Суперизвержение: катастрофа планетарного масштаба

В истории Земли не раз случались извержения супервулканов. Триллионы кубометров магмы выбрасывались на поверхность планеты. Но в одних случаях это происходило довольно спокойно, а в других дело оборачивалось чудовищными взрывами и прочими катаклизмами. Почему сходные вулканы ведут себя по-разному? Объяснить это взялись учёные Иван Кулаков из Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН и Николай Шапиро из Института физики Земли в Париже. Их совместная статья вышла в журнале Science.

Каких бы высот ни достигла земная цивилизация, человечество по-прежнему беззащитно перед крупными извержениями. В 2010 году вулкан Эйяфьядлайёкюдль в Исландии на несколько дней оставил Европу без воздушного сообщения. Но по геологическим масштабам это было совсем крошечное извержение с объёмом выбросов меньше одной сотой кубического километра.

Объём извержения — это суммарное количество всех материалов, выброшенных вулканом. Например, сотни кубических километров пепловых облаков могут соответствовать объёму извержения менее 1 км³.

Истории известны катастрофические извержения (например, индонезийского вулкана Тамбора в 1815 году), которые поднимали в воздух до 150 кубических километров пород, истребляя всё живое на обширных территориях вокруг вулкана и приводя к неурожаям и волнениям в другом полушарии.

Но даже такие крупные катастрофы могут показаться незначительными по сравнению с суперизвержениями (тысячи кубических километров выбросов), происходившими в недавнем геологическом прошлом. Такие события, случись они сейчас, кардинально изменили бы существование оставшегося в живых человечества, да и всю биосферу Земли.

Самым мощным за последние несколько миллионов лет считается суперизвержение вулкана Тоба на Суматре, произошедшее около 72 тысяч лет назад. Тоба выбросил одним взрывом 2800 кубических километров пород. Сегодня на его месте находится вулканическое озеро длиной более 80 километров.

Субдукция — это когда одна литосферная плита (обычно океаническая) подползает под другую. Происходит это со скоростью примерно 2–8 сантиметров в год (примерно такими же темпами растёт человеческий ноготь). Наиболее известные зоны субдукции находятся в Тихом океане.

По данным палеонтологов, это событие привело к сильному понижению средней температуры на Земле и к исчезновению многих видов животных и растений. А по одной из гипотез, именно пройдя через трудности этого периода, доисторический человек превратился в разумное существо.

Огромные кальдеры, оставшиеся после извержений, указывают, что на Тобе за последние два миллиона лет произошло по крайней мере три или четыре катастрофических извержения. Геологи пока не нашли окончательного ответа на вопрос, почему они повторялись именно в этом месте.

Схожим по масштабу было извержение 26,5 тысячи лет назад вулкана Таупо (Новая Зеландия). Примерно тогда же на Земле начался последний ледниковый период — некоторые специалисты связывают его с суперизвержением Таупо. Обе области супервулканизма (Тоба и Таупо) находятся в зонах субдукции — местах, где одна литосферная плита погружается под другую. Плавление и химические реакции в породах опускающейся плиты приводят к образованию магматических очагов. В результате их подъёма на поверхности Земли появляются цепочки вулканов, среди которых встречаются и гиганты.

Итак, что бывает с вулканами, возникающими на стыке литосферных плит в зонах субдукции, мы выяснили. Но извержения происходят и в самых «невинных» местах — на большом расстоянии от границ плит. Такого рода вулканы образуются в результате выхода из мантии на поверхность струй раскалённого вещества, так называемых плюмов.

Литосфера включает в себя земную кору и наиболее прочную часть верхней мантии. Её толщина под стабильными платформами может достигать двухсот, а в центре океанов — десятков километров. Ниже расположен менее вязкий слой, астеносфера, по которому участки литосферных плит могут перемещаться по поверхности Земли. 

Плюмы — потоки вещества, поднимающиеся вверх из глубин мантии Земли, чуть ли не от ядра. Приближаясь к поверхности, они «протыкают» литосферу и образуют центры вулканизма — как правило, внутри литосферных плит. 

Самый яркий пример — Гавайская горячая точка. Тихоокеанская плита движется, а из глубин мантии в одном и том же месте бьёт струя раскалённого плюма, постоянно «протыкая» литосферу и приводя к образованию всё новых и новых вулканических островов. В результате на дне океана образуется цепочка вулканов, которая простирается на тысячи километров от активных Гавайев до древних образований возрастом около 70 миллионов лет у берегов Камчатки.

На континентах тоже встречаются следы плюмового вулканизма. Относительно свежие образцы — это молодые потоки базальтовой лавы в Саянах и в Северо-Восточной Африке, а также прекрасно сохранившиеся шлаковые конуса в Центральном массиве во Франции. Из более древних событий — знаменитые Сибирские траппы, образовавшиеся примерно 250 миллионов лет назад. Тогда на поверхность Земли вылилось аж 5 миллионов кубических километров магмы, что привело к одному из крупнейших вымираний биологических видов.

Но сейчас в Сибири всё спокойно: тайга, тундра да шахты, добывающие никель с медью.

Вулканическая область Йеллоустон в США — пример плюмового вулканизма, сопровождавшегося мощнейшими катаклизмами. Последние суперизвержения произошли там 2,1 млн, 1,3 млн и 640 тысяч лет назад, при этом объёмы выброшенных пород составили соответственно 2 500 км³, 280 км³ и 1 000 км³.

Цифры впечатляют, хотя даже в сумме они в несколько раз меньше, чем в случае Гавайской горячей точки. При этом гавайские вулканы извергаются, скажем так, нежно: магма не спеша вытекает на поверхность, никаких взрывов и катастроф.

А вот в Йеллоустоне не раз случались масштабные катаклизмы. Во время наиболее крупных извержений этого супервулкана выбросы долетали до верхней границы стратосферы, а пепел покрывал значительные части территории Северной Америки.

— Почему же в Йеллоустоне происходят суперизвержения, а на Гавайях всё спокойно? Ведь система питания этих вулканах одинаковая! — восклицает российский геолог Иван Кулаков.

Не так давно в журнале Science была опубликована статья, написанная им в соавторстве с профессором Института физики Земли в Париже Николаем Шапиро: учёные сравнивали Гавайскую горячую точку и Йеллоустон.

Доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией прямых и обратных задач сейсмики Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН.

Профессор, заместитель директора Института физики Земли в Париже.

— Различие между ними состоит в способах проникновения магмы на поверхность через земную кору. На Гавайях горячее вещество мантийного плюма проходит через относительно тонкую океаническую кору, состоящую из пород — условно говоря, базальтов, — близких по плотности к мантийному веществу. И в силу высокой температуры более лёгкий плюм достаточно свободно всплывает на поверхность через более тяжёлую кору. Такой процесс происходит непрерывно и практически без катаклизмов, что приводит к спокойному выносу на поверхность огромного количества мантийного вещества. А вот через континентальную кору под Йеллоустоном плюму выйти намного сложнее, — объясняет Кулаков.

Континентальная кора состоит из двух примерно равных по толщине слоёв. Нижняя часть имеет сходный с океанической корой «базальтовый» состав, в то время как верхний слой состоит из значительно более лёгких пород гранитного типа. Если крупный плюм находится под континентом, горячее мантийное вещество достаточно легко всплывает через нижний базальтовый слой, но не может продолжить подъём в силу своей большей плотности. В результате магма начинает накапливаться на границе между двумя типами коры. Плюм не проходит через верхнюю часть континентальной коры просто потому, что он тяжелее по плотности (простите за такой вульгаризм). В таких масштабах всплывание надо рассматривать примерно как движение в жидкости. Более плотная капля никогда не будет подниматься через менее плотное вещество.

По последним результатам сейсмической томографии, под Йеллоустоном сформировался гигантский резервуар горячей магмы объёмом в 46 тысяч кубических километров.

По данным аспиранта Новосибирского государственного университета Кайрлы Джаксыбулатова, работающего под руководством И. Кулакова и Н. Шапиро, этот резервуар имеет структуру слоёного пирога, в котором тонкие пласты магмы, так называемые силлы, чередуются с коренными породами. Результаты этой работы были опубликованы в журнале Science в прошлом году.

Предполагается, что в течение длительного времени магма в этом очаге расслаивается на разные по плотности фракции. Тяжёлые породы внизу, лёгкие с большим содержанием флюидов и газов — сверху.

— По достижении некоторой критической массы эта лёгкая фракция начинает проникать через верхнюю кору всё выше и выше. В результате декомпрессии жидкие флюиды превращаются в газ — давление повышается, образуются новые трещины и каналы, что ускоряет подъём вещества и приток новых флюидов. Начинается лавинообразный процесс, впоследствии приводящий к взрыву супервулкана, — объясняет Иван Кулаков.

Может ли произойти новое суперизвержение Йеллоустона или других подобных вулканов в ближайшей исторической перспективе? Этот вопрос волнует многих, ведь такого рода событие полностью изменит жизнь человечества и отодвинет все остальные проблемы на второй план.

— Последнее суперизвержение Йеллоустона было 640 тысяч лет назад, а периодичность, необходимая для накопления критической массы лёгкого магматического вещества, составляет 500–800 тысяч лет, — поясняет Кулаков. — Так что теоретически суперизвержение здесь возможно в самое ближайшее время. Ближайшее по геологическим меркам — речь идёт о  тысячах и десятках тысяч лет, что для человечества является весьма отдалённой перспективой.

О том, что Йеллоустонский вулкан жив и представляет потенциальную опасность, говорят результаты геофизических наблюдений. Современная активность магматического очага в районе кальдеры  подтверждается, например, постоянными деформациями земной поверхности. Так, с 1996 по 2000 год область диаметром около 30 километров поднялась на 12 сантиметров, однако в последующие годы подъём замедлился и остановился. Под Йеллоустонской кальдерой регистрируется около 1000 землетрясений в год, однако большинство из них имеет тектоническую природу и связано с деформацией коры, а не с процессами в магматическом очаге. В настоящий момент там установлены сейсмические датчики, наклономеры, GPS-приёмники и прочая геофизическая аппаратура, которая производит тщательный мониторинг состояния супервулкана. Это позволит заранее выявить признаки надвигающихся катастрофических событий.

Масштабные извержения происходят не вдруг — предшествующие процессы длятся достаточно долго, десятки, а может, даже сотни лет. Таким образом, идентификация предвестников суперизвержений даст человечеству шанс, приложив интеллектуальные усилия, минимизировать последствия катастрофы. Вот почему так важно продолжать изучение супервулканов, причём не только одного Йеллоустона. Однако исследования такого рода сложные и дорогостоящие, поэтому должны проводиться общими силами — учёными всего мира. Земля ведь и вправду наш общий дом.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №11 (13) за ноябрь 2015 г.

Источник: kot.sh