Джеффри А. Аберс из Корнельского университета.

Для получения изображений вулканов в более ранние периоды часто требовались разветвленные сети сетей, поэтому ученым приходилось годами планировать и нести большие затраты, прежде чем получить какие-либо полезные результаты.

В ходе более ранних полевых экспедиций иногда требовалось развертывание десятков или сотен датчиков, что ограничивало выбор вулканов, которые вообще можно было изучать.

Этот новый подход сработал всего с тремя широкополосными сейсмометрами — приборами, регистрирующими как низкие, так и высокие частоты, — расположенными вблизи вулкана.

Имея базовый уровень, повторные измерения могут выявить изменения в волновых паттернах, которые отражают повышение температуры расплава или давления.

Результаты описывают земную кору, в которой магма может существовать в спокойном состоянии, заставляя ученых отделять реальное присутствие от непосредственной опасности.

В дальнейших исследованиях можно будет отслеживать реальные изменения в движении расплава и газов, признавая при этом, что одних только карт недостаточно для определения времени извержений.