Специалисты ИНГГ СО РАН применили новый алгоритм, чтобы проанализировать данные, присланные геофизическими службами Колумбии и США. Результаты этих исследований были опубликованы в престижных журналах Geophysical Research Letters и Scientific Reports. О сути и значении работ рассказывает Иван Юрьевич Кулаков (на фото) – заведующий лабораторией сейсмической томографии, заместитель директора ИНГГ СО РАН и член-корреспондент РАН.
Новый шаг в изучении вулканов
– Из всех естественных геологических объектов наиболее быстро меняются вулканы, – говорит Иван Кулаков. – В других структурах внутри Земли процессы протекают в масштабах миллионов и даже миллиардов лет. А в вулканах значительные изменения могут произойти в течение лет, дней и даже часов. Изучая эти процессы, мы сможем понять, как устроена система питания магматической системы и выявить причины извержений. Эти знания помогут нам более точно прогнозировать вулканические катастрофы.
Одним из наиболее популярных методов для изучения внутреннего строения вулканов является пассивная сейсмическая томография. В таких исследованиях в качестве источников сигнала выступают землетрясения, происходящие внутри вулкана. Вместе с тем, для изучения вариаций во времени этот метод не подходит, поскольку землетрясения случаются крайне неравномерно в пространстве и времени.
Новосибирские ученые разработали новую модификацию алгоритма томографии, которая позволяет выявлять даже небольшие изменения структуры внутри Земли. Новый метод был применен для анализа многолетних сейсмических данных, собранных на двух крупных действующих вулканах – Галерасе в Колумбии и Спурре на Аляске.
Вулкан Галерас. Фото Jair Cadena (Колумбия)
Исследования Галераса
Галерас – один из наиболее активных вулканов Колумбии и всей Южной Америки. За последние 500 лет, прошедших с момента завоевания этого района испанцами, наблюдалось более сотни его извержений. В последний раз Галерас «бодрствовал» совсем недавно – с 2002 по 2011 годы. Сотрудники ИНГГ СО РАН применили новый алгоритм, чтобы проанализировать сейсмические данные, присланные геофизической службой Колумбии.
Оказалось, что в период максимальной активности вулкана непосредственно под ним сформировалось тело грибообразной формы. Его верхняя часть представляет собой магматическую камеру (большой резервуар частично расплавленной породы под поверхностью Земли), а нижняя – питающий канал, через который магма поступает в камеру из более глубоких источников. Ученые ИНГГ СО РАН отметили интересную закономерность: когда извержения Галераса были менее интенсивными, грибообразное тело становилось меньше или исчезало вообще.
– Причина того, что мы можем видеть достаточно быстрые изменения структуры внутри вулкана, связана с перемещением под ним флюидов – жидких и газообразных легкоподвижных веществ, насыщающих магму, – отмечает Иван Кулаков. – Сейсмоволны весьма чувствительны к наличию флюидов в земле, и наблюдаемые временные изменения сейсмических скоростей как раз и являются отражением этого процесса.
Исследования новосибирских специалистов показали, что приток перегретых веществ приводит к быстрому плавлению магмы. При ее насыщении водой, углекислотой и прочими флюидами давление в камере может возрасти, и в какой-то момент создаются условия для взрыва. По схожему принципу теплая газировка вырывается из открываемой бутылки. Как только поступление флюидов прекращается, магматический очаг затвердевает, и в сейсмической модели его уже не видно.
Результаты этого исследования были опубликованы в престижном журнале Geophysical Research Letters.
Вулкан Спурр, Аляска
Причина неудавшегося извержения на Аляске
Новосибирские ученые проанализировали также данные, полученные на Спурре – крупнейшем из действующих вулканов Аляски. В 1953 и 1992 годах на нем произошли мощные взрывные извержения. Вся активность этого вулкана была зафиксирована не на главном конусе, а в районе бокового кратера, расположенного достаточно далеко от вершины.
В 2002 году Спурр вновь проснулся. На этот раз основная тряска и выделение газов происходили именно в районе главного купола. Поскольку эта часть вулкана была «запечатана» в течение многих тысячелетий, ученые опасались катастрофического по своим масштабам выброса. Однако к 2006 году Спурр затих, так и не реализовав свой шанс на извержение.
В результате томографических исследований ученые обнаружили под вулканом магматическую камеру, верхняя граница которой до 2002 года проходила на глубине 5 км от поверхности. В процессе активизации Спурра эта сейсмическая аномалия поднялась на 2 км, что сопровождалось большим количеством микроземлетрясений.
Анализируя данные сейсмостанций, ученые ИНГГ СО РАН смогли объяснить такое быстрое изменение в строении камеры.
– Причиной может быть выброс перегретой воды из очага, – утверждает Иван Кулаков. – Под большим давлением она проникла в хрупкую верхнюю часть земной коры. Из-за декомпрессии на глубине в 2 км вода превратилась в пар и продолжила подъем уже в газообразном состоянии. Это привело к разрыву пород и образованию все новых и новых трещин. Возникший при этом «хруст» и был зафиксирован приборами в виде тысяч микроземлетрясений.
В результате этого процесса прочность коры ослабла, и магма имела возможность легко прорваться на поверхность. Однако в 2002-2006 годах давление в очаге оказалось недостаточным для извержения. По словам Ивана Кулакова, несколько десятилетий спустя, когда магма в камере вновь насытится активными флюидами, вулкан сможет сделать еще одну попытку извергнуться через основную вершину – по проторенной в начале ХХI века дорожке.
Результаты этой работы также получили международное признание и были опубликованы в журнале Scientific Reports, входящем в группу Nature.
К публикации текст подготовил
пресс-секретарь ИНГГ СО РАН
Павел Красин
Фото предоставили: И.Ю. Кулаков (1), J. Cadena (2), Alaska Volcano Observatory (3)
