Разрывы в жидкой лаве

Извержение вулкана — почти всегда катастрофа. Из относительно недавних — свежи воспоминания об разрушительном извержение вулкана на острове Кракатау (Индонезия ) 1883 года. Все население острова тогда погибло. Воздушная волна была зарегистрирована низкочувствительными барографами на многих метеостанциях мира, а тротиловый эквивалент того взрыва в атмосфере оценивается в 100–150 мегатонн. Геологические данные позволяют сделать вывод о значительно более мощных извержениях — по счастью, все они происходили в гораздо более древние времена. Большинство извержений — значительно меньшего масштаба, но и они, в силу своей внезапности, могут представлять опасность.

Изучение механизмов, приводящих в движение весь вулканический процесс, позволяет создавать и усовершенствовать методы прогнозирования извержений . Такую работу ведут ученые самых разных стран, и иногда она приводит к удивительным результатам и открытиям, значимых и для общей геологии. К важным открытиям последнего времени следует отнести обнаруженную относительно недавно взаимосвязь извержений с сейсмической активностью .

До недавнего времени считалось, что причины землетрясений следует искать в разломах горных пород при относительно низких температурах. В качестве вероятного верхнего предела обычно называлась значение в 600 °C. Сомнения появились только около десяти лет назад. Убедиться, что он не напрасны, группа британских ученых из университета Ланкастера (Lancaster University) и Лондонского университетского колледжа (University College London) с смогли в ходе лабораторного эксперимента, который они описали в своей недавней публикации в журнале Nature.

В камерах высокого давления создавались условия близкие к тем, что существуют в жерле вулкана. Исследователи создавали в образцах различные механические деформации и следили за особенностями прохождения звуковых волн. Так они смогли увидеть, что магма, разогретая почти до тысячи градусов и находящаяся практически в жидком состоянии, во многих отношениях вела себя как твердое тело. В частности, в ней возникали динамические разрывы, сильно напоминающие те, что образуются в твердых породах.

Вряд ли это открытие будет иметь большое значение при изучении сейсмичности вообще, но для понимания природы вулканических землетрясений его трудно переоценить. Если в соответствии с общепринятой моделью значение разогретой магмы сводится к тому, что она ломает окружающую её твердую породу — новая модель должна предусмотреть разрывы в самой магме. А поскольку масштаб и временные периоды этих процессов в магме гораздо меньше, то и волны-предвестники увеличивающейся активности вулканов и приближающихся вулканических землетрясений следует искать в другом диапазоне.

Плиты, разрывы и вулканы

Существует несколько типов вулканов в зависимости от их расположения. В общем же, расположение вулканов на Земле логичнее всего объясняется теорией тектоники литосферных плит (земная кора состоит из крупных блоков — плит, которые находятся в постоянном движении друг относительно друга). При сдвижении плиты сталкиваются, и одна из них погружается под другую — это место называется зоной субдукции; при раздвижении между плитами образуется провал — рифтовая зона.

Вулканы образуются в обоих случаях. Пример сдвижения — океаническая плита Тихого океана погружается под материки и островные дуги, образуя известное «огненное Тихоокеанское кольцо». Большинство действующих вулканов — около 370 (всего же на Земле действующих вулканов насчитывается, по разным данным, от 500 до 600), происходит именно в зоне субдукции: на Камчатке , Японских островах, в Северо- и Южноамериканских Кордильерах .

Вторая область распространения вулканов — в местах расхождения плит. В основном такие вулканы можно найти в океанах, в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов. Самые известные примеры — вулканы Исландии и Азорских островов в Атлантическом океане . Впрочем, рифтовые зоны могут быть не только в океанах, но и посреди материков. В зонах глубинных разломов в Африке расположены вулканы Килиманджаро и Камерун .

Самыми странными по происхождению являются вулканы внутри литосферных плит. В некоторых точках струи магмы поднимаются к поверхности и «проплавляют» плиту. Такие вулканы находятся на Канарских и Гавайских островах, острове Реюньон и на Галапагосах . Некоторые исследователи считают, что причиной точечного нагрева части литосферной плиты под такими вулканами на самом деле являются крупные скопления радиоактивных элементов. Впрочем, эта гипотеза пока не подтвердилась.

Вулканы, расположенные в разных частях литосферных плит, отличаются даже типом извержений, «поведением» и составом лавы. Так, для зоны субдукции характерно несколько видов вулканов. Плинианский тип известен наибольшей интенсивностью извержения с большим количеством пепла и иногда — «палящих туч». Случалось, что после извержения вулкан разрушается. Именно к плинианскому типу принадлежал печально известный вулкан Кракатау. У вулканов пелейскиого типа лава очень вязкая. Иногда она затвердевает в виде купола (или куполов) при выходе из жерла.

Извержения вулканского типа непродолжительны, но могут часто возобновляться в течение недель или даже месяцев; пепловые выбросы и купола образуются нечасто, а лавовые потоки мощные.

«Точечные» вулканы и те, что расположены в рифтовых зонах, относят к «гавайскому» типу извержений: их лава жидкая базальтовая, а извержения более или менее спокойные, без взрывов. Однако фонтаны лавы могут достигать километра и даже двух в высоту.

Изучение состава магмы иногда приводит к неожиданным выводам. Так, исследуя гавайские вулканы, Клод Херцберг (Claude Herzberg), профессор Рутгерского университета в Нью-Джерси (США ) пришел к выводу, что геологический материал земной коры — продукт многократного использования. Часть коры в районах субдукции плит давно погрузилась на глубину в сотни и даже тысячи километров, но не осталась там навсегда, а вновь появилась на поверхности Земли в виде горячей лавы, извергаемой вулканами Гавайских островов. В качестве доказательства геолог приводит низкое содержание кальция в магме гавайских вулканов. Обычно же в магме, поступающей из расплавленной мантии, кальция значительно больше. В будущем планируется изучить другие вулканы, а также концентрации серы и тяжелых изотопов гафния и свинца в их лаве. Эти изотопы считаются маркерами пород, образующихся в коре до погружения её фрагмента, и их изучение позволит узнать, используется ли материал коры многократно.

Опасность и прогнозы

Вулканическую опасность представить нетрудно: лавовые потоки разрушают здания, покрывают дороги и обширные участки территории. Использование сельскохозяйственных земель на многие годы прекращается: так, на лавовых потоках на увлажненных склонах вулкана Этна земледелие возобновили только через 300 лет после извержения. Немалые беды приносит и вулканический пепел: его присутствие в воздухе приводит к массовому падежу скота, скапливаясь на крышах зданий, он может вызвать их обрушение. Пепловые потоки, или «палящие тучи» — смесь раскаленных вулканических газов, расплавленного пепла и камней — двигаются с огромной скоростью, уничтожая на своем пути всё живое.

Вулканические газы вредоносны и сами по себе: распространяясь у поверхности земли, они губят растительность и загрязняют воздух; поднимаясь же в атмосферу, часто приводят к выпадению кислотных дождей и даже длительному изменению климата .

Есть и косвенные следствия вулканических извержения: грязекаменные потоки — сели и цунами , разрушившие немало поселений и приведшие к многочисленным жертвам.

Для прогноза извержений составляются карты вулканической опасности с показом характера и ареалов распространения продуктов прошлых извержений. Ведется также наблюдение за предвестниками извержений. Обычно такими предвестниками считают частоту слабых вулканических землетрясений (магнитудой не больше 3); если обычно их количество не превышает 10 за одни сутки, то непосредственно перед извержением возрастает до нескольких сотен. Ведутся инструментальные наблюдения за самыми незначительными деформациями поверхности (точность приборов позволяет выявить наклон в 1 мм на полкилометра). Данные об изменениях высоты, расстояния и наклонов используются для выявления центра вспучивания, предшествующего извержению, или прогибания поверхности после него. Перед извержением повышаются температуры фумарол — вулканических газов, иногда изменяется их состав и интенсивность выделения.

Однако же точно предсказать, когда именно начнется извержение, никто не может. Относительно малоизученная область, связанная с вулканическими извержениями — это акустические сигналы в атмосфере. Как и извержения вулканов, отличающиеся по характеру и интенсивности, волновые возмущения в атмосфере тоже отличаются: по спектру. Акустические возмущения при извержении подразделяют на несколько классов.

Это аэродинамический шум (20–1000 Гц), появляющийся в результате аэродинамического воздействия потока; воздушные ударные волны (1–10 Гц), происходящие в кратере во время дегазации магмы при её выходе на дневную поверхность. Инфразвук (0,003–1 Гц) возникает при появлении пирокластических (пепловых) потоков, а длинноволновые возмущения (0,003 Гц) появляются при формировании эруптивного столба (выбросов при извержении), поднимающегося иногда на несколько километров и даже достигающего тропопаузы .

Для мониторинга эксплозивной (взрывной) активности вулкана важнее вторая группа сигналов: импульсные или воздушные ударные волны, которые возникают при выносе магмы наружу и её дегазации . Акустические исследования стали возможны при появлении микробарографов, и сейчас активно используются в изучении вулканов.

Вулканические землетрясения считаются одним из самых надежных предвестников извержений. Сам процесс извержения также сопровождается сейсмическим явлениями. Вулканические землетрясения подразделяются на два вида по природе происхождения — эта классификация была разработана недавно избранным академиком Евгением Ильичем Гордеевым в 1998 году.

К первой группе относят вулкано-тектонические землетрясения, происходящие на глубинах 20–25 км и связанные с реализацией напряжений, происходящих от изменения напряженно-деформированного состояния среды под вулканическими сооружениями.

Вторая группа — это низкочастотные землетрясения, эксплозивные (то есть вызванные взрывами в кратере) землетрясения и вулканическое дрожание (тремор). Связаны они с процессами дегазации магмы.

Среды, которые в зависимости от обстоятельств могут проявлять себя и как вязкие, и как хрупкие, называются реологическими. Исследования реологических свойств магмы может оказаться очень многообещающим направлением в прогнозировании извержений магмой. В частности, именно переход от вязкого течения к хрупкому состоянию определяет, по мнению некоторых специалистов тип извержения.

В майском номере журнала Nature опубликован отчет группы немецких ученых из двух мюнхенских университетов (Ludwig-Maximilians Universität и Technische Universität München) об полевых исследованиях, которые они проводили совместно с коллегами из Лондонского королевского колледжа. В лабораторных условиях они следили за изменениями упругих свойств образцов лавы из вулканов Калима (Мексика) и Безымянный (Россия) при высоких температуре и давлении, соответствующих давлению и температуре внутри вулкана во время извержения.

При постоянной температуре и увеличивающемся давлении они заметили, что при переходе от вязкого состояния к хрупкому есть и промежуточная зона, в которой лава обнаруживает и те и другие свойства. А уровень её сейсмичности дважды меняется скачкообразно. Вместе с ростом сейсмичности шло образование трещин, сопровождаемое регистрируемым датчиками треском. Руководители эксперимента считают, что эти сведения могут быть использованы в комплексе для прогноза извержений в районах вулканической опасности.

Погода над вулканом

Мониторинг вулканической деятельности осуществляется специальные вулканологические обсерватории. Самая старая была основана в 1841–1845 годах на Везувии в Италии , с 1912 года начала действовать обсерватория на вулкане Килауэа Гавайских островов, и примерно в то же время были открыты несколько обсерваторий в Японии . В настоящее время мониторинг вулканов проводится в США (в том числе на вулкане Сент-Хеленс), Индонезии в обсерватории у вулкана Мерапи на острове Ява , в Исландии, России (Институтом вулканологии и сейсмологии ДВО РАН на Камчатке), Рабауле (Папуа-Новая Гвинея ), на островах Гваделупа и Мартиника в Вест-Индии. Есть свои программы мониторинга у Коста-Рики и Колумбии . Арсенал методов, используемых для оценки вулканической опасности, все время расширяется.

Сильно разнятся и методы, с помощью которых можно противостоять стихии, если извержение все же началось. Тут могут быть и сложные инженерные сооружения, и совсем простые способы. Например, при извержении вулкана Миякедзима в Японии в 1985 году успешно применялось охлаждение фронта лавового потока морской водой. Лавовые потоки заставляют сменить направление, делая искусственные бреши в застывшей лаве на склонах вулканов. В местах выпадения продуктов извержения сооружают разнообразные навесы и безопасные убежища.

Но даже самые страшные извержения не пугают любителей покрасоваться величественным зрелищем. Они стараются подобраться к «разогревающемся» вулкану как можно ближе, чтобы пополнить свою коллекцию удачным снимком или роликом, который не стыдно будет выложить на YouTube. Остается надеяться, что со временем понимание природы извержений станет полным и позволит не только предсказывать, но и направлять эту грозную силу в нужное для нас русло.