Эволюция Йеллоустоуна: прошлое, настоящее и будущее.

В 1922 году видный американский учёный, профессор Томас Джаггер, преподаватель Массачусетского технического института, а также человек, основавший десять лет назад первую американскую вулканическую обсерваторию на вершине Килауэа, совершил поездку на лошадях по Йеллоустоуну. Путешествие оставило у профессора Джаггера яркие впечатления, и после его завершения он описал свой опыт следующими словами:

«Любой проведший лето на вьючном обозе в месте, подобном Йеллоустоуну, познает, что такое скачущая земля… Горы весом в миллионы тонн постоянно опускаются. Что-то под землёй двигает их.»

Знал ли Джаггер о том, насколько пророческими окажутся его слова, описывающие динамичную геологию Йеллоустоуна и то, каким образом вулканические горячие точки формируют поверхность Земли? Последующие десятилетия принесли обширные плоды в области исследования Йеллоустоунского плато, и сегодня многие туристы, впервые в жизни решившиеся посетить Йеллоустоунский национальный парк, часто уже перегружены информацией не только о живописной красоте этого места, но и о том, что под ним кроется великий и ужасный гигант. Первые ожидания, впрочем, зачастую оказываются обманутыми, поскольку в Йеллоустоуне нет явных топографических форм, выдающих наличие в этом месте вулкана. Нет того усечённого у вершины конуса, свойственного подавляющему числу вулканов мира. Часто люди не могут с лёгкостью воспринять факт того, что, прибыв в Йеллоустоун, они уже попадают внутрь одной из крупнейших вулканических структур на всей Земле, скрывающей в себе кальдеры и огромные отложения вулканических материалов.

Активные вулканические и тектонические черты Йеллоустоуна есть ни что иное как результат крупномасштабных процессов, происходивших в течении последних 17 миллионов лет на протяжении всей равнины реки Снейк, и сфокусированных сегодня под Йеллоустоунским плато. Именно они делают Йеллоустоун одним из самых изменчивых мест на Земле, в котором часты сейсмические рои, сильные землетрясения, эпизодичные деформации поверхности вплоть до 20 сантиметров в год, и всегда присутствует аномально высокий тепловой поток, который по своим показателям превышает среднюю норму по североамериканскому континенту в 40 раз (а местами и в 2000 раз!). Именно этот тепловой поток подпитывает крупнейшую в мире гидротермальную систему гейзеров, фумарол и горячих источников. Все эти феномены имеют один источник — горячую точку.

Горячие точки являются неотъемлемым элементом в динамичной структуре нашей планеты; на текущий момент обнаружено всего 30 активных точек под поверхностью Земли, включая Йеллоустоунскую. Многие из них расположены под дном мировых океанов. Гигантские плиты земной коры образуют морское дно, и по мере дрейфа эти плиты медленно проходят над статичными горячими точками, которые в процессе извержений образовали такие острова, как Гавайи, Галапагоссы, Азорские острова, и Исландию.

Горнило, выковавшее ландшафт запада США. Громкое прошлое Йеллоустоуна.

Сегодня следы Йеллоустоунской горячей точки можно отследить в прошлое на почти 16,5 миллионов лет до места, где сегодня расположены северные земли штата Невада, на границе со штатами Айдахо и Орегон. По мере дрейфа североамериканского континента в направлении юго-запада со скоростью ~2,7 сантиметров в год, активная горячая точка смещалась на северо-восток, сперва оказавшись под юго-восточным углом границы Орегона, после чего пересекла весь штат Айдахо, оставив за собой впечатляющий след — равнину реки Снейк. Ныне же горячая точка расположилась под сочленением границ штатов Вайоминг, Монтана и Айдахо, породив одно из крупнейших наземных активных кремниевых вулканических полей в мире и сопутствующую ему активную гидротермальную систему, для защиты которой в XIX веке был основан Йеллоустоунский национальный парк.

Прохождение североамериканской тектонической плиты над Йеллоустоунской горячей точкой никогда не отличалось мирностью. В прошедшие 16,5 миллионов лет происходили десятки катастрофических извержений, каждое из которых оставляло после себя кальдеру диаметром вплоть до нескольких десятков миль. Из-за дрейфа тектонической плиты на юго-запад, извержения горячей точки образовали прогрессирующую по возрасту цепочку кальдер, тянущихся от границ штатов Айдахо-Орегон-Невада на 500 миль в сторону северо-востока вплоть до Йеллоустоуна. Многие из этих кальдер наложены друг на друга.

Гигантские извержения случаются столь редко в истории Земли, что ни одно из таковых не происходило в записанной истории, и всё же это самые крупные извержения из всех известных в геологической истории. По мере прогрессирования кальдерообразующих извержений через территорию Айдахо к Йеллоустоуну, образованный ими вулканический пепел регулярно выпадал на половине всей континентальной территории Соединённых Штатов, а отдельные участки горных цепей, подобных хребту Тетон, исчезали, либо взлетая на воздух, либо проваливаясь в образовавшиеся гигантские кратеры.

Громадное тепло, выделяемое горячей точкой, породило гигантскую выпуклость в земной коре шириной в 480 километров и высотой около 450 метров. Движение тектонической плиты над горячей точкой шло в тандеме с движением и этой выпуклости — совсем как при перетаскивании ковра через неподвижный предмет. В хвосте этого перемещения земля опускалась на целых 600 метров и затапливалась сериями базальтовых лавовых потоков. Как результат, все старые кальдеры, каждая из которых существовала на протяжении от 2 до 2,5 миллионов лет — в сущности устаревшие копии сегодняшнего Йеллоустоуна, которые к тому же располагались на большей высоте — ныне похоронены под лавовыми полями равнины реки Снейк.

Нынешний цикл активности Йеллоустоунской горячей точки.

Сегодня горячая точка и подпитывающий её мантийный плюм сосредоточены под Йеллоустоунским плато, образовав на нём одноимённое вулканическое поле (Yellowstone Plateau Volcanic Field (YPVF)) — самое молодое среди всех полей, расположенных вдоль равнины реки Снейк. В районе Йеллоустоуна горячая точка проявляет активность вот уже в течении двух миллионов лет. За этот цикл вулканическое поле Йеллоустоунского плато испытало три катастрофических кальдерообразующих извержения, между которыми на плато происходили меньшие по размеру извержения лавы. Примечательно, но изучение следов всех трёх катастрофических извержений — заключавшееся в интенсивном изучении всех доступных источников, составлении детальных геологических карт и углублённых исследованиях самой молодой кальдеры — выявило у них несколько схожих черт.

Первое среди этих извержений, случившееся около 2,08 миллионов лет назад, породило кальдеру Айленд-Парк и ассоциируемый с ней туф Хаклберри-Ридж — обильные отложения пепла, происходившие по меньшей мере из трёх независимых друг от друга вулканических кратеров в пределах Айленд-Парка, которая сама по себе является крупнейшей из всех кальдер Йеллоустоунского плато с диаметром около 80 на 65 километров.

Следующее кальдерообразующее извержение случилось около 1,2 миллионов лет назад на современной восточной границе штата Айдахо. Центр активности, расположенный в юго-западной оконечности кальдеры Айленд-Парк, был не в пример слабее первого суперизвержения, и оставил после себя кальдеру Хенрис-Форк и ассоциируемые с ней туфовые отложения Меса-Фоллз. Любопытно, но в настоящее время из всех трёх кальдер Йеллоустоуна именно Хенрис-Форк лучше всего различима на фоне окружающего ландшафта.

Наконец, 630 000 лет назад третье извержение сформировало Йеллоустоунскую кальдеру и туф Лава-крик. Общие исследования вулканического поля на Йеллоустоунском плато позволили установить, что катастрофическому извержению 630 000 лет назад предшествовали излияния преимущественно риолитовой и базальтовой лав, начавшиеся около 1,2 миллионов лет назад, то есть вскоре после образования кальдеры Хенрис-Форк. Само суперизвержение Йеллоустоунской кальдеры произошло в виде двух отдельных эруптивных эпизодов, разделённых очень коротким временным промежутком (возможно, днями или неделями) из двух независимых вулканических отверстий. Коллапс поверхности и образование кальдеры случились как раз после этих двух извержений.

Три крупнейших извержения Йеллоустоунского плато были в 2500, 280, и 1000 раз соответственно сильнее извержения вулкана Сент-Хеленс в 1980 году в штате Вашингтон.

За последним извержением последовал очередной период лавовых излияний, в течении которого потоки преимущественно из вязкой риолитовой лавы заполнили Йеллоустоунскую кальдеру, в значительной степени скрыв её от непосредственного наблюдения. Эта стадия эффузивных извержений подразделяется на две фазы. Первая фаза началась сразу после формации кальдеры и включала в себя активность, ассоциируемую с возрождающимися куполами в районах озера Маллард и возвышенности Сор-Крик, расположенных близко к двум источникам кальдерообразующего извержения 630 000 лет назад. Излияния лавы на данном этапе прекратились около 450 000 лет назад, после чего в Йеллоустоуне наступил период спокойствия. Затем, около 250 000 лет назад, началась вторая фаза эффузивных извержений, характеризующаяся прерывистостью — излияния лавы в это время происходили в виде ряда событий, разделённых периодами затишья, длившимися сотни и даже тысячи лет. Последнее лавовое извержение на Йеллоустоунском плато произошло около 70 000 лет назад, и в отличие от более ранних лавовых извержений было единичным. Получившиеся в результате лавовые потоки сегодня относятся к числу самых крупных риолитовых потоков на Земле: многие из них по объёму превышают несколько десятков кубических километров, тянутся на расстояние 30 километров от своих источников, а их толщина составляет свыше 100 метров.

Текущая стадия вулканизма в Йеллоустоуне характеризуется обильной гидротермальной активностью, начавшейся по меньшей мере 400 000 лет назад, но, скорее всего, имевшей место и до этого времени. В этот период существенный вклад в формирование местного ландшафта внесло оледенение — в районе Йеллоустоуна находился самый крупный ледниковый покров альпийского типа на всём западе США, который участвовал в мощном продвижении ледников в период между 15 000 и 160 000 лет тому назад.

Со времени последнего ледникового периода (около 15 000 лет назад) произошло формирование свыше 25 гидротермальных взрывных кратеров, образовавшихся по периметру и внутри Йеллоустоунской кальдеры, а также вдоль активного тектонического коридора Норрис-Маммот. В силу своей частоты (каждый взрыв происходил с промежутком в 200-700 лет) и существенного воздействия на окружающую местность, крупные гидротермальные взрывы представляют сегодня наиболее существенную и серьёзную угрозу людям и инфраструктуре в Йеллоустоуне.

Магматическая система Йеллоустоуна — верхушка айсберга и источник его силы.

Но что же можно сказать о непосредственной вулканической угрозе Йеллоустоуна? Геологические изыскания предыдущих извержений бесспорно указывают на наличие хранилища магмы под поверхностью кальдеры, однако эти исследования не способны дать сколько-нибудь существенной информации о размерах, формах, и температурах таких хранилищ. К счастью, более конкретные данные по этим факторам способна дать геофизика. Давайте же обратимся к ней.

Дабы «прорубить окно» во внутреннее строение Йеллоустоуна, была разработана схема сейсмологической инверсии, называемая томографией. В ней предусмотрено использование сейсмических волн, порождаемых местными и весьма удалёнными землетрясениями, и записываемых сетью сейсмических станций в Йеллоустоуне. Подобно медицинской томографии, помогающей врачам всесторонне изучить человеческий организм, сейсмотомография позволяет выявлять свойства всей магматической системы от верхней мантии и до приповерхностных слоёв.

Основываясь на результатах, полученных с помощью этих томографических исследований, учёные из института Юты выявили наличие под кальдерой нескольких областей с низкой скоростью распространения сейсмических волн, расположенных на разной глубине. Такие сигналы часто подразумевают высокие температуры и, весьма вероятно, наличие расплавленного материала. Созданная благодаря этому научная карта приповерхностных слоёв фактически показывает верхушку горячей точки, расположенную в 70 километрах под землёй. Горячая точка поставляет тепло в достаточно крупный базальтовый магматический резервуар на ориентировочной глубине 20-50 километров, однако сейсмические волны указывают на то, что из всего объёма этого резервуара доля расплавленного материала составляет всего 2-5%; весь остальной материал находится в разогретом пластичном состоянии. В свою очередь базальтовый магматический резервуар транслирует тепло в расположенный над ним низкотемпературный риолитовый магматический резервуар, залегающий на глубине 4-14 километров от поверхности. В нём доля расплавленной магмы составляет 5-15% от общего объёма. Именно этот риолитовый резервуар является источником подпитки всей гидротермальной системы Йеллоустоуна, нагревая грунтовую воду до кондиции, при которой она возвращается на поверхность и выходит в виде гейзеров и горячих источников.

Текущие сейсмические исследования выявили, что объём базальтового магматического тела под Йеллоустоуном составляет порядка 46 000 кубических километров, что в 4-5 раз больше объёма более мелкого риолитового резервуара. Согласно этим же исследованиям, базальтовый расплав с большой долей вероятности вытянут в сторону запада, под равнину реки Снейк. В приповерхностных слоях равнины, в частности в её восточной части, выявлены остаточные следы этой структуры, оставшиеся там со времён продвижения североамериканской тектонической плиты над Йеллоустоунской горячей точкой: по всей видимости эти следы тянутся вдоль всего пути прохождения горячей точки вплоть до известного сегодня места её происхождения 17 миллионов лет назад, расположенного под границами штатов Невада, Айдахо и Орегон.

Схематичная модель магматической системы Йеллоустоуна представляет собой ценную научную информацию, могущую дать представление о функционировании других магматических систем во всём мире. Само строение этой системы является великолепной исходной моделью для изучения других вулканических систем, известных извержением базальтов и риолитов. Базальт представляет собой горячий, но менее вязкий вид магмы, который часто можно встретить в местах извержения других горячих точек (к примеру, на Гавайях). Риолит же является более прохладным и вязким видом расплава, возникающим в результате плавления континентальной коры (при этом базальт выступает источником нагрева для плавления коры). Взяв за основу строение Йеллоустоуна, можно смоделировать магматические системы у вулканов, чья геологическая история схожа с Йеллоустоуном — например, у кальдеры Таупо в Новой Зеландии — что способствует лучшему пониманию вулканических и сейсмических угроз в этих регионах. Без сомнения можно сказать, что сегодня Йеллоустоун является прекрасной естественной лабораторией, в которой можно изучать черты, характерные для многих вулканических систем на планете.

Будущее гиганта.

Конечно, так будет не всегда. Какое будущее ждёт не только Йеллоустоун, но и питающую его горячую точку? Точный ответ дать невозможно. Всё, что сегодня могут сделать учёные, это вывести закономерности, основываясь на изучении прошлого, которое в случае с Йеллоустоуном уходит на 17 миллионов лет назад.

Непосредственная угроза от Йеллоустоуна на текущей стадии его активности исходит от гидротермальных взрывов. Кратеры, оставленные ими в прошлом, можно найти по всему парку, и неизвестно, где в пределах кальдеры или около неё может случиться следующий взрыв. Самый недавний гидротермальный взрыв в Йеллоустоуне случился в 1989 году на гейзере Поркчоп (Porkchop Geyser) в гейзерном бассейне Норриса, следы которого можно найти до сих пор. При этом следует отметить, что за последние 16 000 лет ни один гидротермальный взрыв, каким бы мощным он не был, не повлёк за собой вулканическое извержение.

Следующая по вероятности угроза, исходящая от Йеллоустоуна, заключается в мощных землетрясениях. Каждый год в Йеллоустоунской кальдере и на окружающей её местности случается от 1500 до 2500 землетрясений, и лишь некоторые из них достигают в силе 3-4 баллов по магнитуде. При этом большая часть подземных толчков порождается не движением магмы или нагретых подземных вод, а является отголоском тектонических движений вдоль разломов на западе США. Эти условия обусловили существование в пределах Йеллоустоунского национального парка серии региональных разломов, самым известными из которых является разломы вдоль горного хребта Тетон и озера Хэбген. На последнем из них в 1959 году случилось землетрясение магнитудой в 7,5 баллов — самое сильное за всю историю сейсмических наблюдений в Йеллоустоуне. В пределах самой кальдеры мощные землетрясения, по мнению геологов, маловероятны, поскольку местные высокие подповерхностные температуры смягчают коренную породу, делая её более устойчивой к возможности резкого разрыва. Впрочем, землетрясения внутри кальдеры вполне могут достигать силы вплоть до 6,5 баллов по магнитуде, что подтверждается равносильным землетрясением 1975 года рядом с гейзерным бассейном Норриса.

Вероятность вулканических извержений в Йеллоустоуне напрямую зависит от состояния его магматической системы, которая в настоящий момент находится в преимущественно кристаллизованном состоянии с небольшой примесью расплавленной магмы. В связи с этим, в данном контексте на сегодняшний день Йеллоустоун безопасен до тех пор, пока по горячей точке не начнётся поступление избыточного расплава в совокупности с усилением теплового потока и внутреннего давления, которые приведут к «расконсервации» магматической системы. Сила и тип извержения в таком случае будут зависеть от объёма освободившегося материала.

Учёные ожидают, что в обозримой перспективе в Йеллоустоуне с большей вероятностью произойдёт лавовое извержение с участием магмы, происходящей или из риолитового, или из базальтового очага. Участие риолитовых лав может привести к взрывным извержениям с образованием пепла и, основываясь на объёме риолитового магматического очага под Йеллоустоуном, учёные определяют силу таких извержений в широком диапазоне: они могут оказаться слабее извержения вулкана Сент-Хеленс 1980 года, но также могут быть сильнее извержения Пинатубо в 1991 году.

Худший сценарий вулканического извержения в Йеллоустоуне предполагает кальдерообразующий катаклизм подобный тому, который случался в этом месте трижды 2.08, 1.2 миллионов, и 640 000 лет назад. Такое извержение выбросит объёмы пепла, достаточные, чтобы покрыть им большую часть континентальной части США, образовав новые туфовые отложения, и окажет существенное воздействие на глобальный климат при выбросе частиц пепла в совокупности с диоксидом серы в стратосферу. Однако по теории вероятности такое событие в ближайшие столетия и тысячелетия остаётся практически невозможным — с гораздо большей вероятностью в этот промежуток произойдут гидротермальные взрывы или лавовые извержения.

Если заглядывать в будущее за все грядущие суперизвержения Йеллоустоуна, а учёные не отрицают, что однажды таковые всё же случатся, судьба Йеллоустоунской горячей точки увязана с континентальным дрейфом Северной Америки. Поскольку плита продолжает своё движение на юго-запад, горячая точка продолжит смещаться на северо-восток, и со временем при неизменности направления дрейфа зайдёт с юго-запада на современную территорию штата Монтана. Как и в последние 17 миллионов лет, в промежутках между периодами спокойствия возникнут новые вулканические поля, на которых лавовые потоки будут перемежаться с кальдерами, оставленными суперизвержениями. Возникнут новые озёра, новые гейзерные бассейны, новые кратеры гидротермальных взрывов. Этот цикл будет повторяться снова и снова.

Что же касается сегодняшнего Йеллоустоуна, то к тому моменту он станет лишь очередным следом из кальдер, тянущихся вдоль равнины реки Снейк. Когда горячая точка сместится на северо-восток, Йеллоустоунское плато испытает постепенное, но существенное опускание поверхности вплоть до 0,5-1 километра над уровнем моря против нынешних 2,8 километров. При этом вулканическая активность в регионе на какое-то время сохранится, и, как мы видим сегодня на примере равнины реки Снейк, все три йеллоустоунские кальдеры и сопутствующее им вулканическое поле исчезнут под мощным — вплоть до 1 километра — слоем базальтовых лав, став частью существующей речной равнины.

Данный материал является вольным переводом общедоступной информации, изложенной на сайте Геологической службы США (USGS) в разделе Программы вулканических угроз (Volcano Hazards Programm).

Оригиналы статьей:

https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/yellowstone/article_home.html?vaid=34 — часть I
https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/yellowstone/article_home.html?vaid=35 — часть II
https://volcanoes.usgs.gov/volcanoes/yellowstone/article_home.html?vaid=174 — часть III

Перевод наравне с оригиналом доступен для свободного прочтения и распространения при условии ссылки на первоисточник. Издание Caldera Chronicles и связанные с ним публикации являются интеллектуальной собственностью учёных Йеллоустоунской вулканической обсерватории и их коллег из организаций-партнёров обсерватории. Все прилагающиеся фотографии являются свободным для распространения достоянием общественности кроме случаев, оговариваемых с правообладателями данных медиа-материалов. При публикации изображений рекомендуется ссылка на сайт USGS.

Источник: m.vk.com