Вулкан-парадокс
06.12.2022
Источник: Наука в Сибири, 06.12.2022, Елена Трухина
В 1999 году
произошло выдающееся во многих отношениях подводное извержение вулкана в
Северном Ледовитом океане, на хребте Гаккеля. Во-первых, оно вызвало масштабный
рой землетрясений, зарегистрированный практически всеми сейсмическими станциями
в мире, который считается одним из сильнейших когда-либо задокументированных на
срединно-океанических хребтах. Во-вторых, характер этих извержений показал, что
они имеют взрывную вулканическую природу, что весьма нетипично для срединно-океанических
хребтов. В-третьих, землетрясения в этом месте оказались неожиданно глубокими.
Международный коллектив ученых детально изучил этот необычный вулкан,
результаты исследований опубликованы в Nature Communications.
Известно, что
срединно-океанические хребты представляют собой громадную единую вулканическую
систему, где литосферные плиты расходятся в разные стороны и зарождается новая
кора. «На самом деле, действующие подводные вулканы достаточно непросто
обнаружить. Во-первых, потому что они находятся очень глубоко под водой и поэтому
труднодоступны. Во-вторых, процессы в них происходят довольно медленно и тихо,
— объясняет один из авторов статьи главный научный сотрудник Института нефтегазовой
геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, заведующий лабораторией
сейсмической томографии член-корреспондент РАН Иван Юрьевич Кулаков. — Исключением
из правил стало извержение, которое произошло в 1999 году. Тогда практически
все сейсмические станции в мире зафиксировали в Северном Ледовитом океане
загадочный рой землетрясений — их характер демонстрировал вулканическую
природу».
Зондирование,
которое по горячим следам провели с помощью подводной лодки американские
исследователи, показало: в этом месте действительно есть следы пирокластических
потоков, что подтверждает — здесь происходит взрывное извержение. «Для всех
ученых это было просто открытием, потому что такого быть не должно, — говорит
Иван Кулаков. — Почему? Потому что на данном участке хребта море глубокое,
порядка 4,5 километров, и на такой глубине давление очень велико. Для взрывного
извержения, подобного тем, которые происходят сейчас у нас на Камчатке, где
активны вулканы Шивелуч и Безымянный, необходимо, чтобы давление воды
компенсировалось еще большим внутренним давлением пород».
Взрывные
извержения образуются за счет лавинообразной дегазации магмы. У тех же
Безымянного и Шивелуча концентрация флюидов внутри расплавленной магмы составляет
3 % — этого достаточно, чтобы произвести подобный взрыв. В случае же океанов
процесс дегазации и взрыва начинается при концентрации газов более 10 %. По
словам исследователя, это колоссальная цифра: никто из ученых никогда не
встречал такое высокое содержание газов в магмах. «Было загадкой, откуда там
вообще взялись газы, — отмечает Иван Кулаков. — Считается, что много воды
находится в зонах субдукции, где одна литосферная плита погружается под другую,
а в океанах флюидов вообще не очень большое количество».
Масштабная
комплексная экспедиция прибыла в район извержения на хребте Гаккеля в 2001
году. Ее участниками были немецкие исследователи из Института полярных и морских
исследований имени Альфреда Вегенера, AWI (Бремерхафен, Германия), составившие
детальную карту этих вулканов. Оказалось, что они представляют собой конусы,
очень похожие на земные вулканы, с воронками и следами взрывов. Эта же научная
группа провела смелый эксперимент, которого ранее никто не делал: ученые
развернули сеть сейсмических станций прямо на плавающих льдинах. «Выставлять подобную
технику в арктических условиях очень тяжело, — рассказывает Иван Кулаков. —
Ставить станции на дне сложно, потому что непонятно, где они окажутся и как их
потом оттуда извлекать, поскольку на поверхности плавают льдины. В чистой воде
устанавливать оборудование тоже не удается, так как те же самые льдины его
утащат».
Следы перемещений станций (тонкие линии). Красными
точками обозначены места станций, когда они регистрировали локальные
землетрясения. Фон показывает батиметрию
Немецкие
специалисты зафиксировали свои сейсмостанции на огромных льдинах, которые
дрейфуют с достаточно значительной, два-три километра в час, скоростью над
рифтовой долиной. Сейсмическая сеть из пяти станций проплывала над зоной
вулкана; как только она выходила из зоны интереса ученых, они снимали
оборудование с помощью вертолета и ставили на следующую льдину. Таким образом
исследователи сделали несколько прогонов. Оказалось, это очень эффективный
сейсмический метод. «Когда станции стоят, зафиксированные в одном месте, то,
что находится за пределами их чувствительности, изучить трудно, — объясняет
Иван Кулаков. — Поскольку же эти станции движутся, они каждый раз передают
данные из новой точки. Соответственно, мы можем охватить гораздо большее
пространство». Это оборудование на удивление хорошо зарегистрировало сейсмический
процесс, который происходил после основного извержения очень долго, в течение
многих лет.
В 2007 году, во время
кампании Arctic Gakkel vents expedition (AGAVE), также организованной немецким
институтом AWI из Бремерхафена на шведском ледоколе Oden, в районе
вулканической активности хребта Гаккеля была развернута уже более крупная
сейсмологическая сеть. Ее установили на трех отдельных льдинах, и записанные
данные позволили идентифицировать несколько сотен локальных землетрясений.
Информация о них легла в основу построения предварительной томографической
модели, основанной только на временах прихода продольных волн.
Недавно ученые
вновь обратились к уникальному набору накопленных сейсмологических данных,
собранных по ходу экспедиции в 2007 году, чтобы построить новую модель
сейсмической томографии, которая основывалась бы как на продольных, так и на
поперечных волнах, — это необходимо для интерпретации зафиксированных в районе
хребта Гаккеля аномалий с точки зрения тектонических и магматических процессов,
а также для точного определения местоположения сейсмичности в этом районе.
Распределение отношения Vp/Vs в двух горизонтальных и
двух вертикальных сечениях. Цветные точки на горизонтальных участках обозначают
места землетрясений, расположенные по глубине. Пунктирными линиями обозначена
граница рифтовой долины. Основные вулканические структуры выделены сплошными черными
линиями. Батиметрия представлена тонкими горизонталями (через каждые 100 м). На
вертикальных сечениях черными точками показаны места событий на расстоянии
менее 7 км. Красные треугольники изображают вулканические структуры (например,
OTL — Оден, Тор, Локи; DH — холмы Дуке)
«На этом этапе
привлекли нас, поскольку для обработки такого рода данных хочется использовать
максимально хороший алгоритм, а наш, созданный в ИНГГ СО РАН, высоко котируется
у исследователей во всем мире, — отмечает Иван Кулаков. — Когда вы применяете
стандартный алгоритм, всегда возникают проблемы, если сама ситуация нестандартная,
как в этом случае. Наш алгоритм оказался очень эффективным в первую очередь потому,
что мы его можем адаптировать так, как нам нужно для тех или иных данных».
Примечательно, что в зоне извержения на хребте Гаккеля помимо продольных волн
были зарегистрированы и поперечные. Конечно, распространение поперечных волн в
воде невозможно: они бегут только в твердой среде. Но в данном случае на дне
океана происходит обмен типа волн с поперечных на продольные, что позволяет
регистрировать их и изучать свойства поперечных волн на глубине. При изучении
вулканов использовать оба типа сейсмических волн очень важно: вместе они дают
максимально полное знание о наличии жидкости и газов внутри Земли. Специалисты
ИНГГ СО РАН обработали эту информацию и построили модель сейсмической томографии,
которая позволила выстроить сценарий, объясняющий специфическую магматическую и
сейсмическую активность хребта Гаккеля. «Сейсмическая томографическая модель
показала, что под вулканом находится магматический очаг, — поясняет Иван
Кулаков. — Очень интересной в этом месте оказалась локализация землетрясений.
Считается, что в океанах они происходят в хрупкой земной коре, на малых,
несколько километров, глубинах. Здесь же впервые были получены данные, надежно
определяющие землетрясения на глубинах до 25 километров. Понять, почему так
происходит, нам еще предстоит».
Для того чтобы
объединить все полученные данные, к исследованию была привлечена еще одна
группа специалистов — из Швейцарского федерального института технологий (ETH
Zurich, Цюрих) под руководством профессора Тараса Гери. «Его группа делает совершенно
гениальные численные модели самых разных геологических процессов, —
рассказывает Иван Кулаков. — Мы попросили их промоделировать ситуацию с хребтом
Гаккеля с учетом наших результатов, данных о сейсмичности, о строении вулкана,
чтобы прояснить, откуда там может взяться такое количество флюидов. При этом
надо учитывать, что по хребту Гаккеля раздвижение происходит исключительно
медленно, и при этом он относительно холодный».
По численной
модели Т. Гери получается такой парадокс: в случае холодного спрединга
(геодинамический процесс раздвигания жестких литосферных плит под действием
нагнетаемого снизу магматического расплава в области рифтов
срединно-океанических хребтов. — Прим. ред.) оказывается, что те флюиды,
которые имеются в небольшой концентрации вдоль этого хребта, всасываются в
отдельные небольшие резервуары, формирующиеся вдоль него. Таким образом,
Гаккель — это не цельная непрерывная зона растяжения плавления, в ней есть
очень небольшие дискретные участки, где этот процесс протекает более активно.
«Представьте, что с края крыши стекает вода: если ее много, она падает стеной,
а если мало, то формируются отдельные капельки то с одной, то с другой стороны,
и такого непрерывного потока не будет, — объясняет Иван Кулаков. — Точно так же
происходит и здесь — флюиды стекаются в отдельные зоны концентрации расплавов,
поэтому в хребте Гаккеля центры вулканизма расположены на очень большом
расстоянии друг от друга, но внутри них наблюдается очень активное плавление и
большая концентрация флюидов».
Интерпретация полученных отношений Vp/Vs на разрезе,
ориентированном поперек рифтовой долины, с учетом результатов численного моделирования.
Черные точки обозначают землетрясения
Изучение этого
подводного извержения вулкана было междисциплинарным: в нем участвовали и
сейсмологи, и вулканологи, и специалисты по численному моделированию, и
геохимики. Помимо основной задачи — объяснить, почему расходящийся хребет
Гаккеля в Северном Ледовитом океане демонстрирует множество парадоксальных явлений,
удалось получить важные методические результаты.
Так, установленная
в этих местах сеть станций показала себя настолько эффективной в сборе данных,
что этот метод сейсмических исследований получил распространение. Его развивают
и в ИНГГ СО РАН. Его сотрудник, Андрей Яковлев, по ходу полярной экспедиции на
корабле «Академик Трёшников» испытал сейсмические станции института,
аналогичным образом выставляя их на льду, и получил хорошие результаты. Похожие
работы ведутся и в Институте физики Земли РАН (Москва) под руководством члена-корреспондента
РАН Алексея Леонидовича Собисевича. «Эта методика, впервые испытанная в районе
хребта Гаккеля, дает нам в руки прекрасный инструмент: мы можем изучать дно
Северного Ледовитого океана, запуская станции, которые плавают и передают
информацию, — через спутник или другим способом, — подытоживает Иван Кулаков. —
Было доказано, что такая сеть очень хорошо регистрирует данные в этом регионе.
Это можно использовать в будущем и для разведки полезных ископаемых, и для
оценки сейсмической опасности, и решать с помощью этого метода много самых
разных задач».