Базальтовая магма после тысячелетий покоя поднимается к поверхности за считаные дни

Лава, изливающаяся на земную поверхность при извержениях вулканов, до этого может довольно долго находиться под землей в виде магматического расплава. Но насколько долго, до последнего времени было не очень понятно, особенно в отношении базальтовой магмы, очаги которой формируются на больших глубинах, на границе земной коры и мантии. Исследователи из Кембриджского университета, используя так называемый метод «кристаллических часов», показали, что базальтовая магма может храниться в самых глубоких частях вулканических систем тысячи лет, а затем в считаные дни подниматься к поверхности и изливаться в виде лавы. Это первая временная оценка этапов эволюции глубинных магматических систем.

Источником материала для базальтовых магм является вещество верхней мантии, которое может подниматься к земной коре в виде восходящих потоков мантийной конвекции или в результате всплытия мантийных плюмов. На границе верхней мантии и земной коры (вблизи границы Мохоровичича) пластичное, но в целом находившееся до этого в твердом состоянии вещество мантии начинает частично плавиться. Образовавшийся расплав собирается в магматических очагах — глубинных резервуарах магмы, питающих расположенные на поверхности Земли вулканы. Если по каким-либо причинам для магмы откроется путь наверх (например, при раскрытии трещин, приводящем к резкому падению давления), то она может быстро подняться к поверхности и излиться в виде лавы. Понимание того, как долго происходит «созревание» базальтовой магмы в этих глубинных очагах до начала ее подъема к поверхности, важно как с теоретической, так и с практической точки зрения — для предсказания разрушительных извержений и управления рисками, связанными с вулканической активностью.

В последнее время в кристаллохимии получил развитие новый метод оценки длительности протекания магматических процессов — метод диффузионной хронометрии или метод «кристаллических часов». Заключается он в построении математических моделей процесса атомной диффузии в кристаллах.

Физическая суть процесса заключается в том, что после того, как из расплава начинают кристаллизоваться первые твердые зерна минералов, они оказываются неравновесными по своему химическому составу с оставшимся расплавом, и атомы тех элементы, которых в расплаве больше, чем в образовавшихся уже кристаллах, постепенно диффундируют внутрь этих кристаллов. Параллельно имеет место и обратная диффузия — из краевых зон кристаллов атомы избыточных (по сравнению с окружающим расплавом) элементов диффундируют в расплав. В итоге в краевой части кристаллов формируется зона, обогащенная по сравнению с центральной частью кристаллов одними элементами и обедненная другими.

Зная из лабораторных экспериментов скорость атомной диффузии, по ширине краевой зоны кристалла можно оценить время его нахождения в неравновесном с ним расплаве. Это в какой-то степени похоже на метод определения возраста деревьев по годичным кольцам, только в роли годичных колец выступают полосы зональности кристаллов.

Группа британских ученых из Кембриджского университета под руководством Юэна Матча (Euan Mutch) применила метод «кристаллических часов» для оценки времени нахождения базальтового магматического расплава в глубинном резервуаре, а также времени подъема этого расплава к поверхности. В качестве объектов изучения были выбраны кристаллы шпинели и оливина в базальтовых лавах вулкана Тейстарейкир в Северной Исландии, извергавшегося в период от 10,5 до 7 тысяч лет назад (так называемый эпизод извержения Боргархраун). Результаты опубликованы в журналах Science и Nature Geoscience.

Ранее проведенные геобаротермометрические исследования по включениям магматического расплава в кристаллах лав вулкана Тейстарейкир (J. Maclennan et al., 2003. Melt mixing and crystallization under Theistareykir, northeast Iceland) показали, что кристаллизация магмы началась на глубинах около 24 км, вблизи поверхности Мохоровичича. Для оценки времени пребывания магмы в глубинном магматическом очаге авторы анализировали диффузию атомов хрома из краевых зон кристаллов хромистой шпинели ((Mg, Fe)(Cr, Al)₂ O₄) — минерала, который начал кристаллизоваться из расплава одним из первых.

Помимо шпинели и оливина базальтовая лава вулкана Тейстарейкир содержит агрегаты и других ранних (так называемых первичных) минералов, кристаллизация которых началась еще в расплаве: клинопироксена и анортита. Причем кристаллы шпинели и оливина погружены в кристаллическую массу клинопироксена и анортита, то есть образовались раньше.

Анализ состава кристаллов шпинели по зонам проводился методом рентгеноспектрального микроанализа. Полученные данные использовались для математического моделирования процесса атомной диффузии. Всего было проанализировано около 100 кристаллов шпинели. По результатам анализов было установлено, что диффузионная полоска (ободок) по краям кристаллов шпинели имеет ширину 120–200 мкм, что в совокупности с интенсивностью выноса хрома, которая оценивалась с помощью коэффициента Cr# = Cr/(Al + Cr), определило, в соответствии с математической моделью, период функционирования диффузного процесса составил около 1000 лет (рис. 2).

Рис. 2. Оценка времени существования диффузионной неравновесности между магматическим расплавом и кристаллами шпинели. Графики А и С — изменение величины Cr# по мере движения от границы кристаллов шпинели к их центру (профиль изучения отмечен черной линией на срезе кристалла во врезке). В и D — модельные параметры (время в годах по вертикали и температура в °С по горизонтали) функционирования диффузной системы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

В кристаллах шпинели размером менее 200 мкм зональность, выраженная в наличии ядра с высоким Cr# и краевой зоны с низким Cr#, отсутствует, то есть мелкие зерна шпинели достаточно долго находились в глубинном очаге, чтобы установилось полное химическое равновесие между ними и расплавом.

Для оценки скорости подъема магматического расплава из глубинного очага к поверхности авторы использовали тот же метод атомной диффузии, но в отношении оливина. Образование кристаллов оливина происходило примерно одновременно со шпинелью (при температурах 1350–1215°С) и они также погружены в кристаллическую массу клинопироксена, но есть участки, где агрегаты первичных минералов раздроблены, и кристаллы оливина соседствуют непосредственно с вулканическим стеклом, которое образуется при очень быстром остывании магмы при ее приближении к земной поверхности. На местах контакта с вулканическим стеклом кристаллы оливина имеют диффузионные ободки, которые образовались уже при взаимодействии атомов оливина с атомами расплава, образовавшего стекло (рис. 3).

Рис. 3. Изображение агрегата первичных минералов из базальтовых лав Тейстарейкир, полученное на сканирующем электронном микроскопе с помощью технологии QEMSCAN: Sp — шпинель; Cpx — клинопироксен; Ol — оливин; Gl — вулканическое стекло. Красным показан профиль, по которому проводилось исследование состава кристалла оливина (см. рис. 4). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Всего было проанализировано 20 кристаллов оливина, обладающих диффузионными ободками на границах с вулканическим стеклом. Проведенный анализ диффузионных ободков показал, что они резко обеднены (по сравнению с центральными частями кристаллов) алюминием, магнием и никелем и обогащены марганцем. Математическое моделирование на основании полученных данных позволило оценить время формирования диффузионных ободков — от 7 до 16 дней (рис. 4).

Рис. 4. Микрохимический анализ по профилю, отмеченному красным на рис. 3. На графике а по вертикали указано содержание алюминия (Al, в ppm) и магния (Mg, в мольных долях форстерита — X_fo), а по горизонтали — расстояние от края кристалла (в мкм); на графике b по вертикали — содержание Mn и Ni (в ppm), по горизонтали — расстояние от края кристалла (в мкм); на графике c — модельные параметры (время в днях по вертикали и температура в °С по горизонтали) функционирования диффузной системы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

Учитывая то, что диффузионные ободки в кристаллах оливина формировались при застывании вулканического стекла, в которое погружены обломки агрегата первичных минералов, получается, что магма из глубинного очага поднялась к поверхности за считаные дни. Расчетная скорость подъема при этом составляла 0,02–0,1 м/с. Это намного быстрее, чем предполагалось ранее.

Рис. 5. Новая модель базальтовой магматической системы. Мантийные расплавы, поступающие по поровым каналам к поверхности Мохоровичича (Moho, сиреневые и синие стрелки), скапливаются в глубинном очаге (синий овал) на глубине около 24 км. В этом очаге магма может находиться тысячи лет. При раскрытии подводящего канала (Feeder dyke) магма может в течение нескольких дней подняться и излиться в виде вулканической лавы на поверхность. Слева по вертикали — глубина (в км), справа — давление (в ГПа). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Geoscience

До этого считалось, что классическая базальтовая магматическая система состоит из глубинного магматического резервуара, расположенного на границе мантии и земной коры, и находящихся в земной коре над ним нескольких приповерхностных магматических очагов, каждый из которых питает свой вулкан. Теперь же получается, что нужно пересматривать модель классической магматической системы. Вполне возможно, что магма, формирующаяся на границы коры и мантии, при определенных условиях быстро поднимается по сети разломов или ослабленных зон к поверхности, изливаясь непосредственно на поверхность в виде вулканической лавы (рис. 5). Авторы предполагают, что именно такой механизм действует в зонах срединно-океанических хребтов, являющихся крупнейшими зонами современного вулканизма.

Полученные результаты позволяют по-новому взглянуть на этапы развития зон древнего и современного вулканизма, а также на методы прогнозирования вулканических извержений. В частности, метод, основанный на замерах выбросов СО₂ в вулканически-активных зонах в контексте новых данных выглядит не очень надежным. Ведь при таком быстром подъеме магма не успевает освобождаться от растворенного в ней углекислого газа, и большая его часть выносится на поверхность уже в процессе извержения, либо за 1–2 дня до него.

Источники:
1) Euan J. F. Mutch, John Maclennan, Tim J. B. Holland, Iris Buisman. Millennial storage of near-Moho magma // Science. 2019. V. 365. P. 260–264. DOI: 10.1126/science.aax4092.
2) Euan J. F. Mutch, John Maclennan, Oliver Shorttle, Marie Edmonds, John F. Rudge. Rapid transcrustal magma movement under Iceland // Nature Geoscience. 2019. № 12. P. 569–574. DOI: 10.1038/s41561-019-0376-9.

Владислав Стрекопытов