Ізотопна історія гігантського лавового виверження

Ріс. 1. Базальти річки Колумбія

Олег Мельник

Доісторичні лавові виверження були такої сили, що величезні території, розмірами з типову європейську країну, ставали безжиттєвою пустелею. Останнє гігантське виверження подібного типу відбулося 14-16 млн років тому на західному узбережжі США і покрило території нинішніх штатів Орегон, Вашингтон, Айдахо і частково Невади лавовими потоками товщиною в десятки і сотні метрів на площі понад 210 000 км² (рис. 1).

Вилив магми відбувався через широкі (до 10 м в товщину і десятки кілометрів в довжину) тріщини, які в геологічній літературі називаються дайками (рис. 2). Дослідженню взаємодії магми з породами присвячена наша стаття, написана у співпраці з вченими з Орегонського університету США, НДІ механіки МДУ та швейцарськими колегами з університетів Женеви і Берна і опублікована нещодавно в журналі Nature Scientific Reports.

Ріс 2. Базальтові дайки, що впровадилися в корінні гранітні породи. Тепло від магми призвело до часткового плавлення гранітів і розвиненої гідротермальної конвекції

Кожне з окремих вивержень базальтів на річці Колумбія було в 10-100 разів сильніше найбільшого лавового виверження вулкана Лакі в Ісландії в 1783 році, що спричинило загибель тисяч людей, а парникові гази призвели до «року без літа», за яким пішов теплий рік в Європі та Північній Америці. Протягом одного-двох мільйонів років відбулися десятки подібних вивержень, що відділяються періодами затишшя в десятки тисяч років. Кожне виверження призводило до серйозних локальних і глобальних наслідків для навколишнього середовища і кліматичної системи в цілому.

Ілля Біндеман

Скільки тривало доісторичне виверження? Скільки парникових газів надійшло з магмою? Який вплив справила течія магми на навколишні породи?

Відповісти на ці питання дозволило математичне моделювання результатів аналізу ізотопів кисню в магмі і корінних породах, проведеного в лабораторії стабільних ізотопів Орегонського університету під керівництвом Іллі Біндемана.

Як відомо, у кисню найпоширенішим стабільним ізотопом є O¹⁶; значно менше в природі ізотопу 18. У мантійних порід, порівняно з атмосферною (метеорною) водою, ставлення O¹⁸/O¹⁶ зрушено в бік більш важкого ізотопу. При взаємодії порід з метеорною водою і нагріванні до високих температур породи і вода обмінюються ізотопами кисню, а коли породи охолонуть, концентрація O¹⁸ в них буде дещо меншою, ніж до нагріву.

Аналіз зразків показав, що навколо великих даєк (тріщин, заповнених магматичним розплавом) утворюються області прогріву до 100 м шириною, причому найбільш «легкі» по кисню породи зосереджені на їх межах, а далеко від даєк ізотопне ставлення виходить на невідшкодований рівень. Це означає, що течія магми в тріщині викликала прогрів водонасичених порід, конвекцію води та її ізотопний обмін.

Рис, 3. Розподіл ізотопного складу кисню в породах (вгорі) і метеорній воді (внизу) при геотермальній конвекції (а) і розподіл ізотопів кисню в породах на різному віддаленні від дайки (b). Розрахунки при різній глибині розрізу; пунктир — дані спостережень

Течіями в геотермальних системах в лабораторії загальної гідромеханіки НДІ механіки МДУ займаються вже не одне десятиліття. Андрій Афанасьєв створив унікальний програмний комплекс MUFITS (MUltiphase FIltration Transport Simulator), що дозволяє розраховувати течії з фазовими переходами і хімічними реакціями при високих тисках і температурах. Андрій допоміг нам адаптувати програму для розрахунку ізотопного обміну кисню, а наші аспіранти Іван Уткін і Настя Артемова провели розрахунки різних сценаріїв виверження.

Виявилося, що дані розрахунків добре лягають на вимірювання, якщо припустити, що магма в тріщині текла близько семи років, після чого породи остигали ще років 150. Ми оцінили кількість парникових газів, яка могла бути винесена на поверхню в процесі виверження. Виявилося, що гідротермальна система дає всього кілька відсотків вуглекислого газу від виносимого лавою, якщо магма виходить через кору магматичного складу, бідну органікою. Якщо ж таке виверження трапиться через кору осадового складу, то в результаті нагріву порід виділиться величезна кількість вуглекислого газу. Саме тому виверження сибірських траппових базальтів призвело 250 млн років тому до кліматичної катастрофи, а базальти річки Колумбія не мали подібного впливу на клімат.

Наші дослідження дозволили розгадати ще одну загадку: чому в області виливу базальтів широко поширені «легені» по кисню магми. Ми зробили висновок, що гідротермальна зміна порід базальтовими магмами підготувала «легку» кору, яка в подальшому плавилася і вивергалася місцевими вулканами.

Робота була підтримана грантом РФФІ 18-01-00352, конкурсу ініціативних наукових проектів («а»), який з цього року фонд вперто не хоче оголошувати, незважаючи на численні звернення Загальних зборів РАН, Товариства наукових працівників і тисячі листів окремих грантоутримувачів, а також «Троїцького варіанту» та інших видань. Незважаючи на невеликий обсяг фінансування, гранти конкурсу «а» дозволили отримати багато цікавих результатів, оскільки підтримують невеликі групи вчених по всій країні. Наша стаття теж скромний внесок у скарбничку фонду.

Фото авторів