Кальдера Кикай у берегов Японии — место крупнейшего в голоцене извержения вулкана

Японские ученые провели детальное исследование подводной кальдеры Кикай, расположенной в южной части Японского архипелага. Авторы оценили объемы выброшенного вулканического материала (332–457 км³) и доказали, что произошедшее здесь 7300 лет назад извержение было крупнейшим в голоцене (то есть за последние 11 700 лет). Они смогли воссоздать последовательность грандиозного вулканического события и определить три направления движения потоков вулканического пепла и обломков — в атмосфере, по дну моря и вдоль кромки воды.

В южной части Японского архипелага, особенно на островах Кюсю и Сикоку, приповерхностный слой почвы содержит большое количество тефры — вулканического материала, осевшего на землю после извержения. У местных земледельцев этот весьма плодородный слой известен как Акахойя (Kikai-Akahoya Volcanic Ash).

Исследования, проведенные в 1970-х годах, показали, что тефра Акахойя — продукт крупного извержения вулканической системы кальдеры Кикай (см. Kikai Caldera), расположенной на дне Тихого океана в 100 км к югу от острова Кюсю (H. Machida, F. Arai, 1978. Akahoya Ash — A Holocene Widespread Tephra Erupted from the Kikai Caldera, South Kyushu, Japan). Находящиеся здесь небольшие острова Иодзима (I?jima) и Такешима (Takeshima) являются выступами края кальдеры и образовались в результате извержений, предшествовавших ее заложению. При этом вулкан Ио (Mount I?) на острове Иодзима действует до сих пор (рис. 1, 2).

Рис. 2. Контуры кальдеры Кикай с краевыми островами Иодзима (I?jima) и Такешима (Takeshima). Изображение с сайта en.wikipedia.org

По геологическим данным, первый эпизод крупных извержений в вулканической системе кальдеры Кикай имел место примерно 140 тысяч лет назад (извержение Коабияма), второй — 95 тысяч лет назад (извержения Нагасе). Но самым мощным стало третье извержение — Акахойя, произошедшее 7300 лет назад. Вулкан Кикай выбросил тогда от 300 до 500 км³ вулканического материала, что позволяет отнести это извержение к классу колоссальных — 7 баллов из 8 по шкале вулканической активности (VEI). Мир от наступления вулканической зимы спасло тогда только то, что извержение было подводным и значительную часть пепла задержала толща воды.

Для сравнения, извержения с индексом VEI 8 баллов (мегаколоссальные) характерны только для супервулканов и происходят в среднем раз в 100 тысяч лет. Крупнейшим в четвертичном периоде считается извержение супервулкана Тоба на острове Суматра в Индонезии, которое произошло около 75 тысяч лет назад. Объем выброшенного им материала составил около 2800 км³ тефры. Сила самого мощного за последние годы извержение вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в январе 2022 года оценивается в 5 баллов VEI (см. новость Извержение вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай может привести к «вулканическому лету», «Элементы», 26.09.2022).

Ученые высказывали предположение, что извержение Акахойя, вероятно, было крупнейшим в голоцене — современной геологической эпохе, начавшейся после завершения последнего оледенения примерно 11,7 тысяч лет назад. Однако для окончательного заключения не было точных данных. Также до сих пор не были известны подлинные масштабы этой грандиозной природной катастрофы.

Недавно японские ученые из Центра исследовании дна океана Университета Кобе опубликовали в журнале Journal of Volcanology and Geothermal Research результаты детального исследования подводных вулканических отложений вокруг кальдеры Кикай. Авторы впервые точно оценили масштаб извержения Акахойя.

В ходе морской экспедиции на учебном судне Fukae Maru, принадлежащем Университету Кобе (рис. 3), авторы провели сейсмологические исследования, а также отобрали пробы отложений вокруг кальдеры Кикай. Сейсмические профили, выполненные с помощью метода отраженных волн, позволили построить геологические разрезы толщи вулканогенно-осадочных пород на глубину нескольких сотен метров с разрешением 3 метра.

Рис. 3. Учебное судно Fukae Maru. Фото с сайта eurekalert.org

В процессе исследования ученые подтвердили единое происхождение вулканических отложений на дне океана и ближайших островах. Анализ их распределение вокруг места извержения проясняет взаимодействие между пирокластическим потоком и водой, а также позволяет воспроизвести историю события.

По мнению авторов, извержение началось с мощного выброса обломков и пепла. Затем последовала плинианская фаза (названная в честь древнеримского ученого Плиния Старшего, погибшего при наблюдении за извержением Везувия 79 года н. э.), во время которой имела место серия продолжительных выбросов под большим давлением фрагментированной лавы и пемзы в виде газово-пепловой смеси. Кульминацией стал объемный пирокластический поток, который частично распространился по дну моря, а частично в виде эруптивной колонны (см. Eruption column) — столба игнимбритов (спекшихся частиц вулканического стекла, пепла, обломков пемзы и мелких кристаллов) и тефры — был выброшен в атмосферу. Тефровое облако накрыло территорию площадью более 2,8 млн км². Объем пеплового материала в пересчете на твердую породу составил более 370 км³. Для сравнения, выбросы двух предыдущих этапов не превышали 45 км³ (рис. 4).

Рис. 4. Карта распространения тефровых отложений извержения Акахойя, произошедшего 7300 лет назад. Красная точка — кальдера Кикай (Kikai Caldera); сиреневый контур — отложения пирокластического потока (Koya pyroclastic flow deposits); оранжевый — ареал распространения тефровых отложений (Kikai-Ah ash-fall deposits); изолинии показывают мощность пепловых слоев (0–20–30 см). Изображение с сайта en.wikipedia.org

Закончилась плинианская фаза обрушением эруптивной колонны. Гигантский столб раскаленной тефры рухнул в радиусе первых сотен метров от центра извержения, породив пирокластический поток (зона, отмеченная сиреневым на рис. 4). Анализ обломков показал, что первоначальная лава имела риолитовый и дацитовый состав, то есть относилась к производным гранитной магмы.

Так как центр вулкана находился под водой, извержение Акахойя в целом имело характер фреатического (парового) взрыва (или серии взрывов) из-за мгновенного высвобождения пара при контакте раскаленной магмы с водой. В результате образовалась двойная кальдера. Внешняя ее часть имеет размер 24?19 км, внутренняя — 17?15 км. Глубина кальдеры — от 200 до 600 м (рис. 5).

Рис. 5. Физическая карта поверхности суши и морского дна в районе кальдеры Кикай (Kikai Caldera). Внутренняя и внешняя части кальдеры (Inner rim и Outer rim) отмечены сплошной белой линией. Тонкие черные линии — сейсмические профили; цветные линии с номерами — сейсмические профили, по которым были построены геологические разрезы; зелеными и желтыми звездочками — места отбора кернов пирокластических пород. Справа — шкала глубин и высот. Рисунок из обсуждаемой статьи в Journal of Volcanology and Geothermal

Механизм распространения пирокластических потоков на суше достаточно хорошо изучен. Однако, как ведет себя насыщенная газом движущаяся масса пепла и пемзы под водой, до сих пор практически ничего не было известно. Исследователи детально изучили характер распространения вулканического материала на площади около 4500 км² вокруг центра извержения и построили карту мощностей подводной пирокластической толщи (рис. 6). По оценкам авторов, на изученной площади осело от 133 до 183 км³ пемзы и пепла.

Рис. 6. Карта мощностей подводных пирокластических отложений, связанных с извержением Акахойя, вокруг кальдеры Кикай. Рисунок с сайта eurekalert.org

Проанализировав текстуру и характер обломков подводной пирокластической толщи, авторы пришли к выводу, что она формировалась из мутьевого (взвесевого) потока, аналогичного тому, который формирует турбидиты. Разница заключается в том, что турбидитные потоки обычно сползают вниз по склону за счет гравитационной энергии, а подводный пирокластический поток разреженной плотности, движимый энергией извержения, не только легко распространяется по горизонтали, но и, как выяснилось, может преодолевать большие расстояния даже вверх по склону при уклоне до 3^о.

Построив модель извержения Кикай-Акахойя, исследователи установили, что помимо подводного пирокластического потока и мощного выброса в атмосферу облака тефры, был еще третий поток тонкого пирокластического материала (преимущественно игнимбритов), распространившийся вдоль поверхности воды до ближайших островов (рис. 7).

Рис. 7. Общая схема извержения Кикай-Акахойя: Caldera collapse — обрушение кальдеры; Formation of pyroclastic flow — формирование пирокластического потока; Interaction between pyroclastic flow and water — взаимодействие между пирокластическим потоком и водой; Eruptive column — Эруптивная колонна; Wide spread tephra — обширное тефровое облако в атмосфере; Pyroclastic flow across the sea surface — пирокластический поток, распространяющийся вдоль поверхности воды; Density current (flow in the seawater) — плотное течение (пирокластический поток, растекающийся по морскому дну). Рисунок с сайта eurekalert.org

Распределение объемов обломочного вулканического материала по потокам следующее. На долю подводного вулканического потока приходится примерно 71 км³. Приповерхностные игнимбриты составляют около 5 км³. Основная часть — 249–374 км³ — содержалась в верховом облаке тефры. Таким образом, общий объем пирокластического материала в районе кальдеры Кикай составляет 325–450 км³, что, несомненно, делает произошедшее здесь 7300 лет назад извержение крупнейшим вулканическим событием голоцена.

Источник: Satoshi Shimizu, Reina Nakaoka, Nobukazu Seama, Keiko Suzuki-Kamata, Katsuya Kaneko, Koji Kiyosugi, Hikaru Iwamaru, Mamoru Sano, Tetsuo Matsuno, Hiroko Sugioka, Yoshiyuki Tatsumi. Submarine pyroclastic deposits from 7.3 ka caldera-forming Kikai-Akahoya eruption // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 2024. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2024.108017.

Владислав Стрекопытов