Глубинное кипение магмы

Олег Мельник, член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией общей гидромеханики, НИИ механики МГУ,
Владимир Ляховский, главный научный сотрудник, Геофизическая служба Израиля,
Николай Шапиро, профессор РАН, главный научный сотрудник, Институт физики Земли, Гренобль, Франция; Институт физики Земли имени Шмидта РАН
«Коммерсантъ Наука» №24 (3), сентябрь 2020

«Тотальная» сейсмология — это высокотехнологичная область знаний, вовлеченная в технологическую революцию больших данных. Фото: Science Photo Library / Alamy / DIOMEDIA

В июле 2017 года «Ъ-Наука» уже писала о работах российских вулканологов — изучении глубоких вулканических землетрясений на Камчатке. Наблюдение такого рода сейсмичности в глубинных частях питающей вулкан магматической системы может свидетельствовать о начале ее активизации и, соответственно, использоваться в качестве раннего предвестника извержений. В то же время для полноценного использования наблюдения глубоких вулканических землетрясений в качестве прогнозного признака при мониторинге извержений необходимо понимание того, какие именно физические процессы их вызывают. Несмотря на наблюдения таких землетрясений под многими вулканами в разных районах в мире, работ по физическому моделированию их источников до настоящего времени было опубликовано крайне мало.

Разные типы землетрясений

Обычные «тектонические» землетрясения вызваны сбросом сдвиговых механических напряжений на геологических разломах. Но под большинством вулканов нет таких разломов и концентрации сдвиговых напряжений. В одной из работ японские и американские ученые предположили, что механические напряжения под вулканами могут возникать при охлаждении глубинных магматических интрузий и локальном тепловом сжатии. Но даже при таком сценарии происхождение землетрясений остается неясным, поскольку при больших температурах и давлениях на глубине под вулканами для горных пород характерна не хрупкая, а пластичная деформация, при которой землетрясений возникать не должно. К тому же сигналы глубоких вулканических землетрясений сильно отличаются от тех, которые регистрируются от источников, связанных с вспарыванием разломов, и содержат гораздо меньше высоких частот. Поэтому такие землетрясения принято называть «низкочастотными» или «длиннопериодными», и их происхождение связывают не с трещинами и разломами, а с резкими перепадами давления в магматических резервуарах или каналах.

Таким образом, для понимания происхождения этих землетрясений необходимо выяснить, какие именно физические процессы могут приводить к резким скачкам давления в магме на глубинах в несколько десятков километров.

Дегазация магмы и динамика вулканов

Для ответа на этот вопрос наша международная группа, включающая ученых из НИИ механики МГУ, Геофизической службы Израиля, Института физики Земли в Гренобле (Франция) и Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН, разработала новую физическую модель происхождения глубоких длиннопериодных вулканических землетрясений и провела серию численных экспериментов для ее проверки. Результаты численного моделирования сравнивались с сигналами землетрясений, наблюдаемыми под Ключевской группой вулканов на Камчатке.

(В 2017 году «Ъ-Наука» уже писала об этом уникальном природном объекте, который в течение многих десятилетий используется российскими вулканологами и сейсмологами в качестве естественной лаборатории для изучения вулканических процессов.)

Одна из существенных особенностей этого района — здесь наблюдается самая высокая концентрация в мире регистрируемых глубоких длиннопериодных вулканических землетрясений. Таким образом, использование такого рода наблюдений для возможного прогноза извержений особенно актуально именно в этом районе. А учитывая то, что значительные извержения по крайней мере одного из активных вулканов (Ключевской, Безымянный, Толбачик и Шивелуч) случаются по нескольку раз в год, такого рода научные исследования в перспективе могут иметь прикладное значение для оценки и предотвращения вулканической опасности для близлежащих населенных пунктов, многочисленных туристов и для интенсивного авиасообщения между Северной Америкой и Азией.

Основная гипотеза новой предложенной физической модели глубинного сейсмогенеза под вулканами — что давление в магме может резко меняться в связи с процессами выделения вулканических газов. Хорошо известно, что газовая или, как ее еще называют, летучая компонента играет ключевую роль в динамике вулканов и извержений. Основными составляющими вулканических газов являются водяной пар, углекислый газ, двуокись серы и сероводород. Водяная компонента доминирует (по крайней мере 60%), а вторым по значимости является углекислый газ. При больших давлениях, соответствующим глубинам в несколько десятков километров и больше, вся летучая компонента полностью растворена в магме. Но при подъеме последней к поверхности и уменьшении давления растворимость вулканических газов уменьшается, и они начинают выделяться в виде свободной фракции и образовывать пузыри. Этот процесс, называемый дегазацией, приводит к изменению усредненных плотности, давления и объема магмы.

Дегазация магм становится особенно близкой к поверхности, на глубинах в несколько километров. При соответствующих давлениях водяной пар достаточно быстро теряет свою растворимость и выделяется в виде образующихся и быстро растущих пузырей. При определенных составах магмы такие пузыри не могут быстро эвакуироваться, и их образование приводит к росту давления и последующим взрывным извержениям.

В связи с его вкладом в динамику извержений, процесс дегазации магмы, происходящий близко к поверхности, является достаточно хорошо изученным на основе геохимических и петрологических данных и с помощью экспериментального и численного моделирования. Но вот газовыделение на глубинах больше 10 км изучалось очень мало и многими вулканологами рассматривается как незначительное.

Глубоко и бурно

В нашей работе мы подвергли сомнению эту точку зрения. В первую очередь мы решили выяснить, возможно ли начало дегазации на глубинах порядка 30–35 км (максимум концентрации сейсмических очагов под Ключевским вулканом) и может ли этот процесс быть достаточно интенсивным и быстрым, чтобы генерировать сейсмические волны, наблюдаемые на поверхности. Для этого нами была разработана аккуратная численная модель, описывающая диффузию газа из магмы в пузырьки и их последующий рост. При моделировании мы также учитывали данные о химическом составе магм, питающих Ключевской вулкан, которые были получены на основе анализа образцов изверженных пород.

В качестве первого результата нашего исследования мы показали, что начало дегазации на рассматриваемых глубинах возможно при повышенном по сравнению со среднемировым содержании водяного пара и углекислого газа, характерном для магм Ключевского вулкана. Это вызвано тем, что при смешении этих летучих компонент растворимость их может быть понижена в сравнении с тем, какова она у этих газов по отдельности. Таким образом, повышенное содержание углекислого газа может привести к началу дегазации на существенно больших глубинах.

На втором этапе мы изучили динамику дегазации при медленной декомпрессии перенасыщенной магмы. Это подразумевает, что при относительно медленном подъеме к поверхности и соответственном уменьшении давления растворимость летучей составляющей уменьшается. На определенной глубине достигается критическое давление, которое должно привести к переходу газа из растворенного в свободное состояние. Но в реальности дегазация не начинается сразу и плавно: газосодержащая магма остается еще некоторое время в перенасыщенном состоянии и накапливает потенциально избыточное давление, которое, по имеющимся экспериментальным данным, может достигать нескольких десятков мегапаскалей. В такой перенасыщенной магме в какой-то момент начинается лавинообразный рост газовых пузырей. Результаты нашего численного моделирования показали, что этот процесс может быть очень быстрым и приводить к локальному увеличению давления в несколько десятков мегапаскалей за доли секунды. Дальнейшие вычисления показали, что если в такую быструю дегазацию вовлечен объем магмы, превышающий тысячу кубометров, то это может привести к генерации сейсмических волн с энергией и спектральным составом, близкими к наблюдаемым в реальности.

Так результаты нашего моделирования подтвердили, что при повышенном содержании водяного пара и особенно углекислого газа дегазация может начаться на глубинах 30–35 км и приводить к возникновению глубоких длиннопериодных вулканических землетрясений.

Почему это важно

Обоснование связи землетрясений с глубинной дегазацией магматических расплавов важно для улучшения прогноза вулканических извержений, поскольку эти землетрясения свидетельствуют о внедрении новой порции расплавов в глубинный магматический очаг и начале подготовки активизации вулкана.

Другой важный аспект новой теории — возможная связь между наличием и интенсивностью глубокой сейсмичности под вулканами и содержанием углекислого газа в питающих их магмах. Как известно, вулканы считаются одним из основных естественных источников углекислого газа в атмосфере. Но точное измерение количества углекислого газа, выделяемого вулканами, остается затруднительным. Это связано с отсутствием на сегодняшний день надежных методов глобального мониторинга этого типа вулканической эмиссии (в отличие, например, от оксида серы, который может быть относительно легко обнаружен и измерен с космических спутников). Предложенная в нашей работе модель предсказывает принципиальную возможность использования сейсмических наблюдений (регистрации глубоких землетрясений) в дополнение к методам газовой геохимии для понимания того, какие вулканы питаются магмами с повышенным содержанием углекислого газа и, соответственно, могут иметь повышенный вклад в выброс парниковых газов в атмосферу.

Исследование выполнялось лабораторией комплексного изучения и мониторинга геодинамических процессов в Курило-Камчатской зоне субдукции, созданной на базе Института физики Земли РАН в 2018 году при поддержке мегагранта Министерства образования и науки (No14.W03.31.0033). В нем также приняли участие сотрудники Московского государственного университета, Геофизической службы Израиля, Института физики Земли в Гренобле (Франция) и Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН. В работе использовались сейсмические данные, предоставление Камчатским филиалом Единой геофизической службы РАН.

Результаты работы опубликованы в статье:
Melnik, O., V. Lyakhovsky, N. M. Shapiro, N. Galina, and O. Bergal-Kuvikas (2020). Deep long period volcanic earthquakes generated by degassing of volatile-rich basaltic magmas // Nature Communications, DOI 10.1038/s41467-020-17759-4.