Структура вулканических кристаллов поможет прогнозировать извержения

Вулканологи установили, что по структуре и химическому составу магматических кристаллов, которые формируются в вулкане в течение нескольких недель перед извержением, можно описать процессы перемешивания магмы в вулкане и определить время предстоящего или прошедшего извержения. Такие кристаллы в будущем можно будет использовать для заблаговременного прогноза извержений, пишут ученые в Nature Communications.

Извержению вулкана предшествует поступление в магматическую камеру, находящуюся на глубине несколько километров под поверхностью, большого количества дополнительной магмы. Это приводит к активному перемешиванию магмы, изменению ее химического состава, а также ее внедрению в окружающую вулкан горную породу и изменению высоты жерла вулкана. Все эти процессы происходят в течение нескольких недель перед извержением, поэтому ученые предлагают использовать их для заблаговременного предсказания извержений. При этом механизмы изменения формы жерла и перемешивания магматических потоков неплохо изучены, но следить за этими изменениями довольно сложно. Поэтому более показательным параметром (как для описания прошедших извержений, так и для предсказания новых) может быть химический состав и структура минералов, содержащихся в магме и окружающих вулкан горных породах.

Чтобы определить возможные химические маркеры предстоящего извержения, вулканологи Тереза Убиде (Teresa Ubide) и Бальц Камбер (Balz Kamber) из Тринити-колледжа в Дублине провели анализ химического состава клинопироксенов, образовавшихся при извержениях Этны с 1974 по 2014 год. Клинопироксены — минералы с моноклинной симметрией из класса пироксенов, которые встречаются в большом количестве как в щитовых вулканах, так и в вулканах промежуточного типа. С помощью метода масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой ученые построили карты элементного состава 287 различных образцов минерала, образовавшихся в Этне в течение последних сорока лет.

Оказалось, что для кристаллов клинопироксенов периода извержений характерна выраженная зональная структура, в которой чередуются области, богатые и бедные хромом. При этом, кроме повышенного содержания хрома, для областей первого типа также характерны увеличенные концентрации никеля и скандия, но при этом пониженные концентрации лантана, неодима, циркония и ниобия.

По словам вулканологов, по наличию такой зональной структуры в кристаллах можно определить периоды изменения химического состава магмы, соответствующие процессам, происходящим перед извержением. Авторы работы предложили механизм образования кристаллитов с такой структурой, который запускается за нескольких десятков дней перед началом извержения, когда магма на глубине до 30 километров начинает медленно двигаться по направлению к поверхности. Процессы, происходящие после этого при перемешивании расплавленных минералов различного состава, запуску процессов кристаллизации и внедрению магмы в горные породы, приводят к образованию в кристаллах слоистой структуры, в которой состав ядра и поверхностных зон сильно отличается по содержанию хрома.

Авторы утверждают, что по структуре кристаллов клинопироксена и распределению в них хрома можно как определять время и механизм уже прошедших извержений, так и прогнозировать будущие извержения для заблаговременной эвакуации жителей городов, находящихся в опасной зоне. Для подтверждения полученных результатов в ближайшее время подобные исследования ученые планируют провести для активных вулканов в Юго-Восточной Азии и Океании.

Этна — самый высокий и самый активный вулкан в Европе. На протяжении своего существования вулкан извергался около 200 раз. Достаточно регулярно извержения начали происходить во второй половине XX века, и последнее из них произошло в марте прошлого года.

Александр Дубов