Кристаллы раскрывают причины извержения семь совершенно разных вулканов

Фото из открытых источников

Кристаллы семи андских вулканов имеют один общий химический профиль, связывающий извержение каждого вулкана с выбросом горячей магмы снизу. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

Вулкан, который извергается один раз и навсегда затихает, кажется совсем другим явлением, чем тот, который извергался снова и снова. Исследование семи андских вулканов показало, что, несмотря на различную историю их извержений, у них был общий триггер.

Последние кристаллы, образующиеся перед каждым извержением, имеют одинаковый химический состав, что указывает на импульс более горячей магмы, поднимающейся снизу. 

Даниэла Парра-Энкалада из Квинслендского университета расшифровала этот «отпечаток пальца» в плагиоклазе. Это распространенный белый минерал, составляющий большую часть кристаллов в вулканических породах.

Парра-Энкалада работала со старшим автором Терезой Убиде и коллегами из Австралии, Чилийского университета, Испании и Аргентины. Вместе они собрали лаву и пепел с семи вулканов, расположенных вдоль 230 километров Центральных Анд.

В основе работы лежат 28 образцов горных пород. Вопрос о том, сможет ли тот же сигнал когда-либо помочь предсказать извержение, команда только начала изучать.

«Плагиоклаз образуется в магме всего в нескольких километрах от поверхности, реагируя на изменения температуры, содержания воды и состава магмы», — сказала Парра-Энкалада.

Одна из таких реакций — замена кальция на натрий, поэтому каждый кристалл сохраняет информацию об расплаве, из которого он вырос.

В каждой разрезанной командой породе обнаруживались два вида кристаллов. Крупные, длиной до 2 миллиметров, медленно росли, пока магма хранилась под землей.

Крошечные образования, короче примерно 300 микрометров, выросли во время последнего подъема на поверхность. Эти крошечные кристаллы — единственные, которые образовались целиком из извергнутой магмы.

На всех семи вулканах наблюдалось практически одинаковое соотношение кальция и натрия, и внешние края крупных кристаллов соответствовали этому соотношению. Команда назвала эту узкую полосу полем извержения плагиоклаза. Эти вулканы были совершенно разными.

Ласкар, самый активный вулкан в регионе, имеет соседей, извергавшихся лишь однажды, некоторые из которых произошли 3 миллиона лет назад. Одни расположены на главной вулканической дуге, а другие — далеко позади неё, где толщина земной коры вдвое меньше.

«Больше всего нас удивило то, что это сходство связано с текстурой и формой кристаллов плагиоклаза», — сказала Парра-Энкаладу.

Ядра крупных кристаллов рассказывали совсем другую историю. Примерно половина всего плагиоклаза в этих породах образовалась вовсе не из изверженной магмы. Его химический состав указывает на богатый кремнеземом расплав, который долгое время охлаждался и кристаллизовался на глубине нескольких километров. По пути он впитывал материал из окружающей земной коры.

Вулканологи называют такое вялое, насыщенное кристаллами тело кашей. В андских породах фрагменты этого минерала попадали в виде скоплений взаимосвязанных кристаллов и кусков полностью затвердевшей породы, которые отрывались и поднимались на поверхность во время извержения.

Захваченные кристаллы имеют схожий химический состав с кристаллами из древних отложений супервулканов региона, и, как рассказала Парра-Энкалада, это одно из двух открытий, которые ее больше всего заинтересовали.

По ее словам, те же самые застойные магматические системы могут также влиять на то, как медь и золото накапливаются под землей. В настоящее время команда сравнивает кристаллы из Анд с кристаллами из крупных рудных месторождений.

Чтобы понять, что означает этот «отпечаток пальца», исследователи провели компьютерное моделирование охлаждения и кристаллизации магмы на различной глубине. Захваченные кристаллы образовались при температуре от 750 до 850 °C на расстоянии 11 километров от поверхности.

Кристаллы, образовавшиеся в зоне извержения, сформировались при более высокой температуре, примерно от 900°C до 975°C. Их магма была повторно нагрета за счет свежего выброса вещества из более глубоких слоев.

Свежая инъекция также принесла больше растворенной воды. По мере подъема смеси вода начала выходить пузырями, создавая давление в неглубокой магматической камере.

Изотопы стронция подтвердили это: ядра кристаллов несли в себе следы расплава, который переваривал древнюю кору, а края соответствовали свежей магме-носителю. По данным исследовательской группы, для извержения вулкана на этой дуге необходим толчок снизу, и именно этот толчок фиксируют новейшие кристаллографические данные.

Затем Парра-Энкалада извлекла данные по плагиоклазу из общедоступной геохимической базы данных, охватывающей 26 вулканических дуг. Средний состав кристаллов в мире попадал в зону извержения в Андах. То же самое можно сказать и о средних показателях для Каскадных гор и Камчатки.

«И это происходило не только в Андах!» — сказала она.

На Алеутских островах и в Индонезии земная кора меняется с континентальной на океаническую. Там также кристаллические каймы опускались в поле, а ядра рассеивались. Полученные результаты также проливают свет на давнюю загадку. Вдоль этих дуг обычно извергаются лавы с промежуточным содержанием кремнезема, однако богатые и бедные кремнеземом магмы, которые смешиваются, образуя их, редко достигают поверхности самостоятельно.

Кристаллы указывают на то, что корка действует как фильтр: густая, богатая кремнеземом кашица и плотная, богатая железом кашица остаются внутри , и только разогретая смесь между ними выходит наружу.

Два образца были взяты из древних отложений под Ласкаром. Они образовались в результате одного из взрывных извержений , сформировавших кальдеру и погребших этот регион около 4 миллионов лет назад.

Эти кристаллы практически не проявляли признаков повторного нагрева. На химической карте целого среза породы 97% кристаллов росли равномерно без каких-либо нарушений.

Таким образом, толчок, вызывающий обычное извержение в Андах, может отличаться от того, что вызывает гигантские извержения. Авторы предполагают, что эти огромные богатые кремнеземом резервуары могут дестабилизироваться и опустеть сами по себе, как только в них накопится достаточное количество магмы.

Использование кристаллохимии для определения вулканов с большей вероятностью извержения пока остается непроверенной идеей. По словам Парра-Энкалады, идея заключается в том, что вулкан, крупные кристаллы которого также находятся вблизи зоны извержения, может содержать магму, уже близкую к условиям извержения.

В некоторых районах Ласкара действительно есть кристаллические образования . Последнее извержение Ласкара произошло в 2022 году, через две недели после того, как команда завершила там полевые исследования.

«Если мы будем наблюдать аналогичную закономерность в других полигенетических вулканах, где большинство кристаллов плагиоклаза имеют состав, находящийся в пределах поля извержения, это может указывать на вулканическую систему, заслуживающую более пристального внимания», — отметила Парра-Энкалада.

В этом исследовании нет никакой связи между отпечатком пальца и частотой извержений вулкана, а также сроками их возникновения, и следующая статья группы посвящена именно этому вопросу.

Образцы также взяты из одного фрагмента одной континентальной дуги. Глобальное сравнение основано на данных других исследователей, большая часть которых не содержит пошаговой сортировки кристаллов, на которой основывалось данное исследование.

Команда расширяет свою работу на Тонгу, чтобы проверить, сохраняется ли эта закономерность и в океанической среде.