Провал на километр: что на самом деле произошло при извержении вулкана Хунга-Тонга

15 января 2022 года извержение подводного вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в центральной части Тихого океана вызвало серию масштабных геофизических процессов. Извержение подняло столб пепла и водяного пара на высоту 58 километров, достигнув мезосферы. Атмосферная волна давления обогнула планету несколько раз, а возникшее цунами распространилось по всему Тихоокеанскому региону, достигнув высоты 40 метров на близлежащих островах архипелага Тонга.

Главная фаза извержения происходила под водой, что сделало невозможным прямое наблюдение за процессами на морском дне. Масштабы разрушения самого вулкана оставались неизвестными до завершения морских исследовательских экспедиций.

Международная исследовательская группа под руководством морского геолога Марты Рибо опубликовала в журнале Nature Geoscience результаты комплексного анализа морского дна вокруг вулкана. Ученые объединили данные спутниковой альтиметрии, эхолокации высокого разрешения и сейсмического зондирования. Исследование показало: основание вулкана опустилось на глубину до одного километра непосредственно во время извержения. При этом геологический анализ выявил парадокс: массивное обрушение произошло при выбросе относительно небольшой доли подземного запаса магмы.

Что представлял собой вулкан Хунга до катастрофы

Вулкан Хунга расположен в 65 километрах к северу от главного острова Королевства Тонга — Тонгатапу. Он входит в вулканическую дугу Тонга-Кермадек, которая протянулась вдоль границы столкновения двух тектонических плит: Тихоокеанской и Индо-Австралийской. В этом регионе зафиксирована самая высокая скорость движения плит на Земле — до 24 сантиметров в год.

Большая часть вулкана всегда находилась под водой. Это крупная вулканическая постройка высотой около 1800 метров от океанического ложа, сложенная в основном базальтами и андезитами. До января 2022 года над поверхностью океана возвышались лишь два узких скалистых острова — Хунга-Хаапай и Хунга-Тонга, представлявшие собой сохранившиеся участки края древней впадины.

В 2014-2015 годах в результате локального извержения между этими островами образовался новый конус из пепла и застывшей лавы, который соединил их в один массив суши. Центральная часть подводной кальдеры представляла собой относительно плоское плато на глубине от 150 до 200 метров ниже уровня океана. По внешнему периметру этого плато располагались 22 небольших эруптивных конуса диаметром от 100 до 700 метров.

Радиоуглеродный анализ пород показывал, что вулкан уже переживал катастрофические разрушения в прошлом — одно из крупных извержений с провалом дна произошло около 1100 года нашей эры. Однако масштаб событий 2022 года превзошел исторические расчеты геологов.

Морские измерения: как фиксировали изменения дна

Чтобы оценить масштаб физических изменений вулканической постройки, исследователи сопоставили карты рельефа морского дна, полученные в 2015 и 2016 годах, с серией съемок, проведенных в течение 2022 года.

В измерениях участвовали научные суда нескольких государств. Южнокорейский ледокол Araon, новозеландское судно Tangaroa и исследовательские катера использовали многолучевые эхолоты. Эти приборы посылают веер звуковых импульсов к морскому дну и фиксируют время их возвращения, формируя трехмерную цифровую модель рельефа с разрешением до 10 метров на точку.

Поскольку центральная часть вулкана оставалась опасной для навигации из-за продолжающегося выхода газов, ученые применили безэкипажное надводное судно Maxlimer. Этот роботизированный катер составил детальную карту глубин непосредственно над центром впадины.

Наземные части вулкана ученые фиксировали при помощи стереоскопической спутниковой съемки с аппаратов WorldView, лазерных альтиметров со спутника ICESat-2, а также снимков с беспилотных летательных аппаратов. Сведение всех данных в единую трехмерную матрицу позволило с высокой точностью рассчитать перемещенный объем горных пород.

Масштабы провала: потеря почти девяти кубических километров

Сонарные карты показали, что прежняя центральная часть вулкана полностью разрушена. Плато, находившееся на глубине 150 метров, опустилось до средней отметки 850 метров ниже уровня моря. В северо-западной части глубина провала достигла максимальных значений.

Сейсмическое профилирование дна позволило заглянуть под слой свежих отложений. Прибор генерировал мощные низкочастотные акустические импульсы, которые проникали сквозь донный грунт и отражались от границы плотных коренных пород. Выяснилось, что истинное скальное основание опустилось еще глубже — примерно до 1000 метров ниже уровня океана. Сверху его перекрывает слой рыхлых вулканических продуктов и оползневых масс толщиной от 100 до 150 метров.

Общий объем исчезнувшего скального массива составил 8,9 кубического километра. Из них 6,85 кубического километра приходятся на центральное проседание чаши. Еще около 0,9 кубического километра было разрушено на северных и восточных склонах, где мощные потоки смеси пепла, камней и воды промыли широкие эрозионные каналы. Наконец, 1,2 кубического километра породы сорвало с верхней кромки кратера и внешних склонов вулканической постройки.

От островов Хунга-Хаапай и Хунга-Тонга остались лишь узкие скальные гряды. Конус, соединявший их с 2015 года, был полностью уничтожен извержением.

Парадокс тридцати процентов: почему обвалилась кровля

Обрушение кальдеры происходит, когда под вулканом освобождается пространство, ранее занятое магмой, и вышележащие породы теряют точку опоры.

До извержения 2022 года сейсмические измерения фиксировали под вулканом Хунга крупный магматический резервуар. Он располагался на глубине от 2 до 10 километров под морским дном и содержал около 27 кубических километров силикатного расплава андезитового состава.

Геологи рассчитали фактический объем магмы, выброшенной в ходе извержения 15 января. Для корректного подсчета вулканологи пересчитывают пористый пепел и пемзу в объем исходного монолитного камня — этот показатель называют эквивалентом плотной породы (Dense Rock Equivalent, DRE).

Масса изверженного вещества соответствовала 7-8 кубическим километрам плотной магмы. Это означает, что подземный резервуар потерял лишь от 26% до 30% своего исходного объема. Около 70% магмы осталось внутри литосферы.

В большинстве изученных континентальных вулканов обрушение кальдеры начинается только после того, как камера теряет более половины своего содержимого. Чтобы объяснить, почему вулкан Хунга провалился при эвакуации всего четверти расплава, ученые применили аппарат геомеханики трещин и разломов.

Устойчивость кровли вулканического очага определяется геометрическим коэффициентом r — отношением толщины перекрывающего слоя пород к горизонтальной ширине магматической камеры:

r = глубина залегания кровли / ширина магматического резервуара

Для вулкана Хунга кровля располагалась на глубине всего 2 километра под морским дном, тогда как диаметр резервуара составлял от 4 до 5 километров. Это дает значение r в диапазоне от 0,4 до 0,5.

В геомеханике конструкции со значением r менее 0,7 классифицируются как механически слабые. Тонкий двухкилометровый слой породы, перекрывающий широкую полость, не способен удерживать собственную массу при снижении давления снизу. Дополнительную механическую нагрузку на этот пласт создавала масса лежащей сверху толщи океанической воды.

Используя физические модели трения в горных породах, авторы статьи вычислили критический перепад давления внутри камеры, при котором связи в массиве разрушаются. Он составил всего 30 мегапаскалей (около 300 атмосфер). Выброс первых 7 кубических километров магмы вызвал именно такое падение внутреннего давления. Этого дефицита оказалось достаточно, чтобы механическое равновесие нарушилось, и скальный монолит над очагом начал неконтролируемое движение вниз.

Характер обрушения: монолитный вертикальный блок

Анализ профилей дна показал структуру сформировавшейся впадины. Края кальдеры не имели пологих зон оползания. На северо-западе стенка обрывается под углом 70 градусов — это практически отвесный скальный уступ. В восточной и южной частях образовались ступенчатые террасы на глубинах от 150 до 780 метров с высотой ступеней от 100 до 150 метров.

Такая морфология свидетельствует о поршневом типе обрушения. Центральная часть перекрывающего массива диаметром около четырех километров двигалась вниз как единый монолитный блок по вертикальным кольцевым разломам, рассекшим вулканическую постройку. Ступени по краям — это вторичные тектонические сбросы, сопутствующие опусканию центрального блока.

Сейсмические данные позволили ответить на принципиальный вопрос: в какой именно момент произошло обрушение — во время извержения или после его окончания?

На спаркерных сейсмограммах видно, что внутренние оползневые отложения объемом до 0,5 кубического километра не просто лежат на дне новой впадины. Они переслаиваются с горизонтальными слоями пепла и пемзы, которые выбрасывались жерлом. Часть оползней перекрыта продуктами извержения, часть залегает под ними, а часть находится внутри этой толщи.

Это доказывает, что обрушение дна шло одновременно с активной фазой извержения. Кровля магматического очага проваливалась непосредственно в процессе выброса газов и пепла.

Физика катастрофы: как провал усилил извержение и вызвал цунами

Синхронность проседания дна и извержения запустила цепную реакцию, многократно увеличившую разрушительную силу события:

1. Генерация цунами. Вертикальный провал скального блока диаметром 4 километра на глубину около одного километра за короткое время сместил гигантский объем воды. Вода устремилась вниз, заполняя образовавшуюся пустоту. Это вызвало резкое понижение уровня океана в эпицентре, за которым последовал откат водной массы и формирование серии поверхностных гравитационных волн. Высота волн вблизи эпицентра достигла 40 метров. Быстрота поршневого опускания передала массе воды значительно больше кинетической энергии, чем способны передать медленные оползни или постепенное проседание грунта.
2. Интенсификация процесса извержения. Смещение пород по кольцевым разломам вскрыло магматические каналы на большой глубине. Океаническая вода под гидростатическим давлением в десятки атмосфер проникла непосредственно в зоны подъема магмы. При прямом контакте расплава с температурой около 1000 градусов Цельсия и холодной морской воды происходит резкий теплообмен. Вода мгновенно закипает, расширяясь в объеме более чем в тысячу раз. Это явление привело к дроблению магмы на мельчайшие частицы пепла и высвобождению кинетической энергии, которая разогнала эруптивную струю до сверхзвуковых скоростей и забросила ее в средние слои атмосферы.
3. Формирование придонных потоков. Плотная смесь перегретых обломков, пепла и захваченной воды не могла целиком подняться в атмосферу. Значительная ее часть под действием силы тяжести растекалась по подводным склонам в виде гравитационных потоков высокой плотности. Эти потоки двигались по дну со скоростью десятков метров в секунду, снося скальные выступы и разрушая кабели связи на расстоянии сотен километров от вулкана.

Новая гидрология: изолированный бассейн внутри океана

В апреле и октябре 2022 года — через три и девять месяцев после извержения — ученые исследовали состав и физические характеристики воды внутри образовавшейся глубоководной впадины. Измерения температуры, электропроводности и гидростатического давления показали, что процессы в кальдере изменили локальную гидрологию.

Внутри впадины сформировалась устойчивая двухслойная структура воды с выраженным термоклином — резким перепадом температуры — на глубине от 150 до 200 метров. Это горизонт, где раньше находилось доизверженное плато вулкана.

Верхний 200-метровый слой свободно перемешивается океаническими течениями, обладает высокой температурой и стандартной соленостью. Ниже этой границы, в чаше глубиной до 850 метров, находится холодная, более плотная и застойная вода. Высокие скальные стенки новой кальдеры блокируют горизонтальную циркуляцию течений. Водная масса внутри котлована оказалась практически полностью изолирована от открытого океана.

Акустические датчики в мае 2022 года зафиксировали на дне кальдеры действующие гидротермальные источники. Наиболее крупный факел горячей воды, насыщенной газами и твердыми частицами, поднимался на 450-500 метров над дном в северо-западной части разлома. Второй крупный источник действовал на юго-восточной кромке.

К октябрю 2022 года глубоководные факелы исчезли. Исследователи связывают это либо с окончательным остыванием и оттоком магмы, либо с закупоркой трещин минеральными солями, осаждающимися из гидротермальных растворов. Однако на малых глубинах — до 150 метров, рядом с остатками острова Хунга-Хаапай — подъем вулканических газов по кольцевым трещинам продолжался, подтверждая сохранение остаточного тепла в недрах.

Переоценка рисков: угроза малых подводных кальдер

Диаметр кальдеры Хунга составляет около четырех километров. В глобальной базе данных четвертичных кальдер Земли, включающей 177 подобных объектов, эта структура входит в нижние 12% по своим линейным размерам. Ранее геологи предполагали, что вулканы такого масштаба не способны производить извержения глобального значения и вызывать транс-океанические цунами. Считалось, что подобные события требуют формирования гигантских кальдер диаметром 15-30 километров с выбросом сотен кубических километров магмы.

Данные, собранные у берегов Тонга, опровергли это положение. Они доказали, что даже небольшие подводные вулканы базальт-андезитового состава представляют глобальную опасность, если выполняются два условия:

• Магматический резервуар залегает на малой глубине относительно своей ширины (коэффициент r менее 0,7), что делает кровлю геометрически нестабильной.
• Обрушение происходит по поршневому механизму синхронно с выбросом магмы, вовлекая в процесс контакт с морской водой.

Только в пределах вулканической дуги Тонга-Кермадек находится не менее 74 подводных вулканических построек и 20 кальдерных комплексов. Соседние вулканы, такие как Тофуа и Фонуафо'оу, имеют аналогичные химические составы пород, сходные размеры жерл и близкую глубину залегания магматических очагов.

Существующие системы предупреждения цунами опираются главным образом на сейсмические сети, фиксирующие тектонические подвижки плит при классических землетрясениях. Однако поршневой провал кровли подводного вулкана создает иной тип физического импульса, плохо распознаваемый стандартными алгоритмами в первые минуты события.

Результаты исследования указывают на необходимость детального картирования подводных кальдер с помощью глубоководных сонаров. Без понимания точной трехмерной структуры вулканических массивов и глубины залегания их магматических очагов невозможно адекватно оценить риск внезапных провалов, способных порождать транс-океанические волны при минимальных предвестниках.

Источник: Nature Geoscience