Подводный супервулкан Японии перезаряжается: очаг кальдеры Кикай снова заполняется магмой спустя 7300 лет

Около 7300 лет назад на юге современного Японского архипелага произошло извержение Акахоя. Геологи классифицируют его как одно из крупнейших в эпоху голоцена: вулкан выбросил на поверхность и в атмосферу от 133 до 183 кубических километров горной породы. После того как такой большой объем материала покинул недра земной коры, подземный резервуар опустел. Не выдержав собственного веса, верхний свод вулкана обрушился внутрь образовавшейся пустоты. На месте горы появилась кальдера — обширная впадина, которая сегодня полностью скрыта водами Тихого океана.

Эта кальдера, названная Кикай, считалась неактивным геологическим образованием, завершившим свой жизненный цикл. Но недавнее исследование, проведенное учеными из Университета Кобе и Японского агентства по науке и технологиям (JAMSTEC), показало, что геологическая активность под морским дном не прекратилась. Исследователи обнаружили, что старый магматический резервуар разрушенного вулкана в данный момент заполняется новой партией расплавленной породы. Это открытие позволяет детально и без пробелов описать физику процессов, происходящих в крупнейших вулканических системах планеты на протяжении тысячелетий.

Проблема глубинной архитектуры вулканов

Науке достаточно хорошо известны механизмы работы стратовулканов — гор, которые извергаются относительно небольшими порциями раз в несколько десятилетий или столетий. Их подземная структура остается стабильной, а магма поднимается по устоявшимся каналам. Супервулканы, формирующие гигантские кальдеры, работают по другим физическим законам. Они генерируют катастрофические извержения крайне редко, выбрасывают за один раз десятки и сотни кубических километров материала, после чего полностью перекраивают топографию региона.

Главный вопрос, на который геологи не имели однозначного ответа, заключается в следующем: что происходит с магматической инфраструктурой после столь масштабного обрушения коры? Когда из мантии Земли начинает подниматься новая порция магмы, формирует ли она совершенно новые резервуары на большой глубине, или же находит путь в старые, обрушившиеся зоны? Понимание этого процесса важно для оценки текущего состояния всех дремлющих супервулканов планеты.

Акустическое зондирование морского дна

Изучать геологические структуры на глубине нескольких километров методами прямого бурения технически невозможно из-за огромного давления и высоких температур. Поэтому японские инженеры обратились к методу сейсмической томографии.

Для проведения исследования научное судно Kaimei прошло над кальдерой Кикай, проложив прямую линию измерений длиной 175 километров. Вдоль этого маршрута прямо на океанское дно были опущены 39 высокочувствительных сейсмометров. Расстояние между приборами составляло от 2,5 до 5 километров. Затем судно, используя массив мощных пневматических пушек, начало генерировать акустические удары каждые 200 метров.

Принцип работы этой технологии основан на физике распространения звуковых волн в твердых телах. Когда сейсмическая волна проходит сквозь холодную и монолитную горную породу, ее скорость максимальна. Однако если на пути волны встречается зона с высокой температурой, внутри которой присутствуют фракции жидкой магмы, порода теряет свою плотность. В такой среде сейсмическая волна резко замедляется. Фиксируя точное время, за которое звук доходит от пневматической пушки до каждого донного датчика, компьютерные алгоритмы вычисляют плотность пород на разных глубинах и выстраивают подробную трехмерную карту недр.

Анатомия подземного резервуара

Прямо под центром разрушенного вулкана, на относительно небольшой глубине от 2,5 до 6 километров, приборы зафиксировали область, где скорость прохождения сейсмических волн падает более чем на 15%. В поперечном разрезе эта зона имеет форму массивной трапеции, ширина которой точно совпадает с границами внутреннего кольца кальдеры.

Чтобы понять физическое состояние этого объекта, исследователям потребовалось применить данные лабораторных экспериментов. В массовом сознании магматический резервуар часто представляется как подземная пещера, полностью заполненная кипящей жидкостью. В реальности физика глубоких слоев коры выглядит иначе. Резервуар Кикай представляет собой колоссальный объем твердой, но раскаленной породы. Температура внутри этой зоны превышает 750 градусов Цельсия. Порода имеет микроскопические пустоты по границам минеральных кристаллов, и именно в этих зазорах скапливается жидкая магма.

Опираясь на физические свойства риолита (горной породы, характерной для данного типа вулканов), ученые математически вычислили долю жидкого расплава в резервуаре. Она оказалась небольшой — от 3% до 6% от общего объема. Максимально возможный предел, допускаемый расчетами, составляет 10%. Однако общий объем самого резервуара достигает 220 кубических километров. Наличие жидкой фракции в таком значительном массиве прямо указывает на то, что система активна.

Хронология повторной инъекции

Объединив данные сейсмического сканирования с химическим анализом вулканических пород, собранных на дне океана, авторы исследования сформулировали строгую последовательность событий. Этот процесс получил название «модели повторной инъекции расплава». Жизненный цикл кальдеры разделили на четыре геологических этапа:

1. Опустошение и коллапс: 7300 лет назад старый резервуар, находившийся на той же глубине (от 3 до 7 километров), выбросил большую часть своего содержимого. Лишившись опоры, горный массив провалился вниз. На этом этапе вулканическая активность временно прекратилась.
2. Фаза покоя: на протяжении нескольких тысячелетий система находилась в стабильном состоянии, пока в мантии Земли формировался новый очаг давления.
3. Начало инъекции: около 3900 лет назад новая партия магмы начала подниматься вверх. Анализ изотопов показал, что ее химический состав отличается от состава магмы древнего извержения. Важнейшее открытие состоит в том, что эта новая магма не стала пробивать боковые каналы, а направилась точно в центр старого, разрушенного резервуара.
4. Формирование купола и современный этап: по мере поступления новой магмы давление в резервуаре росло. Часть породы в итоге была выдавлена на поверхность морского дна внутри кальдеры. Так образовался центральный лавовый купол объемом более 32 кубических километров. Сегодня процесс не остановлен: магма продолжает поступать в старый резервуар, постепенно увеличивая долю жидкости между кристаллами твердой породы.

Универсальный закон супервулканов

Исследование резервуара Кикай полезно для геофизики, так как описанный механизм не является локальным случаем. Авторы работы проводят прямые параллели с крупнейшими вулканическими системами планеты, данные о которых были получены другими группами ученых.

Архитектура недр кальдеры Йеллоустон в США, чье последнее кальдерообразующее извержение произошло 631 тысячу лет назад, проявляет идентичные признаки. Сейсмическая томография Йеллоустона фиксирует обширную зону частичного расплава на глубине от 3 до 8 километров прямо под зоной обрушения (доля жидкости там сейчас оценивается в 16-20%). Аналогичная картина наблюдается под индонезийским супервулканом Тоба, извержение которого 74 тысячи лет назад стало крупнейшим за весь плейстоцен: там зона замедления сейсмических волн локализована на глубине 5-11 километров. Под греческим островом Санторини, разрушенным извержением 3600 лет назад, магматическое тело также обнаружено на малой глубине от 2,8 до 5 километров.

Эти данные подтверждают универсальный геологический принцип. Независимо от географического положения, гигантские кальдеры после обрушения сохраняют структуру своих недр. Опустевшие неглубокие резервуары остаются зоной наименьшего сопротивления в земной коре и неизбежно становятся ловушками для накопления новой магмы из будущих мантийных потоков.

Наличие 3-6% жидкости в породе Кикая указывает на то, что система находится в фазе медленного и стабильного накопления материала. Для начала нового извержения этот процент должен возрасти многократно. Но теперь геология обладает точным инструментом контроля. Регулярный мониторинг скорости прохождения сейсмических волн сквозь неглубокие резервуары кальдер позволяет напрямую отслеживать объем жидкой магмы. Любое ускоренное падение скорости звука в породе станет объективным математическим индикатором того, что давление внутри супервулкана приближается к критической отметке.

Источник: Communications Earth & Environment