Как питаются вулканы

Сотрудники Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН совместно с Институтом вулканологии и сейсмологии ДВО РАН и Камчатским филиалом Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН» исследовали область смены режима субдукции и питания вулканов Южной Камчатки относительно вулканов Восточного хребта полуострова. Ученые построили сейсмотомографическую модель структуры земной коры и верхов мантии района, от вулканов Горелый и Мутновский на юге до вулкана Бакенинг на севере и от западного до восточного побережья полуострова. Эта работа помогла понять, как питаются вулканы, под которыми по-разному происходит погружение океанической плиты под континентальную.

Ученые ИНГГ СО РАН исследовали область на Камчатке, где граничат два разных режима субдукции (субдукция — это явление, при котором одна тектоническая плита погружается под другую, обычно океаническая под континентальную. — Прим. ред.). Тихоокеанская плита погружается под Камчатку не единым пластом. Из-за разного вещественного состава она деформируется и разделяется на части, продолжая опускаться блоками. Главные разрывы плиты называются трансформными разломами. Как раз один из таких, Авачинский трансформный разлом, проходит между вулканами Южной Камчатки (Горелый, Мутновский и другие) и Авачинской группой вулканов.

Трансформный разлом нарушает единый процесс погружения Тихоокеанской плиты, что приводит к смене режима субдукции, к различным скоростям погружения и углам наклона слэба (погружающейся части плиты). Процессы могут происходить быстрее или медленнее. Вещества, которые поднимаются на поверхность, тоже будут отличаться. Когда плита погружается, она нагревается мантийным веществом, что приводит к частичному плавлению и выделению флюидов (жидких и газообразных веществ). С погружением океанической плиты происходит ее деформация, это приводит к высвобождению энергии и землетрясениям. 

Научная гипотеза и экспериментальное исследование

Режимы активности вулканов Южной Камчатки отличаются от режимов вулканов Восточного пояса. Ученые выдвинули предположение, что это зависит не только от природы формирования территорий, но и от смены режимов субдукции. 

По всей ширине полуострова и от вулканов Горелый и Мутновский с юга до вулкана Бакенинг на севере района равномерно были расставлены временные сейсмологические станции, которые вели непрерывные записи в 2019—2020 годы. Постоянные сейсмические станции на Камчатке расположены лишь в основных вулканических зонах: рядом с Петропавловском-Камчатским, в районе Авачинской группы и около северной группы вулканов. Для расчета трехмерной надсубдукционной структуры необходимы записи сети приборов, покрывающих всю площадь исследуемого района, — чем равномернее, тем более точная и детальная получается модель. 

«Раньше невозможно было построить детальную модель структуры земной коры и верхов мантии этого района, потому что отсутствовали равномерные данные о временах пробега волн от локальных землетрясений. Установка сейсмических станций стоит больших денег. Необходимо дорогостоящее оборудование, которое еще нужно расставить в труднодоступных районах со сложным рельефом. Перемещаться с одного места на другое приходится на вертолетах, потому что дорог там нет. Через год станции нужно снять, данные обработать и только после этого можно строить изображения сейсмической структуры», — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории сейсмической томографии ИНГГ СО РАН кандидат геолого-минералогических наук Наталья Анатольевна Бушенкова. 

Временная сейсмическая станция — это небольшой приборный комплекс, который ловит сигналы от любых движений внутри Земли и записывает их. Для работы временной станции без перерыва целый год рядом закапывается большой ящик с аккумуляторами. Чтобы уберечь от влаги и избежать повреждений, его заворачивают в полиэтилен. 

В станции есть датчики, которые фиксируют колебания в трехмерной системе координат. По этим данным определяют разные виды волн, например продольные (P), поперечные (S) или обменные. Лучше всего выделяются первые вступления — это P-волны. S-волны приходят позже, они менее заметны на фоне шума. Например, когда идет активизация вулкана, внутри его постройки всё трещит, образуется целый шлейф колебаний, и определить конкретную S-волну в таком случае становится невозможно.

Наталья Бушенкова объясняет, как обрабатываются данные: «На непрерывной сейсмической записи определяются времена вступлений P- и S-волн. Для одного события (по времени) определяется время в источнике (минимум по трем станциям) и гипоцентр землетрясения (то есть откуда пришла волна). Какая-то из станций зарегистрирует волну раньше, другая — позже, и не только в зависимости от расстояния. На пути от землетрясения до конкретной станции волна может встретить разного рода внутренние структуры. Это значит, что на станциях будут различия между рассчитанным временем (которое мы предположили) и зарегистрированным. Допустим, волна должна пройти расстояние за Х секунд, а прошла за Y, мы получаем разницу (невязку — величину ошибки (расхождения) приближенного равенства. — Прим. ред.) между рассчитанным и полученным временем. По комплексу таких разностей (в настоящей работе с помощью программного кода локальной сейсмотомографии, LOTOS) мы можем определить, где и какие аномалии прошли волны на пути к станциям от конкретного землетрясения. Аномалии скорости рассчитываются относительно зависящей от глубины референтной скоростной модели».

Интерпретация данных

Пониженные скорости означают, что среда разогретая и/или разуплотненная. Это может быть вызвано наличием флюидов или общей раздробленностью — менее консолидированная структура заставляет волны замедлиться. Повышение скоростей, наоборот, говорит о том, что среда консолидированная. На флюиды больше всего реагирует S-волна, она замедляется в условиях флюидонасыщения. А для газонасыщенных участков структуры характерно контрастное снижение соотношения скоростей P- и S-волн.  

По распределению аномалии скоростей P- и S-волн можно судить о наличии неких структур, которые имеют границы. «Насколько реально просажена или увеличена скорость абсолютно точно сказать нельзя, потому что у нас неидеальная система наблюдения. Зато мы можем говорить о четких границах структур. В идеальной, простой системе на одной глубине должна быть равномерная скорость как для P-, так и для S-волн. Их соотношение показывает, имеется ли жидкая или газообразная составляющая в среде. Если соотношение скоростей волн в коре под вулканом примерно одинаково, значит, такой составляющей нет и магма не накапливается. Делаем вывод, что в ближайшее время вулкан не будет извергаться», — рассказывает Наталья Бушенкова.

Подтверждение гипотезы и другие выводы эксперимента

Ученые подтвердили предположение о том, что от режимов субдукции тектонической плиты зависят и режимы вулканов. Какие-то неторопливо дегазируют, а какие-то взрываются. Из одних лава может выливаться медленно, из других — стремительно нестись вниз по склону. На это влияет количество накопленных газов, энергии и вязкость расплава. 

Севернее трансформного разлома вулканы питаются с глубины порядка 50 километров, так как слэб (часть тектонической плиты, погруженная под другую) погружается под меньшим углом. Южнее разлома он уходит вниз под большим углом, и Горелый и Мутновский питаются с глубины 100 километров. 

Ранее исследования показали, что под вулканами Авачинской группы местоположения аномалий P- и S-волн, указывающих на наличие магматического очага, сильно отличаются. «Под Авачей он на небольшой глубине, поэтому и поверхность вулкана греется, происходит постоянное выделение тепла, вероятно, вулкан может начать извергаться в ближайшие сто лет. Под Корякским вулканом магматический очаг, из которого медленно идет выделение флюидов, расположен на большей глубине, почти 8 километров. Совсем скоро он не будет извергаться, но когда-то в геологическом будущем может. Новые результаты показали, что эти вулканы имеют общий источник питания на глубине около 50 км», — делится Наталья Бушенкова.

Практическая польза изучения структуры земной коры и мантии в вулканических регионах

Сравнение результатов исследования по данным разных лет дает возможность выявить движение магматических очагов. Мониторинг аномалий скорости на постоянной основе позволит предсказывать вулканическую активность. Это особенно важно для густонаселенных районов. 

С помощью локального сейсмотомографического моделирования можно выявлять и зоны гидротермальных выходов, где возможна установка гидротермальных станций. Это освободило бы людей от необходимости использовать для нагрева воды и отопления уголь или мазут. Такой опыт есть у Исландии. Камчатка и Курильские острова в будущем также смогут извлекать пользу из гидротермальных источников. 

Ирина Дмитриева, студентка отделения журналистики ГИ НГУ

Фото предоставлены исследовательницей