Причиною вивержень супервулканів виявилася звичайна вода

Новосибірські вчені у співпраці з колегами з Франції та Саудівської Аравії на основі комплексного геофізичного дослідження глибинної будови під кальдерою Тоба на про-ве Суматра реконструювали механізми процесів, що призводять до повторюваних в цьому районі супервивержень. Результати цієї роботи опубліковані в престижному журналі Nature Communications.

Основною причиною супервивержень є накопичення в надрах Землі води, яка, як це не парадоксально, є найбільш вибухонебезпечною речовиною. Малюнок І. Кулакова, папір, акварель

Супервиверження — це вибухове вулканічне виверження з одноразовим викидом порід загальним обсягом понад 1000 км³ в умовному твердому еквіваленті. Протягом останнього мільйона років на Землі функціонували три супервулкани: Йеллоустон в Північній Америці, Таупо в Новій Зеландії і Тоба на про-ве Суматра. Виверження вулкана Тоба приблизно 74 тис. років тому, в результаті якого було викинуто понад 2800 км³ порід, вважається найпотужнішим на Землі за останні кілька мільйонів років. У результаті цієї події утворилася величезна кальдера, заповнена вісімдесятикілометровим озером — найбільшим вулканічним озером на Землі. Дивовижною особливістю цього місця є те, що катастрофічні виверження відбувалися тут неодноразово, принаймні тричі за останній мільйон років.

Людська цивілізація за час свого існування жодного разу не стикалася з супервиверженнями. Найбільше виверження, зареєстроване людиною, обсяг якого склав близько 150 км³, сталося на вулкані Тамбора в Індонезії в 1815 р. Ця катастрофа призвела до істотного зниження температури у всій Північній півкулі і до десятків тисяч жертв внаслідок голоду та епідемій. Разом з тим масштаб цієї події несумісний з наслідками супервивержень. Оскільки супервулкани несуть потенційну небезпеку для людства, необхідно ставитися дуже уважно до вивчення процесів, що відбуваються в них, і відстежувати всі аномалії в їх діяльності.

Автори роботи побудували детальну сейсмічну модель будови кори і мантії під кальдерою Тоба з використанням методу сейсмічної томографії, розробленого в Новосибірську. За допомогою цієї моделі вдалося виявити кілька рівнів магматичних осередків під кальдерою і реконструювати механізм реалізації повторюваних супервивержень.

Основною причиною супервивержень є накопичення в надрах Землі води, яка, як це не парадоксально, є найбільш вибухонебезпечною речовиною. У районі кальдери Тоба реалізується механізм доставки великої кількості води в мантію за допомогою великої розломної зони в плиті Індійського океану, розташованої вздовж хребта Дослідників. Ця зона, яка чітко виділяється на карті рельєфу морського дна, розділяє дві ділянки плити з різним віком і є ослабленою частиною літосфери, куди активно проникає океанічна вода. У зоні субдукції океанічна Індійська плита занурюється в мантію під Суматру і затягує з собою насичений водою хребет Дослідників. На глибині близько 150 км, безпосередньо під кальдерою Тоба, відбувається викид цієї води з літосферної плити.

Після цього вода починає просочуватися вгору через мантійний клин. По дорозі вона видозмінює породи мантії, роблячи їх більш легкоплавкими і менш щільними. У результаті підйому цих порід під корою формується величезний резервуар частково розплавленої мантійної речовини з високим вмістом флюїдів. У томографічній моделі це вогнище простежується як аномалія зі зниженими сейсмічними швидкостями розміром близько 50 тис км³. У проекції на поверхню кальдери форма цієї аномалії майже ідеально збігається з областю «сплучування» земної поверхні навколо кальдери на висоту більше одного кілометра.

Томографічна модель у вертикальному перерізі та її інтерпретація. Показано аномалії швидкостей поперечних хвиль: червоні області — знижені швидкості (багато води і (або) висока температура); сині — підвищені швидкості (міцні холодні породи). Зелені точки — землетруси. Стрілки показують шляхи міграції води і розплавів. Вгорі показано рельєф уздовж перерізу, де GSFZ — перетин з Великим Суматранським розломом

Мантійні породи в цьому резервуарі, незважаючи на їх сильну розігрітість, залишаються більш важкими, ніж породи кори. Тому далі підніматися через кору вони не можуть. Інша справа — вода. Після проходження через мантійний клин її температура може досягати 1300 ° C, але внаслідок великого тиску вона залишається в рідкому стані. Вода може спокійно продовжувати мігрувати вгору через кору, будучи при цьому надзвичайно ефективним способом перенесення тепла. Численні землетруси, що реєструються в низах кори під Тобою, ймовірно, є відображенням цього процесу. Міграція гарячої води призводить до розігріву і плавлення порід у верхній корі, в результаті чого на глибинах між 7 і 15 км формується ще один магматичний осередок. Детально структура цього вогнища обговорювалася в іншій роботі тих же авторів (Jaxybulatov et al., 2014), раніше опублікованій в журналі Science.

Схема, що показує роль хребта Дослідників в ініціації супервулканізму Тоби. Червоний пунктир — зламна зона вздовж хребта Дослідників, по якій на глибині відбувається розрив плити, що полегшує вихід води з літосфери. Під кальдерою Тоба показано томографічний переріз

Частково розплавлена речовина у верхньокоровому осередку виявляється насиченою водою, яка як і раніше знаходиться в рідкому стані. При досягненні деякого порогового значення частина води через декомпресію або занадто високу температуру може перетворюватися на пар. Це істотно підвищить тиск, в результаті чого можуть утворитися нові тріщини в корі, по яких спрямується нова порція вскипаючої води. Цей лавиноподібний процес в результаті здатний привести до вибуху величезного обсягу.

У результаті виверження супервулкану Тоба на півночі центральної частини острова Суматра в Індонезії утворилося озеро Тоба (на фото) — найбільше вулканічне озеро на Землі.

Такий механізм пояснює періодичність супервивержень і їх силу. Дійсно, для того щоб зарядити «бомбу уповільненої дії», потрібне накопичення критичного об’єму води, яка повинна прийти з мантії. Таким чином, супервиверження в районі Тоби триватимуть до тих пір, поки відбувається занурення під Суматру хребта Дослідників, що привносить в мантію аномальну кількість води. Разом з тим, враховуючи, що останнє виверження вулкана Тоба відбулося тільки 74 тис. років тому, а інтервали між супервиверженнями становлять кілька сот тисяч років, швидше за все, в найближчій історичній перспективі катастрофічне виверження цього вулкана людству не загрожує.

Література:

1. Jaxybulatov K., Shapiro N. M., Koulakov I., et al. Seismic anisotropy reveals a large magmatic sill complex below the Toba caldera // Science. 2014. 6209; V. 346. P. 617–619. doi: 10.1126/science.1258582.

2. Koulakov I. Yu., Kasatkina E., Shapiro N. M. The feeder system of the Toba supervolcano from the slab to the shallow reservoir // Nature Communications. 2016. № 7. Article number: 12228. doi: 10.1038/ncomms12228.

Робота підтримана грантом РНФ 14-17-00430.