Базальтова магма після тисячоліть спокою піднімається до поверхні за лічені дні

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 112

Ріс. 1. Взяття проби лави, що виливається під час виверження вулкана Бардарбунга в Ісландії, вересень 2014 року. Така ж лава, але застигла при виверженні вулкана Тейстарейкір, яке мало місце в Північній Ісландії 10,5-7,0 тисяч років тому, стала предметом обговорюваного дослідження. Кадр з відео з сайту youtube.com

Лава, що виливається на земну поверхню при виверженнях вулканів, до цього може досить довго перебувати під землею у вигляді магматичного розплаву. Але наскільки довго, до останнього часу було не дуже зрозуміло, особливо щодо базальтової магми, осередки якої формуються на великих глибинах, на кордоні земної кори і мантії. Дослідники з Кембриджського університету, використовуючи так званий метод «кристалічних годинників», показали, що базальтова магма може зберігатися в найглибших частинах вулканічних систем тисячі років, а потім в лічені дні підніматися до поверхні і виливатися у вигляді лави. Це перша тимчасова оцінка етапів еволюції глибинних магматичних систем.

Джерелом матеріалу для базальтових магм є речовина верхньої мантії, яка може підніматися до земної кори у вигляді висхідних потоків мантійної конвекції або в результаті спливання мантійних плюмів. На межі верхньої мантії і земної кори (поблизу кордону Мохоровичича) пластична, але в цілому в твердому стані речовина мантії починає частково плавитися. Розплав, що утворився, збирається в магматичних осередках — глибинних резервуарах магми, що живлять розташовані на поверхні Землі вулкани. Якщо з якихось причин для магми відкриється шлях нагору (наприклад, при розкритті тріщин, що призводить до різкого падіння тиску), то вона може швидко піднятися до поверхні і вилитися у вигляді лави. Розуміння того, як довго відбувається «дозрівання» базальтової магми в цих глибинних осередках до початку її підйому до поверхні, важливо як з теоретичної, так і з практичної точки зору — для передбачення руйнівних вивержень і управління ризиками, пов’язаними з вулканічною активністю.

Останнім часом у кристалохімії отримав розвиток новий метод оцінки тривалості протікання магматичних процесів — метод дифузійної хронометрії або метод «кристалічних годин». Полягає він у побудові математичних моделей процесу атомної дифузії в кристалах.

Фізична суть процесу полягає в тому, що після того, як з розплаву починають кристалізуватися перші тверді зерна мінералів, вони виявляються нерівноважними за своїм хімічним складом з рештою розплавом, і атоми тих елементи, яких у розплаві більше, ніж у кристалах, що утворилися вже, поступово дифундують всередину цих кристалів. Паралельно має місце і зворотна дифузія — з крайових зон кристалів атоми надлишкових (порівняно з навколишнім розплавом) елементів дифундують у розплав. У підсумку в крайовій частині кристалів формується зона, збагачена порівняно з центральною частиною кристалів одними елементами і збіднена іншими.

Знаючи з лабораторних експериментів швидкість атомної дифузії, за шириною крайової зони кристала можна оцінити час його перебування в нерівноважному з ним розплаві. Це певною мірою схоже на метод визначення віку дерев по річних кільцях, тільки в ролі річних кілець виступають смуги зональності кристалів.

Група британських вчених з Кембриджського університету під керівництвом Юена Матча (Euan Mutch) застосувала метод «кристалічного годинника» для оцінки часу знаходження базальтового магматичного розплаву в глибинному резервуарі, а також часу підйому цього розплаву до поверхні. В якості об’єктів вивчення були обрані кристали шпинелі і олівіна в базальтових лавах вулкана Тейстарейкір в Північній Ісландії, що вивергався в період від 10,5 до 7 тисяч років тому (так званий епізод виверження Боргархраун). Результати опубліковані в журналах Science і Nature Geoscience.

Раніше проведені геобаротермометричні дослідження з включень магматичного розплаву в кристалах лав вулкана Тейстарейкір (J. Maclennan et al., 2003. Melt mixing and crystallization under Theistareykir, northeast Iceland) показали, що кристалізація магми почалася на глибинах близько 24 км, поблизу поверхні Мохоровичича. Для оцінки часу перебування магми в глибинному магматичному осередку автори аналізували дифузію атомів хрому з крайових зон кристалів хромистої шпинелі ((Mg, Fe) (Cr, Al₎ 2 O4) — мінералу, який почав кристалізуватися з розплаву одним з перших.

Крім шпинелі і олівіну базальтова лава вулкана Тейстарейкір містить агрегати та інших ранніх (так званих первинних) мінералів, кристалізація яких почалася ще в розплаві: клинопіроксена і анортиту. Причому кристали шпинелі і олівіна занурені в кристалічну масу клинопіроксена і анортиту, тобто утворилися раніше.

Аналіз складу кристалів шпинелі по зонах проводився методом рентгеноспектрального мікроаналізу. Отримані дані використовувалися для математичного моделювання процесу атомної дифузії. Всього було проаналізовано близько 100 кристалів шпинелі. За результатами аналізів було встановлено, що дифузійна смужка (ободок) по краях кристалів шпинелі має ширину 120-200 мкм, що в сукупності з інтенсивністю виносу хрому, яка оцінювалася за допомогою коефіцієнта Cr # = Cr/( Al + Cr), визначило, відповідно до математичної моделі, період функціонування дифузного процесу склав близько 1000 років (рис 2).

Ріс. 2. Оцінка часу існування дифузійної нерівноваги між магматичним розплавом і кристалами шпинелі. Графіки А і С — зміна величини Cr # у міру руху від межі кристалів шпинелі до їх центру (профіль вивчення відзначений чорною лінією на зрізі кристала у врізці). У і D — модельні параметри (час у роках по вертикалі і температура в ° С по горизонталі) функціонування дифузної системи. Малюнок з обговорюваної статті в Science

У кристалах шпинелі розміром менше 200 мкм зональність, виражена в наявності ядра з високим Cr # і крайової зони з низьким Cr #, відсутня, тобто дрібні зерна шпинелі досить довго знаходилися в глибинному вогнищі, щоб встановилася повна хімічна рівновага між ними і розплавом.

Для оцінки швидкості підйому магматичного розплаву з глибинного вогнища до поверхні автори використовували той же метод атомної дифузії, але щодо олівіну. Утворення кристалів олівіну відбувалося приблизно одночасно зі шпинеллю (при температурах 1350-1215 ° С) і вони також занурені в кристалічну масу клинопіроксену, але є ділянки, де агрегати первинних мінералів роздроблені, і кристали олівіну сусідять безпосередньо з вулканічним склом, яке утворюється при дуже швидкому остиганні магми при її наближенні до земної поверхні. На місцях контакту з вулканічним склом кристали олівіну мають дифузійні ободки, які утворилися вже при взаємодії атомів олівіну з атомами розплаву, що утворив скло (рис. 3).

Ріс. 3. Зображення агрегату первинних мінералів з базальтових лав Тейстарейкір, отримане на скануючому електронному мікроскопі за допомогою технології QEMSCAN: Sp — шпинель; Cpx — клинопіроксен; Ol — олівін; Gl — вулканічне скло. Червоним показано профіль, за яким проводилося дослідження складу кристала олівіна (див. рис. 4). Малюнок з обговорюваної статті в Nature Geoscience

Всього було проаналізовано 20 кристалів олівіну, що володіють дифузійними ободками на кордонах з вулканічним склом. Проведений аналіз дифузійних ободків показав, що вони різко збіднені (порівняно з центральними частинами кристалів) алюмінієм, магнієм і нікелем і збагачені марганцем. Математичне моделювання на підставі отриманих даних дозволило оцінити час формування дифузійних ободків — від 7 до 16 днів (рис. 4).

Ріс. 4. Мікрохімічний аналіз за профілем, позначеним червоним на рис. 3. На графіку а по вертикалі вказано вміст алюмінію (Al, в ppm) і магнію (Mg, в мольних частках форстериту — X_fo), а по горизонталі — відстань від краю кристала (в мкм); на графіку b по вертикалі — вміст Mn і Ni (в ppm), по горизонталі — відстань від краю кристала (в мкм); на графіку c — модельні параметри (час у днях по вертикалі і температура в ° С по горизонталі) функціонування дифузної системи. Малюнок з обговорюваної статті в Nature Geoscience

Враховуючи те, що дифузійні ободки в кристалах олівіну формувалися при застиганні вулканічного скла, в яке занурені уламки агрегату первинних мінералів, виходить, що магма з глибинного вогнища піднялася до поверхні за лічені дні. Розрахункова швидкість підйому при цьому становила 0,02-0,1 м/с. Це набагато швидше, ніж передбачалося раніше.

Ріс. 5. Нова модель базальтової магматичної системи. Мантійні розплави, що надходять по порових каналах до поверхні Мохоровичича (Moho, бузкові і сині стрілки), скупчуються в глибинному вогнищі (синій овал) на глибині близько 24 км. У цьому осередку магма може перебувати тисячі років. При розкритті підвідного каналу (Feeder dyke) магма може протягом декількох днів піднятися і вилитися у вигляді вулканічної лави на поверхню. Зліва по вертикалі — глибина (в км), праворуч — тиск (в ГПа). Малюнок з обговорюваної статті в Nature Geoscience

До цього вважалося, що класична базальтова магматична система складається з глибинного магматичного резервуара, розташованого на межі мантії і земної кори, і що знаходяться в земній корі над ним декількох приповерхнісних магматичних вогнищ, кожен з яких живить свій вулкан. Тепер же виходить, що потрібно переглядати модель класичної магматичної системи. Цілком можливо, що магма, яка формується на межі кори і мантії, за певних умов швидко піднімається по мережі розломів або ослаблених зон до поверхні, виливаючись безпосередньо на поверхню у вигляді вулканічної лави (рис. 5). Автори припускають, що саме такий механізм діє в зонах срединно-океанічних хребтів, які є найбільшими зонами сучасного вулканізму.

Отримані результати дозволяють по-новому поглянути на етапи розвитку зон стародавнього і сучасного вулканізму, а також на методи прогнозування вулканічних вивержень. Зокрема, метод, заснований на замірах викидів SO₂ в вулканічно-активних зонах в контексті нових даних виглядає не дуже надійним. Адже при такому швидкому підйомі магма не встигає звільнятися від розчиненого в ній вуглекислого газу, і більша його частина виноситься на поверхню вже в процесі виверження, або за 1-2 дні до нього.

Джерела:

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 Стрекопитов