Причиною вивержень супервулканів виявилася звичайна вода

Причиною вивержень супервулканів виявилася звичайна вода

Іван Кулаков
"Наука з перших рук" №3 (69), 2016

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

про автора

Іван Юрійович Кулаков – доктор геолого-мінералогічних наук, завідувач лабораторією сейсмічної томографії Інституту нафтогазової геології і геофізики ім. А. А. Трофимука СО РАН (Новосибірськ). Автор і співавтор понад 70 наукових робіт.

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

Суперізверженіе – це вибуховий вулканічне виверження з одноразовим викидом порід загальним об'ємом понад 1000 км3 в умовному твердому еквіваленті. Протягом останнього мільйона років на Землі функціонували три супервулкана: Йєллоустон в Північній Америці, Таупо в Новій Зеландії і Тоба на острові 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. В результаті цієї події утворилася величезна кальдера, заповнена восьмідесятікілометровим озером – найбільшим вулканічним озером на Землі. Дивною 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 суперізверженіямі. Найбільше виверження, зареєстроване людиною, обсяг якого склав близько 150 км3, Відбулося на вулкані Тамбора в Індонезії в 1815 р Ця катастрофа призвела до істотного зниження температури у всій Північній півкулі і до десяткам тисячам жертв внаслідок голоду та епідемій. Разом з тим масштаб цієї події несумісний з наслідками суперізверженій. Оскільки Супервулкан несуть потенційну небезпеку для людства, необхідно ставитися дуже уважно до вивчення процесів, що відбуваються в них, і відслідковувати всі аномалії в їх діяльності.

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

Основною причиною суперізверженій є накопичення в надрах Землі води, яка, як це не парадоксально, є найбільш вибухонебезпечною речовиною. В районі кальдери Тоба реалізується механізм доставки великої кількості води в мантію з допомогою великої розломно зони в плиті Індійського океану, розташованої уздовж 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 кальдеро Тоба, відбувається викид цієї води з занурюється плити літосфери.

Після цього вода починає просочуватися вгору через мантійний клин.По дорозі вона видозмінює породи мантії, роблячи їх більш легкоплавкими і менш щільними. В результаті підйому цих порід під корою формується величезний резервуар частково розплавленого мантійного речовини з високим вмістом флюїдів. У томографической моделі цей осередок 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 "спучування" земної поверхні навколо кальдери на висоту понад кілометр.

Томографическая модель в вертикальному перерізі і її інтерпретація. Показані аномалії швидкостей поперечних хвиль: червоні області – знижені швидкості (багато води і (або) висока температура); сині – підвищені швидкості (міцні холодні породи). зелені точки – землетрусу. стрілки показують шляхи міграції води і розплавів. Вгорі показаний рельєф вздовж розтину, де GSFZ – перетин з Великим Суматранського розломом

Мантійні породи в цьому резервуарі, незважаючи на їх сильно розігрітому, 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 сягає 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 землетрусу, 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 магматичних вогнище. Детально структура цього вогнища обговорювалася в іншій роботі тих же авторів (Jaxybulatov et al., 2014 року), раніше опублікованої в журналі Science.

Схема, що показує роль хребта Дослідників в ініціації супервулканізма об. червоний пунктир – розломна зона вздовж хребта Дослідників, по якій на глибині відбувається розрив плити, що полегшує вихід води з літосфери. Під кальдеро Тоба показано томографічне перетин

Частково розплавлене речовина в верхнекоровом вогнищі виявляється насиченим водою, як і раніше знаходиться в рідкому стані.При досягненні деякого порогового значення частина води через декомпресії або занадто високої температури може перетворитися на пару. Це істотно підвищить тиск, в результаті чого можуть утворитися нові тріщини в корі, по яким прямуватиме нова порція скипає води. Цей лавиноподібний процес в результаті здатний привести до вибуху величезного обсягу.

В результаті виверження супервулкану Тоба на півночі центральної частини острова Суматра в Індонезії утворилося озеро Тоба (на світлині) – найбільше вулканічне озеро на Землі. © Creative Commons

Такий механізм пояснює періодичність суперізверженій і їх силу. Дійсно, для того щоб зарядити "бомбу уповільненої дії", потрібно накопичення критичного обсягу води, яка повинна прийти з мантії. Таким чином, суперізверженія в районі об триватимуть до тих пір, поки відбувається занурення під Суматру хребта Дослідників, що привносить в мантію аномальне кількість води. Разом з тим, враховуючи, що останнє виверження вулкана Тоба відбулося тільки 74 тис. Років тому, а інтервали між суперізверженіямі 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.


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: