Термомеханическое моделирование помогло объяснить формирование магматической системы Йеллоустонского супервулкана

Используя моделирование на суперкомпьютере для интерпретации сейсмических данных, ученые из Орегонского университета построили геологическую модель сложного магматического очага, находящегося под Йеллоустонским супервулканом. Оказалось, что в средней части коры расположено субгоризонтальное твердое тело застывших пород, разделяющее верхний и нижний резервуары магмы и препятствующее прямому поступлению глубинной магмы к поверхности.

Йеллоустонский супервулкан считается действующим, хотя последний крупный выброс лавы на поверхность здесь произошел 70 000 лет назад, а возраст самой молодой из кальдер этого супервулкана — 630 000 лет. Дело в том, что под кратером вулкана до сих пор сохраняется активный очаг расплавленной магмы, готовой излиться на поверхность в любой момент. Поэтому очень важно понимать размеры этого очага, его строение и динамику происходящих в нем процессов. Ведь речь идет не о простом вулкане, а о гигантском супервулкане, извержение которого может иметь катастрофические последствия для всего североамериканского континента. Полномасштабное извержение Йеллоустонского супервулкана может уничтожить большую часть территории Соединенных Штатов и на долгие годы изменить климат на планете.

Особенность геолого-тектонического положения Йеллоустонского супервулкана заключается в том, что он расположен над гигантским мантийным плюмом, подпитывающим магматический очаг под Йеллоустоном. На протяжении последних 17 миллионов лет Северо-Американская континентальная плита сдвигалась в юго-западном направлении (примерно со скоростью 25 км за миллион лет) относительно мантийного плюма, а он раз за разом «прожигал» новые кальдеры на месте очередных извержений (рис. 2). В этом плане Йеллоустон, наряду с Гавайскими и Азорскими островами, Исландией и т. д., относится к типичным «горячим точкам», которые отражают на поверхности процессы магмоообразования и вулканизма, связанные с восходящими потоками разогретого мантийного вещества.

Рис. 2. Последовательность кальдер (числами обозначен возраст кальдер в млн лет), показывающая миграцию Йеллоустонской «горячей точки» по поверхности Северо-Американской плиты. Древние кальдеры выделяются по наличию продуктов извержений и просадкам рельефа. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Геофизическими исследованиями предыдущих лет (J. Farrell et al., 2014. Tomography from 26 years of seismicity revealing that the spatial extent of the Yellowstone crustal magma reservoir extends well beyond the Yellowstone caldera; H.-H. Huang et al., 2015. The Yellowstone magmatic system from the mantle plume to the upper crust) было установлено, что магматический очаг под Йеллоустонской кальдерой имеет двухуровневое строение. На глубине 4–14 км расположен верхний резервуар, а на нижних горизонтах земной коры (20–45 км) находится более крупный нижний резервуар, возможно, непосредственно связанный с мантийным плюмом. Однако до последнего времени оставалось много вопросов о составе магмы в этих магматических телах и о механизме их формирования. Было лишь известно, что степень плавления материала в этих резервуарах, рассчитанная на основе скорости прохождения продольных сейсмических волн, составляет 9% и 2% соответственно. Это невысокие значения, позволяющие надеяться, что в ближайшее время нового извержения не произойдет.

Геологи из Орегонского университета — Дилан П. Колон (Dylan P. Col?n) и Илья Биндеман (Ilya Bindeman) — с помощью моделирования, выполненного на суперкомпьютере, сумела во многом ответить на эти вопросы. В этом им помогли ученые из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Z?rich), создавшие специальные алгоритмы так называемого «форвардного моделирования» (см. Forward modeling of seismic data), позволяющего анализировать различные сценарии развития событий в земных недрах.

Построив термомеханическую модель эволюции участка земной поверхности над Йеллоустонским плюмом площадью 1000 на 300 километров, ученые воссоздали процесс образования в земной коре очага магмы, связанного с подъемом мантийного плюма (рис. 3).

Рис. 3. Термомеханическая модель эволюции участка земной поверхности над Йеллоустонским плюмом. В верхнем ряду показана температура и степень плавления материала, в нижнем — вязкость пород. Возраст в млн лет (Myr) указан от условного момента достижения головой плюма (plume head) нижней границы литосферы (точка начала моделирования): 0,25 Myr — в земной коре начинают формироваться очаги плавления; 1,75 Myr — образуются два яруса интрузивных тел; 3,00 Myr — формирование современной сложной двухуровневой магматической системы. Зеленой линией отмечена граница Мохо, разделяющая земную кору и мантию. Черная рамка — участок детализации (рис. 4). Рисунок из обсуждаемой статьи в Geophysical Research Letters

Согласно этой модели, верхняя часть (голова) плюма имела форму уплощенного пузыря диаметром около 160 км, поднимающегося со скоростью 4,7 см в год (рис. 3, a, b). Образование очага плавления в земной коре началось в момент, когда верхняя часть плюма достигла нижнюю границу литосферы. Скорость образования расплава говорит о том, что температура плюма в этот момент была примерно на 175^оС выше температуры окружающей мантии, а толщина перекрывающей литосферы составляла примерно 80 км.

Затем произошло разделение магматического очага на две отдельные интрузивные зоны (рис. 3, c, d). Одна находилась прямо над границей Мохоровичича (на ее месте сформировался нижний магматический резервуар), а вторая — на глубине 7–15 километров от поверхности (верхний резервуар). Эти две интрузивные зоны различаются по химическому составу. В частности, верхняя сложена породами кислого состава (гранитами и риолитами) и богата растворенными газами. Большая часть ее материала представляет собой расплавленные породы верхней коры. Нижняя интрузивная зона получала частичную подпитку из мантии и сложена породами основного состава (базальтами). С верхним резервуаром связан прогрев окружающих пород верхних горизонтов коры, насыщенных водой, что вызывает образование знаменитых гейзеров и горячих источников Йеллоустона, которые, выводя тепло на поверхность, охлаждают магматический очаг и препятствуют катастрофическому повышению температуры в нем.

Из модели следует, что между верхним и нижним резервуарами частично расплавленных пород находится субгоризонтальное тело (силл) застывших изверженных пород, состоящих в основном из габбро — интрузивных пород, формирующихся на глубине из базальтовой магмы. Образование силла, разделяющего два резервуара магмы, связано с реологическими свойствами земной коры. На глубине около 5–10 км располагается так называемая зона хрупко-пластического перехода (brittle–ductile transition zone), ниже которой хрупкие породы верхней земной коры уступают место пластичным и вязким. Поднимающаяся из нижнего резервуара базальтовая магма аккумулировалась ниже границы хрупко-пластического перехода, растекаясь и затвердевая в виде силла сложной формы (рис. 4), мощность которого в раздувах достигает 10–15 км.

Рис. 4. Термомеханическая модель эволюции участка земной поверхности над Йеллоустонским плюмом (детализация фрагмента на рис. 3). Цвета на рисунке (а): розовый — граниты и риолиты верхнего магматического резервуара, образовавшиеся в результате вовлечения в переплавку пород верхней коры (желтый); темно-зеленый и красный — субгоризонтальное интрузивное тело (силл), сложенное габбро (темно-зеленый) и базальтами (красный); бордовый — базальты нижнего магматического резервуара. Зеленой линией показана граница Мохо. Черный пунктир ограничивает зону хрупко-пластического перехода. Рисунок из обсуждаемой статьи в Geophysical Research Letters

Авторы считают, что процесс формирования сложных многоуровневых магматических систем, где верхние резервуары с большой долей корового материала отделены силлообразными телами застывших пород от нижних резервуаров с базальтовой магмой, может являться типовым для всех супервулканов «горячих точек», расположенных над мантийными плюмами.

Исследователи также отмечают, что, хотя полученные ими результаты пока не позволяют прогнозировать будущие извержения, они помогают объяснить структуру подводящей магматической системы, являющейся источником магмы для этих извержений, что может помочь в дальнейших прогнозах. Кроме того, изучение процессов, происходящих в зоне хрупко-пластического перехода, способствует научному пониманию того, как мантийные плюмы влияют на эволюцию и структуру континентальной коры.

Источник: D. P. Col?n, I. N. Bindeman, T. V. Gerya. Thermomechanical modeling of the formation of a multilevel, crustal-scale magmatic system by the Yellowstone plume // Geophysical Research Letters. 2018. DOI: 10.1029/2018GL077090.

Владислав Стрекопытов