Что заставляет вулканы извергаться

Исследователи из Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН и Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН изучают вулканы, в результате извержения которых появляются крупные кальдеры (впадины). Разобрав процессы, происходящие в современных зонах активного вулканизма, можно судить о возможности аналогичных явлений в прошлом.

Изучение процессов, связанных с образованием и перемещением магмы в недрах Земли и ее извержением на поверхность, требует усилий геологов разных специальностей. «Исследования сопровождаются значительными трудностями, так как глубинные области под вулканами недоступны для прямых наблюдений, такую возможность дает комплексный подход с использованием независимых геологических и геофизических методов. Идея совместить сейсмотомографию активных вулканов с минеральным анализом продуктов их вулканической деятельности принадлежала академику Николаю Леонтьевичу Добрецову. Его основной подход к изучению любого объекта — разностороннее комплексное исследование. Ему было недостаточно данных от геофизиков, нужны были фактические свидетельства, работа с реальными образцами горных пород.

Одно из направлений исследований нашей лаборатории (геодинамики и магматизма ИГМ СО РАН) связано с изучением флюидных и расплавных включений в продуктах древнего и современного вулканизма. Важно отметить, что флюиды и расплавы, принимающие участие при образовании вулканических пород, оставляют свои следы в виде микровключений в минералах. Таким образом, изучая законсервированные в минерале остатки магматического вещества, можно получить данные о составе магмы, содержании растворенных в ней летучих компонентов (воды, углекислого газа, метана), а после высокотемпературных экспериментов в специальных нагревательных установках (печках) узнать температуру и давление минералообразующей среды», — объясняет старший научный сотрудник ИГМ СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Алексей Васильевич Котляров.

​«Вначале Николай Леонтьевич пригласил нас для исследования вещественного состава продуктов извержения и расплавных включений в минералах Толбачинского извержения 2012—2013 годов, так как одним из наиболее перспективных направлений применения расплавных включений является изучение глубинных горизонтов под современными вулканами. Первый раз я посетил вулкан Толбачик в 2015 году, и пока геофизики занимались расстановкой сейсмических станций вокруг вулкана, мы занимались отбором еще теплых образцов базальтов. Меня удивило, что спустя два года после извержения лавовое поле местами еще оставалось горячим и напоминало огромную остывающую печную плиту», — рассказывает Алексей Васильевич.

В результате геологам удалось получить уникальную информацию об особенностях Толбачинского извержения. В ходе анализа расплавных включений в минералах из базальтов было показано существование трех магматических камер, расположенных под вулканом в интервале глубин от 2-х до 18–20 километров. Наличие этих разноглубинных очагов, в которых происходила эволюция поднимающихся расплавов, говорит о сложной системе магматического питания вулкана. Полученные результаты позволили сделать вывод о механизме извержения, а также стали основой для реконструкции эндогенных процессов в зоне субдукции, в районе Курило-Камчатской дуги.

В настоящее время исследования сосредоточились на изучении вулканических построек, эволюция магматических систем которых приводит к катастрофическим извержениям с образованием крупных кальдер. В этом смысле вулкан Горелый, расположенный на юге Камчатки, является образцовым объектом: как показывают сейсмические данные, он сохраняет возможность извержения с взрывом до настоящего времени.

В истории развития вулкана Горелый наблюдался мощный этап извержения, во время которого появилась округлая впадина обрушения диаметром около 12 километров. Это явление возможно, когда в магме содержится много летучих компонентов, при достижении определенного давления газы взламывают пробку из твердых пород вулкана, и чем больше этих газов, тем сильнее идет извержение.

Для реконструкции магматических систем, действовавших во время катастрофического образования кальдеры, необходимо изучать горные породы, сформированные в результате этого процесса. В образцах таких пород из древней постройки вулкана, образовавшейся на докальдерной стадии, геологам удалось найти свидетельства этого процесса. На приведенных в статье фотографиях наглядно показано присутствие в минералах одновременно включений с CO2 и расплавных включений, что свидетельствует о вскипании магматического расплава. «Исследованные нами включения магматического флюида фиксируют этап выделения и образования крохотных пузырьков в магме, как при встряхивании бутылки с газированной водой», — уточняет Алексей Котляров.

Помимо этого, сотрудники лаборатории имеют опыт изучения вулканизма срединно-океанических хребтов и исследуют его связь с образованием рудных месторождений. «Большое значение при изучении имеет сравнительный анализ с информацией по современным хорошо изученным объектам. В результате полученные знания используем как эталонные при изучении древних вулканических комплексов Алтая, Урала, Дальнего Востока, Тянь-Шаня», — добавляет Алексей Васильевич.

Лаборатория геодинамики и магматизма имеет огромный опыт исследований палеовулканов на Алтае, в Тыве и Казахстане. В отличие от современных вулканов Камчатки, они находятся в совершенно другой геодинамической обстановке — древних складчатых областях. «Мы фактически занимаемся реконструкцией вулканических построек, здесь используется метод актуализма, согласно которому вулканические события прошлых геологических эпох имеют много общего с современными процессами. Изучая проявления вулканизма в истории Земли, геологи имеют дело с фрагментами вулканических структур, распознать которые без знаний о строении современных вулканов очень сложно», — поясняет Алексей Котляров.

Мария Фёдорова