Вулканический пепел раскрывает истинные причины извержения

Фото из открытых источников

Микроскопические данные, полученные из вулканического пепла, позволяют понять, как магма распадается, восстанавливается и снова соединяется во время взрывных извержений. Результаты исследования опубликованы в журнале Geology.

Когда произошло извержение вулкана Этна, пепел накрыл расположенный неподалеку город Катания и неоднократно нарушал работу его международного аэропорта.  На самом деле, что определяет, будет ли извержение вулкана производить мелкий, разлетающийся на большие расстояния пепел или более тяжелые куски, падающие ближе к эпицентру, остается на удивление неясным.

Новое исследование позволяет детально изучить микроскопический процесс образования этих фрагментов. Исследование возглавил Якопо Таддеуччи, вулканолог из итальянского Национального института геофизики и вулканологии.

При взрывных извержениях в воздух выбрасываются пирокласты — фрагменты магмы и горных пород, которые с огромной силой взмывают в воздух, и размер этих фрагментов определяет практически все аспекты представляемой ими опасности. Мелкодисперсный пепел может перемещаться на огромные расстояния и задерживаться в атмосфере, в то время как более крупные куски падают ближе и оказывают большее воздействие.

Нарушения затрагивают не только само извержение. «Они нарушают воздушное движение, они нарушают дорожное движение, и все равно их нужно удалять, нужно проводить уборку и оценивать их воздействие на урожай, растения, растительность в целом и дикую природу», — сказал Таддеуччи. «Важно понимать, как образуются эти частицы, потому что это определяет их характеристики».

Таддеуччи и его команда поставили перед собой задачу изучить пирокласты на уровне детализации, который обычно игнорируется в моделях извержений.  Используя сканирующую электронную микроскопию и рентгеновскую микротомографию — методы, позволяющие исследователям заглянуть внутрь частиц на микроскопическом уровне, — команда проанализировала фрагменты трех базальтовых вулканов: Этны и Стромболи в Италии, а также Кумбре-Вьехи в Испании.

Изучая микроскопические особенности, такие как разрушенные кристаллы, швы и мелкие обломки, внедренные в частицы, исследователи определили, как образовался каждый фрагмент. Затем они связали эти текстуры с конкретными условиями на разных этапах извержения.

Полученная картина значительно усложняет стандартные модели извержений. Вместо того чтобы частицы распадались в один четкий момент и в одном месте, глубоко внутри вулкана, прежде чем быть выброшенными наружу, этот процесс, как оказалось, разворачивается поэтапно, растянуто во времени и пространстве.

«Этот процесс не происходит в одной точке пространства и времени, а является длительным», — пояснил Таддеуччи. «Это нечто, охватывающее широкий промежуток времени и пространства, простирающийся от внутренней части вулкана до его внешней среды».

Учёным уже было известно, что фрагментация продолжается и после того, как материал покидает вулкан, при этом бомбы и более мелкие фрагменты лапилли заметно распадаются в воздухе. Данное исследование вносит вклад, который исследователи ранее не могли наблюдать напрямую.

Микроскопические данные свидетельствуют о том, что фрагментация также является длительным процессом, происходящим внутри самого вулкана, скрытым от глаз до тех пор, пока частицы не выйдут на поверхность.

Один из наиболее неожиданных результатов исследования касается того, что происходит после фрагментации. Трещины в магме могут заживать, а отдельные пирокласты могут снова соединяться, и исследователи обнаружили, что этот процесс может иметь такое же значение, как и первоначальное разделение, при определении конечного размера частицы.

«Мы получаем все больше и больше доказательств того, что размер частиц определяется не только расколом магмы, но и тем фактом, что разные частицы могут слипаться после раскола», — сказал Таддеуччи.

Поскольку размер частиц напрямую влияет на то, насколько далеко и широко пирокласты распространяются по воздуху, это открытие может помочь усовершенствовать компьютерные модели, которые ученые используют для прогнозирования того, как будущие извержения будут рассеивать пепел и обломки.

Учитывая, что в исследовании использовались данные об извержениях трех разных вулканов, возникает закономерный вопрос: будут ли обнаружены те же микроскопические признаки в материале, который произвела Этна? 

Ответ Таддеуччи не оставлял места для сомнений. «О, да, конечно», — сказал он. «Большинство базальтовых извержений, имеющих взрывной характер, приводят к образованию подобных структур».

Одним из преимуществ такого рода исследований по сравнению с изучением других стихийных бедствий является их устойчивость. Выявленные командой микротекстуры не исчезают со временем. Они остаются запертыми внутри вулканических пород еще долго после окончания извержения, предоставляя ученым возможность изучать извержения, произошедшие задолго до того, как кто-либо начал внимательно за ними наблюдать.

«Это наше большое преимущество по сравнению с землетрясениями и другими стихийными бедствиями, которые не оставляют столь приятных следов», — отметил Таддеуччи. 

Благодаря такой стабильности исследователи могут реконструировать условия фрагментации прошлых извержений, используя те же методы, что потенциально может повысить точность прогнозов будущих извержений.

Таддеуччи отмечает, что сравнение извержений в трех разных странах — задача, с которой его команда не смогла бы справиться в одиночку. В основе исследования лежало сотрудничество с коллегами из обсерваторий и учреждений, значительно выходящих за рамки официального списка соавторов статьи.

Исследователи, проводившие мониторинг Этны, Стромболи и Кумбре-Вьехи на местах, предоставили данные и образцы для более масштабного исследования. Именно такая подготовительная работа, незаметно проводимая и в значительной степени не упоминаемая в итоговой статье, зачастую и делает возможным проведение подобных исследований. 

В следующий раз, когда Этна или подобный ей вулкан обрушит пепел на город и приведет к отмене авиарейсов, микроскопические следы этого пепла могут уже рассказать ученым знакомую историю.