Глубинное кипение магмы

В июле 2017 года «Ъ-Наука» уже писала о работах российских вулканологов — изучении глубоких вулканических землетрясений на Камчатке. Наблюдение такого рода сейсмичности в глубинных частях питающей вулкан магматической системы может свидетельствовать о начале ее активизации и, соответственно, использоваться в качестве раннего предвестника извержений. В то же время для полноценного использования наблюдения глубоких вулканических землетрясений в качестве прогнозного признака при мониторинге извержений необходимо понимание того, какие именно физические процессы их вызывают. Несмотря на наблюдения таких землетрясений под многими вулканами в разных районах в мире, работ по физическому моделированию их источников до настоящего времени было опубликовано крайне мало.

«Тотальная» сейсмология — это высокотехнологичная область знаний, вовлеченная в технологическую революцию больших данных

Фото: Science Photo Library / Alamy / DIOMEDIA

Разные типы землетрясений

Обычные «тектонические» землетрясения вызваны сбросом сдвиговых механических напряжений на геологических разломах. Но под большинством вулканов нет таких разломов и концентрации сдвиговых напряжений. В одной из работ японские и американские ученые предположили, что механические напряжения под вулканами могут возникать при охлаждении глубинных магматических интрузий и локальном тепловом сжатии. Но даже при таком сценарии происхождение землетрясений остается неясным, поскольку при больших температурах и давлениях на глубине под вулканами для горных пород характерна не хрупкая, а пластичная деформация, при которой землетрясений возникать не должно. К тому же сигналы глубоких вулканических землетрясений сильно отличаются от тех, которые регистрируются от источников, связанных с вспарыванием разломов, и содержат гораздо меньше высоких частот. Поэтому такие землетрясения принято называть «низкочастотными» или «длиннопериодными», и их происхождение связывают не с трещинами и разломами, а с резкими перепадами давления в магматических резервуарах или каналах.

Таким образом, для понимания происхождения этих землетрясений необходимо выяснить, какие именно физические процессы могут приводить к резким скачкам давления в магме на глубинах в несколько десятков километров.

Дегазация магмы и динамика вулканов

Для ответа на этот вопрос наша международная группа, включающая ученых из НИИ механики МГУ, Геофизической службы Израиля, Института физики Земли в Гренобле (Франция) и Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН, разработала новую физическую модель происхождения глубоких длиннопериодных вулканических землетрясений и провела серию численных экспериментов для ее проверки. Результаты численного моделирования сравнивались с сигналами землетрясений, наблюдаемыми под Ключевской группой вулканов на Камчатке.

Одна из существенных особенностей этого района — здесь наблюдается самая высокая концентрация в мире регистрируемых глубоких длиннопериодных вулканических землетрясений. Таким образом, использование такого рода наблюдений для возможного прогноза извержений особенно актуально именно в этом районе. А учитывая то, что значительные извержения по крайней мере одного из активных вулканов (Ключевской, Безымянный, Толбачик и Шивелуч) случаются по нескольку раз в год, такого рода научные исследования в перспективе могут иметь прикладное значение для оценки и предотвращения вулканической опасности для близлежащих населенных пунктов, многочисленных туристов и для интенсивного авиасообщения между Северной Америкой и Азией.

Основная гипотеза новой предложенной физической модели глубинного сейсмогенеза под вулканами — что давление в магме может резко меняться в связи с процессами выделения вулканических газов. Хорошо известно, что газовая или, как ее еще называют, летучая компонента играет ключевую роль в динамике вулканов и извержений. Основными составляющими вулканических газов являются водяной пар, углекислый газ, двуокись серы и сероводород. Водяная компонента доминирует (по крайней мере 60%), а вторым по значимости является углекислый газ. При больших давлениях, соответствующим глубинам в несколько десятков километров и больше, вся летучая компонента полностью растворена в магме. Но при подъеме последней к поверхности и уменьшении давления растворимость вулканических газов уменьшается, и они начинают выделяться в виде свободной фракции и образовывать пузыри. Этот процесс, называемый дегазацией, приводит к изменению усредненных плотности, давления и объема магмы.

Дегазация магм становится особенно близкой к поверхности, на глубинах в несколько километров. При соответствующих давлениях водяной пар достаточно быстро теряет свою растворимость и выделяется в виде образующихся и быстро растущих пузырей. При определенных составах магмы такие пузыри не могут быстро эвакуироваться, и их образование приводит к росту давления и последующим взрывным извержениям.

В связи с его вкладом в динамику извержений, процесс дегазации магмы, происходящий близко к поверхности, является достаточно хорошо изученным на основе геохимических и петрологических данных и с помощью экспериментального и численного моделирования. Но вот газовыделение на глубинах больше 10 км изучалось очень мало и многими вулканологами рассматривается как незначительное.

Глубоко и бурно

В нашей работе мы подвергли сомнению эту точку зрения. В первую очередь мы решили выяснить, возможно ли начало дегазации на глубинах порядка 30–35 км (максимум концентрации сейсмических очагов под Ключевским вулканом) и может ли этот процесс быть достаточно интенсивным и быстрым, чтобы генерировать сейсмические волны, наблюдаемые на поверхности. Для этого нами была разработана аккуратная численная модель, описывающая диффузию газа из магмы в пузырьки и их последующий рост. При моделировании мы также учитывали данные о химическом составе магм, питающих Ключевской вулкан, которые были получены на основе анализа образцов изверженных пород.

В качестве первого результата нашего исследования мы показали, что начало дегазации на рассматриваемых глубинах возможно при повышенном по сравнению со среднемировым содержании водяного пара и углекислого газа, характерном для магм Ключевского вулкана. Это вызвано тем, что при смешении этих летучих компонент растворимость их может быть понижена в сравнении с тем, какова она у этих газов по отдельности. Таким образом, повышенное содержание углекислого газа может привести к началу дегазации на существенно больших глубинах.

На втором этапе мы изучили динамику дегазации при медленной декомпрессии перенасыщенной магмы. Это подразумевает, что при относительно медленном подъеме к поверхности и соответственном уменьшении давления растворимость летучей составляющей уменьшается. На определенной глубине достигается критическое давление, которое должно привести к переходу газа из растворенного в свободное состояние. Но в реальности дегазация не начинается сразу и плавно: газосодержащая магма остается еще некоторое время в перенасыщенном состоянии и накапливает потенциально избыточное давление, которое, по имеющимся экспериментальным данным, может достигать нескольких десятков мегапаскалей. В такой перенасыщенной магме в какой-то момент начинается лавинообразный рост газовых пузырей. Результаты нашего численного моделирования показали, что этот процесс может быть очень быстрым и приводить к локальному увеличению давления в несколько десятков мегапаскалей за доли секунды. Дальнейшие вычисления показали, что если в такую быструю дегазацию вовлечен объем магмы, превышающий тысячу кубометров, то это может привести к генерации сейсмических волн с энергией и спектральным составом, близкими к наблюдаемым в реальности.

Так результаты нашего моделирования подтвердили, что при повышенном содержании водяного пара и особенно углекислого газа дегазация может начаться на глубинах 30–35 км и приводить к возникновению глубоких длиннопериодных вулканических землетрясений.

Почему это важно

Обоснование связи землетрясений с глубинной дегазацией магматических расплавов важно для улучшения прогноза вулканических извержений, поскольку эти землетрясения свидетельствуют о внедрении новой порции расплавов в глубинный магматический очаг и начале подготовки активизации вулкана.

Другой важный аспект новой теории — возможная связь между наличием и интенсивностью глубокой сейсмичности под вулканами и содержанием углекислого газа в питающих их магмах. Как известно, вулканы считаются одним из основных естественных источников углекислого газа в атмосфере. Но точное измерение количества углекислого газа, выделяемого вулканами, остается затруднительным. Это связано с отсутствием на сегодняшний день надежных методов глобального мониторинга этого типа вулканической эмиссии (в отличие, например, от оксида серы, который может быть относительно легко обнаружен и измерен с космических спутников). Предложенная в нашей работе модель предсказывает принципиальную возможность использования сейсмических наблюдений (регистрации глубоких землетрясений) в дополнение к методам газовой геохимии для понимания того, какие вулканы питаются магмами с повышенным содержанием углекислого газа и, соответственно, могут иметь повышенный вклад в выброс парниковых газов в атмосферу.

Исследование выполнялось лабораторией комплексного изучения и мониторинга геодинамических процессов в Курило-Камчатской зоне субдукции, созданной на базе Института физики Земли РАН в 2018 году при поддержке мегагранта Министерства образования и науки (No14.W03.31.0033). В нем также приняли участие сотрудники Московского государственного университета, Геофизической службы Израиля, Института физики Земли в Гренобле (Франция) и Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН. В работе использовались сейсмические данные, предоставление Камчатским филиалом Единой геофизической службы РАН.

Результаты работы опубликованы в статье:

Melnik, O., V. Lyakhovsky, N. M. Shapiro, N. Galina, and O. Bergal-Kuvikas (2020). Deep long period volcanic earthquakes generated by degassing of volatile-rich basaltic magmas, Nature Communications, DOI 10.1038/s41467-020-17759-4.