Ученые определили, почему в 2019 году произошло извержение вулкана Райкоке

22 июня 2019 года на Курильских островах произошло сильное извержение. Вулкан Райкоке, высотой всего 551 метр, выбросил многокилометровые столбы пепла и вулканических газов. Удивительно, но рядом с Райкоке тогда случайно оказались два судна. Люди сняли происходящее на камеры, запустили дрон, собрали пепел и привезли весь этот материал ученым. Исследователи сделали вывод о необычных причинах извержения. Силу взрывов определили атмосферные и морские воды, содержащиеся в породах вулканической постройки.

Вулкан Райкоке расположен на одноименном острове Большой Курильской гряды. Собственно, он и есть этот остров. Предыдущие его извержения происходили в 1924-м и 1778 годах, и в 2019 году длительный период бездействия вулкана подошел к концу.

«Если рассматривать силу и интенсивность извержений, Райкоке довольно обычен для средней части Курильской гряды. Грандиозное впечатление, которое произвело извержение, связано с тем, что над водой находится лишь небольшая верхушка этого вулкана. Он выглядит крохотным островом — 2 километра в диаметре, 551 метр высотой. Представьте себе, что такая небольшая горка взрывается и выбрасывает огромное количество пепла на высоту 13 километров. Сразу возникает вопрос:  чем обусловлен такой сильный эффект? — рассказывает заместитель директора Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН доктор геолого-минералогических наук Сергей Захарович Смирнов. — На самом деле под водой там спрятан огромный вулкан высотой порядка трех тысяч метров. По своим размерам он сопоставим с Корякским и Авачинским вулканами, которые высятся рядом с Петропавловском-Камчатским. Если смотреть на историческое прошлое Райкоке, то это его третье извержение. Все предыдущие, зафиксированные в истории, были такими же сильными».

За время своего бездействия Райкоке покрылся растительностью, его обжили животные и птицы. Там было много птичьих гнезд (их обустраивали даже в кратере), располагались лежбища сивучей. Как раз подсчитывать последних 22 июня 2019 года туда пришла яхта «Викинг». Также во время извержения рядом с островом оказалось судно «Афина», совершающее туристический рейс по Курильским островам. Его капитану, Николаю Николаевичу Павлову, удалось запустить дрон и заснять финальные стадии катастрофы.

Яхта «Викинг» попала под максимальный пеплопад. Исследователи собрали пепел, записали происходящее на камеры, а вернувшись в Петропавловск-Камчатский, обратились к ученым из Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН. Те пришли на судно и собрали пепел, выпавший во время извержения на такелаж, корпус и паруса яхты. Поддержка людей, непосредственно не связанных с вулканологией, оказалась очень ценной для ученых. 

«Именно благодаря их интересу и мужеству мы имеем уникальный материал. Потом он стал другим — прошли дожди, что-то перемешалось, изменилось, прореагировало друг с другом. Пепел же, собранный прямо во время извержения, позволяет нам узнать, что было тогда, мы можем увидеть это событие практически в реальном времени», — говорит Сергей Смирнов. Также извержение Райкоке зафиксировали на своих снимках космические спутники.

Казалось бы, остров Райкоке находится на краю света, но во время извержения рядом с ним не в первый раз оказываются люди. Так, в 1778 году вулканическими бомбами Райкоке засыпало байдару казацкого сотника Чёрного, который вместе со спутниками айнами возвращался с острова Матуа на Камчатку. Когда об этом событии стало известно на полуострове, новый начальник Камчатки, коллежский асессор Франц Рейнеке послал на Райкоке сотника Ивана Секерина «для описания и положения на план, каким видом остров состоит от прорыва горелой сопки». Это была первая русская вулканологическая экспедиция.

Изучением последнего извержения Райкоке занялись ученые из Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (Камчатка), Института морской геологии и геофизики (Южно-Сахалинск), Института геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН и Новосибирского государственного университета. Также в работе принимали участие исследователи из университета Тохоку (Япония) и Хельсинского университета (Финляндия).

«Курильские острова для России уникальны. У нас в стране есть три области активного вулканизма: Курилы, Камчатка и Кавказ. На последних двух вулканы расположены внутри континента. На Курилах мы можем изучать вулканизм, который происходит в океане. Эти вулканы зародились на дне морском, большая часть из них на нем и стоит. Многие, в том числе действующие, расположены под водой. И, конечно, нам очень важно знать, как формируются извержения в таких условиях», — рассказывает Сергей Смирнов.

Когда исследователи начали изучать материалы с Райкоке, они столкнулись с загадкой: оказалось, что летучих компонентов, которые обычно определяют взрывной характер извержений вулканов, в магме было немного. Исследователи предположили, что здесь одну из главных ролей сыграла метеорная вода, которая находилась непосредственно в вулканической постройке. Склоны вулкана покрыты застывшей лавой, практически непроницаемой для атмосферных осадков. В то же время жерло заполнено трещиноватым и пористым материалом — продуктами вулканических взрывов. Дождевые и талые воды легко пропитывают эти породы, и они наполняются, как стакан. 

Метеорными водами называют подземные воды, возникшие за счет просачивания атмосферных осадков и таяния ледников и снега. Морские воды не относятся к метеорным. Поэтому в своей модели ученые рассматривали их отдельно.

Просачивалась в вулкан и соленая морская вода. Обычно склоны морских вулканов бронированы лавами и таким образом защищены от воздействия соленой воды. Но исследования показали, что она принимала участие в последнем взрыве Райкоке. «Когда мы детально посмотрели форму вулкана, включая его подводную часть, выяснилось, что на глубине 100 метров он имеет плоскую террасу. Вероятно, это вершина подводного вулкана, который действовал в древности. Потом он затих, а возобновив работу, построил на краю подводной террасы новый небольшой конус — в том месте, где сейчас находится остров Райкоке. По-видимому, рыхлые породы, лежавшие на поверхности этой террасы, и стали водоносным горизонтом, через который к жерлу поступала морская вода», — говорит Сергей Смирнов.

Как получилось, что вода, которая вроде бы должна гасить огонь, привела к взрыву? В распоряжении ученых были результаты известного эксперимента по взаимодействию высокотемпературных расплавов с охладителями. Он показывал: если сделать так, чтобы магма мгновенно встретилась с водой или насыщенными ею породами, то на границе раздела этих сред произойдет взрыв. Он превратит жидкую магму в мельчайшую пыль, которая устремится вверх, потому что там давление меньше, чем внизу. Именно взаимодействие с метеорными водами приводит к наиболее тонкому измельчению магматического материала в жерле вулкана.

Исследователи изучили продукты извержения Райкоке, определили размер частичек пепла, их форму, выяснили, из чего они состоят. «Размер частиц этого извержения составлял 0,5–0,1 миллиметра. Только взрыв, вызванный взаимодействием с метеорными и морскими водами, мог так тонко измельчить магму и окружающую жерло породу. Если бы магма дробилась за счет внутренней энергии собственных пузырьков, то размер частичек был бы намного больше. Кроме того, среди продуктов извержения присутствовало бы много крупных фрагментов, которые мы называем вулканическими бомбами. Последних мы не наблюдали, из чего следовало, что причина взрыва — не в самой магме», — объясняет Сергей Смирнов.

Как произошло извержение? Верхний слой столба магмы в жерле Райкоке был очень вязким. Поднимающаяся снизу более жидкая и горячая магма разогрела его и сделала более подвижным. Он, в свою очередь, быстро разогрел воду в пористых породах, слагающих дно кратера. Она испарилась, породы взорвались, и их обломки, прямо как по трубе, вылетели вверх. «Скорее всего, первый взрыв был чисто газовым, — отмечает Сергей Смирнов. — Он разрушил пробку, в результате чего магма поднялась выше, и к ней подтекли соленые воды из нижнего горизонта. Произошло еще несколько взрывов, выбросивших пепел на огромную высоту. При этом взрывались не только породы вулкана, но и сама магма. После того как водоносные горизонты вулкана осушились, магма в канале остыла и снова стала неподвижной пробкой. Пароксизмальная фаза, во время которой были самые сильные взрывы, длилась десять часов. Всего произошло девять взрывов — их зафиксировали по космическим снимкам».

Участие в извержении морской воды ученые подтвердили благодаря особым частицам, которые называются аккреционные шарики, или аккреционные лапилли. Если выбросить вверх горячие обломки и заставить их двигаться в облаке пыли, перемешанной с влагой, то со временем они начнут слипаться. Было показано, что такие шарики легко формируются, если в этой влаге присутствуют соли. В пеплах Райкоке исследователи обнаружили немало таких образований.

Со времени последнего извержения ученым из Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН получилось организовать лишь одну экспедицию на Райкоке. Сильные туманы и дожди помешали работе вулканологов. Однако ученые отметили, что на острове снова стали селиться птицы. Вернулись туда и сивучи, которые отгоняли исследователей от лежбищ, защищая своих детенышей.

«Мы хотим исследовать расплавные включения в минералах, которые позволят детально расшифровать историю процессов, происходящих в глубинах курильских вулканов. У нас есть материал по разным островам, и нам бы хотелось создать общую картину в целом для этой островной дуги. В первую очередь, объяснить причины высокой взрывоопасности островных вулканов. Это интересно как с фундаментальной точки зрения, так и с практической — чтобы строить модели и делать прогнозы подобных событий в будущем, — рассказывает Сергей Смирнов. — Курильские острова сегодня — это больное место мониторинга вулканической активности. Сеть геофизических станций, которая там расположена, достаточно редкая. Например, она не зафиксировала никаких предвестников извержения Райкоке, хотя они, очевидно, были. По-хорошему, количество станций надо увеличивать. Населения там немного, но в этих местах проходят авиатрассы, по которым осуществляются перелеты между Россией, Америкой, Японией и странами Юго-Восточной Азии, морские линии, по которым перевозятся грузы, ведется очень много рыбной ловли. Люди могут подвергаться опасности во время этой деятельности. Местные власти должны более тесно сотрудничать с учеными самых разных специальностей, чтобы быть в курсе явлений, происходящих на самой активной окраине нашей страны, и уметь адекватно предсказывать их последствия».

Информация и фото предоставлены Управлением по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН