Термомеханічне моделювання допомогло пояснити формування магматичної системи Єллоустонського супервулкана

Ріс. 1. Велике призматичне джерело в кальдері Єллоустонського вулкана. Яскраві кольори джерела, багатого мінералами, — це результат життєдіяльності пігментованих бактерій; колір бактерій змінюється від зеленого до червоного і залежить від співвідношення хлорофілу і каротиноїдів в їх популяції. Фото з сайту commons.wikimedia.org

Використовуючи моделювання на суперкомп’ютері для інтерпретації сейсмічних даних, вчені з Орегонського університету побудували геологічну модель складного магматичного вогнища, що знаходиться під Йеллоустонським супервулканом. Виявилося, що в середній частині кори розташоване субгоризонтальне тверде тіло застиглих порід, що розділяє верхній і нижній резервуари магми і перешкоджає прямому надходженню глибинної магми до поверхні.

Йеллоустонський супервулкан вважається чинним, хоча останній великий викид лави на поверхню тут стався 70 000 років тому, а вік наймолодшої з кальдер цього супервулкана — 630 000 років. Справа в тому, що під кратером вулкана досі зберігається активний осередок розплавленої магми, готової вилитися на поверхню в будь-який момент. Тому дуже важливо розуміти розміри цього вогнища, його будову і динаміку процесів, що відбуваються в ньому. Адже мова йде не про простий вулкан, а про гігантський супервулкан, виверження якого може мати катастрофічні наслідки для всього північноамериканського континенту. Повномасштабне виверження Єллоустонського супервулкана може знищити більшу частину території Сполучених Штатів і на довгі роки змінити клімат на планеті.

Супервулкани

Поняття «супервулкан» не є суворо науковим. Цей термін застосовується для позначення найбільших вулканів планети, виверження яких характеризуються величезним об’ємом викинутого матеріалу (не менше 1000 км порожніх) і руйнівними наслідками не тільки для навколишньої місцевості, але і для глобального клімату.

Кожне виверження супервулкана залишає значний слід як в геологічному літописі, так і в еволюційній історії Землі. Потужність супервулкана може в кілька разів перевищувати потужність всіх разом узятих звичайних земних вулканів, активних одночасно з ним. Теоретично, виверження одного супервулкана може призвести до загибелі всього живого на планеті.

Зараз на Землі налічують близько двох десятків супервулканів. Вони розташовуються в різних регіонах з високою вулканічною активністю (більшість — у Північній і Південній Америці) і по-різному проявлені в рельєфі (деякі взагалі ніяк не проявлені). Загальним є те, що під супервулканами завжди знаходиться активне вогнище магми значних розмірів.

Єдиного узгодженого списку супервулканів не існує, але який би огляд ми не взяли, на почесному першому місці в рейтингу супервулканів завжди стоїть Йеллоустон.

Особливість геолого-тектонічного положення Єллоустонського супервулкана полягає в тому, що він розташований над гігантським мантійним плюмом, що підживлює магматичне вогнище під Єллоустоном. Протягом останніх 17 мільйонів років Північно-Американська континентальна плита зсувалася в південно-західному напрямку (приблизно зі швидкістю 25 км за мільйон років) щодо мантійного плюму, а він раз по раз «пропалював» нові кальдери на місці чергових вивержень (рис. 2). У цьому плані Єллоустон, поряд з Гавайськими і Азорськими островами, Ісландією і т. д., належить до типових «гарячих точок», які відображають на поверхні процеси магмооутворення і вулканізму, пов’язані зі висхідними потоками розігрітої мантійної речовини.

Ріс. 2. Послідовність кальдер (числами позначений вік кальдер в млн років), що показує міграцію Йеллоустонської «гарячої точки» по поверхні Північно-Американської плити. Стародавні кальдери виділяються за наявністю продуктів вивержень і осідань рельєфу. Малюнок з сайту ru.wikipedia.org

Геофізичні дослідження попередніх років показали, що магматичне вогнище під Єллоустонською кальдерою має дворівневу будову (див. J. Farrell et al., 2014. Tomography from 26 years of seismicity revealing that the spatial extent of the Yellowstone crustal magma reservoir extends well beyond the Yellowstone caldera; H.-H. Huang et al., 2015. The Yellowstone magmatic system from the mantle plume to the upper crust). На глибині 4-14 км розташований верхній резервуар, а на нижніх горизонтах земної кори (20-45 км) знаходиться більш великий нижній резервуар, можливо, безпосередньо пов’язаний з мантійним плюмом. Однак до останнього часу залишалося багато питань про склад магми в цих магматичних тілах і про механізм їх формування. Було лише відомо, що ступінь плавлення матеріалу в цих резервуарах, розрахований на основі швидкості проходження поздовжніх сейсмічних хвиль, становить 9% і 2% відповідно. Це невисокі значення, що дозволяють сподіватися, що найближчим часом нового виверження не відбудеться.

Геологи з Орегонського університету Ділан П. Колон (Dylan P. Colón) і Ілля Біндеман (Ilya Bindeman) за допомогою моделювання, виконаного на суперкомп’ютері, зуміли багато в чому відповісти на ці питання. У цьому їм допомогли вчені зі Швейцарської вищої технічної школи Цюріха (ETH Zürich), які створили спеціальні алгоритми так званого «форвардного моделювання» (див. Forward modeling of seismic data), що дозволяє аналізувати різні сценарії розвитку подій у земних надрах.

Побудувавши термомеханічну модель еволюції ділянки земної поверхні над Єллоустонським плюмом площею 1000 на 300 кілометрів, вчені відтворили процес утворення в земній корі вогнища магми, пов’язаного з підйомом мантійного плюму (рис. 3).

Ріс. 3. Термомеханічна модель еволюції ділянки земної поверхні над Єллоустонським плюмом. У верхньому ряду показана температура і ступінь плавлення матеріалу, в нижньому — в’язкість порід. Вік у млн років (Myr) вказано від умовного моменту досягнення головою плюма (plume head) нижньої межі літосфери (точка початку моделювання): 0,25 млн років — у земній корі починають формуватися осередки плавлення; 1,75 млн років — утворюються два яруси інтрузивних тіл; 3,00 млн років — формування сучасної складної дворівневої магматичної системи. Зеленою лінією відзначена межа Мохо, що розділяє земну кору і мантію. Чорна рамка — ділянка деталізації (рис. 4). Малюнок з обговорюваної статті в Geophysical Research Letters

Згідно з цією моделлю, верхня частина (голова) плюма мала форму ущільненої бульбашки діаметром близько 160 км, що піднімається зі швидкістю 4,7 см на рік (рис. 3, a, b). Утворення вогнища плавлення в земній корі почалося в момент, коли верхня частина плюма досягла нижньої межі літосфери. Швидкість утворення розплаву говорить про те, що температура плюму в цей момент була приблизно на 175 ° C вище температури навколишньої мантії, а товщина перекриваючої літосфери становила приблизно 80 км.

Потім відбувся поділ магматичного вогнища на дві окремі інтрузивні зони (рис. 3, c, d). Одна знаходилася прямо над кордоном Мохоровичича (на її місці сформувався нижній магматичний резервуар), а друга — на глибині 7-15 кілометрів від поверхні (верхній резервуар). Ці дві інтрузивні зони розрізняються по хімічному складу. Зокрема, верхня складена породами кислого складу (гранітами і ріолітами) і багата розчиненими газами. Велика частина її матеріалу являє собою розплавлені породи верхньої кори. Нижня інтрузивна зона отримувала часткове підживлення з мантії і складена породами основного складу (базальтами). З верхнім резервуаром пов’язаний прогрів навколишніх порід верхніх горизонтів кори, насичених водою, що викликає утворення знаменитих гейзерів і гарячих джерел Єллоустону, які, виводячи тепло на поверхню, охолоджують магматичне вогнище і перешкоджають катастрофічному підвищенню температури в ньому.

З моделі випливає, що між верхнім і нижнім резервуарами частково розплавлених порід знаходиться субгоризонтальне тіло (силл) застиглих вивержених порід, що складаються в основному з габбро — інтрузивних порід, що формуються на глибині з базальтової магми. Утворення силла, що розділяє два резервуари магми, пов’язане з реологічними властивостями земної кори. На глибині близько 5-10 км розташовується так звана зона крихко-пластичного переходу (brittle-ductile transition zone), нижче якої крихкі породи верхньої земної кори поступаються місцем пластичним і в’язким. Базальтова магма, що піднімається з нижнього резервуара, акумулювалася нижче межі крихко-пластичного переходу, розтікаючись і затвердева у вигляді силла складної форми (рис. 4), потужність якого в роздувах досягає 10-15 км.

Ріс. 4. Термомеханічна модель еволюції ділянки земної поверхні над Єллоустонським плюмом (деталізація фрагмента на рис. 3). Кольори на зображенні (а): рожевий — граніти і ріоліти верхнього магматичного резервуара, що утворилися в результаті залучення в переплавку порід верхньої кори (жовтий); темно-зелений і червоний — субгоризонтальне інтрузивне тіло (силл), складене габбро (темно-зелений) і базальтами (червоний); бордовий — базальти нижнього магматичного резервуара. Зеленою лінією показано кордон Мохо. Чорний пунктир обмежує зону крихко-пластичного переходу. Малюнок з обговорюваної статті в Geophysical Research Letters

Автори вважають, що формування складних багаторівневих магматичних систем, де верхні резервуари з великою часткою корового матеріалу відокремлені силлоподібними тілами застиглих порід від нижніх резервуарів з базальтовою магмою, може бути типовим процесом для всіх супервулканів «гарячих точок», розташованих над мантійними плюмами.

Дослідники також відзначають, що, хоча отримані ними результати поки не дозволяють прогнозувати майбутні виверження, вони допомагають пояснити структуру підвідної магматичної системи, що є джерелом магми для цих вивержень, що може допомогти в подальших прогнозах. Крім того, вивчення процесів, що відбуваються в зоні крихко-пластичного переходу, сприяє науковому розумінню того, як мантійні плюми впливають на еволюцію і структуру континентальної кори.

Джерело: D. P. Colón, I. N. Bindeman, T. V. Gerya. Thermomechanical modeling of the formation of a multilevel, crustal-scale magmatic system by the Yellowstone plume // Geophysical Research Letters. 2018. DOI: 10.1029/2018GL077090.

Владислав Стрекопитов