Давно существующая теория вулканических извержений может оказаться ошибочной

Фото из открытых источников

Если спросить любого вулканолога, что вызывает извержение, то большинство ответит, что дело в пузырьках. Десятилетиями считалось, что мощные извержения происходят, когда газы, такие как углекислый газ и водяной пар, выбрасываются из поднимающейся магмы, подобно шипению в открытой бутылке шампанского. Но анализ древнего извержения в Японии предполагает, что ученые, возможно, ошибаются: извержения могут быть вызваны поглощением пузырьков обратно в магму, пишут исследователи в статье, опубликованной в журнале Nature Communications.

«Это смена парадигмы, или, по крайней мере, иной подход к тому, как газ может фактически способствовать возникновению вулканических извержений», — говорит Оливье Бахманн, вулканолог из ETH Zürich.

Хотя образование пузырьков газа является классическим ускорителем извержения, возможны и другие механизмы. Смешивание различных порций магмы может дестабилизировать систему. Закупорки и крышки в вулканических каналах со временем могут ослабевать. Внешние воздействия — землетрясения, изменения региональных тектонических напряжений или приток грунтовых вод — также являются факторами.

Однако подземные магматические системы трудно изучать ученым. Вместо этого исследователи часто обращаются к минералам, содержащимся в породах, выброшенных в результате извержений. Одним из таких минералов является апатит, который в процессе роста кристаллической структуры фиксирует такие элементы, как хлор и фтор. Поскольку хлор и фтор являются летучими веществами, легко превращающимися в газ, их присутствие в кристаллах указывает на то, была ли магма пузырчатой. Апатит также включает в себя такие металлы, как магний, концентрация которого меняется по мере изменения магмы с течением времени. Вариации содержания элемента по всей толще кристалла могут служить своего рода геологическим архивом на протяжении всего жизненного цикла магмы. Вместе эти химические признаки могут показать, присутствовал ли газ в магме перед извержением. Апатит хорошо подходит для того, чтобы «запомнить всю историю» извержения, говорит Бахманн. Он обладает «огромным потенциалом для разгадки некоторых тайн магматических камер».

Франциска Келлер из Тринити-колледжа в Дублине взяла образцы апатита из горных пород в кратере японского вулкана Асо, одного из крупнейших в мире. Основываясь на предыдущих методах датирования пород с использованием радиоактивного распада аргона, Келлер знала, что некоторые образцы образовались во время последнего крупного извержения Асо около 86 000 лет назад, а некоторые — во время меньшего извержения примерно 5000 лет назад. В более старых образцах кристаллы апатита показали наличие пузырьков, как и ожидалось. Но в образцах с крупного извержения признаки наличия пузырьков исчезли. «Большинство людей думают: „Хорошо, мы выращиваем пузырьки, и со временем их будет больше“», — говорит Келлер. «Но никто на самом деле не задумывался об обратном».

Келлер и ее коллеги провели моделирование, чтобы смоделировать давление, которое мог испытывать вулкан, учитывая свойства газа и магмы, наблюдаемые в кристаллах апатита. Наилучшее объяснение перевернуло с ног на голову общепринятые представления об извержениях.

Предстоящее извержение начинается, когда свежая магма проникает в вулканическую систему из земных глубин, находящихся под высоким давлением. По мере подъема магмы давление снижается, что приводит к выбросу крошечных газовых пузырьков, которые могут достигать сантиметров в размере. С 1980-х годов ученые считали, что эти пузырьки увеличивают объем системы, повышая давление до тех пор, пока не произойдет извержение вулкана.

Команда Келлер считает, что более важным фактором является другой фактор: насколько сильно можно сжать магму. Хотя пузырьки увеличивают объем, они также сохраняют сжимаемость магмы, что помогает ей адаптироваться к тесным подземным пространствам, не создавая чрезмерного давления. Но если пузырьки поглощаются обратно, магма становится менее сжимаемой, и давление нарастает до извержения.

«Априори эта идея имеет смысл», — говорит Кэтрин Аннен из Института геофизики Чешской академии наук. Ее недавние исследования вулканов показали, что пузырьки магмы образуются с низкой скоростью, что уже вызвало у нее «некоторое скептицизм по поводу того, что летучие вещества управляют системой подобно скороварке».

Фил Шейн из Оклендского университета, считает, что необходимо провести гораздо больше исследований, прежде чем вулканологи откажутся от своей давней идеи о пузырьках, главным образом потому, что извлечение количества древних газов из апатитов — задача крайне сложная. «В основе этих предположений лежат допущения», — говорит он. Со временем, по его мнению, идея о реабсорбированных пузырьках может оказаться «столь же хорошей, как и наше традиционное представление о появлении пузырьков и извержении». Но пока «я пока не определился».

Келлер надеется проверить свою теорию на других вулканических участках и сотрудничать с учеными, изучающими признаки предупреждения об извержении. Хотя исчезающие пузырьки могут играть роль во всех вулканах, она считает, что эта идея может быть важна для крупных вулканов, таких как Асо, которые плохо изучены, потому что извергаются очень редко. «Мне кажется, мы иногда забываем о [супервулканических] системах, потому что у нас есть небольшие системы, такие как Исландия, которые извергаются снова и снова», — говорит Келлер. «А эти большие вулканы стоят, немного спят, но однажды они снова извергнутся».