Поведение вулканов связали с состоянием магмы в резервуаре

Днем 20 октября 2020 года премьер-министр Исландии Катрин Якобсдоуттир, общаясь в прямом эфире с колумнистом Washington Post, внезапно прервала свой монолог, с удивлением произнесла: «Боже, землетрясение», выждала несколько секунд, добавила, что дом все еще стоит на месте, извинилась перед собеседником и вернулась к рассказу о том, как ее правительство справляется со второй волной ковида в стране. Этот толчок магнитудой 5,6 был самым ощутимым в Рейкьявике за двадцать лет. https://www.youtube.com/watch?v=RJ9dEyzTm50 Пролог Землетрясениями исландцев не удивить: Исландия — тектонически очень активный регион. Если спросить любого жителя страны, сколько землетрясений он почувствовал на протяжении жизни, каждый вспомнит хотя бы один день, когда земля уходила из-под ног. Последняя сильная встряска — два толчка в 2000 году, которые перешагнули магнитуду 6. Быстро обнаружилось, что в этот раз толчки были другими. Обычные исландские землетрясения вызваны движением блоков плит, а сейчас исследователи сразу определили, что эти толчки связаны с пробивающейся к поверхности магмой. Но поверить в будущее извержение никто не мог — столичный регион был вулканически спокоен целых 800 лет. Землетрясения, которые были чаще и сильнее привычных в районе Рейкьявика, сейсмологи из Исландского метеорологического центра наблюдали еще с декабря 2019 года. Приборы записывали серии локализованных толчков на Рейкьянесе — полуострове размером с Москву в пределах МКАД. Тогда сразу три из шести местных вулканических систем оказались в зоне сейсмической активности. Как потом выяснилось, в нарастающей тряске оказались виноваты магматические флюиды с расплавом. Их выталкивало в водоносные горизонты, из-за чего пласты пород приподнимались вверх на пару сантиметров. Такое вздутие территории и породило серии толчков, которые уловили сейсмографы. В течение года после этого флюиды с магмой четырежды пытались пробиться на поверхность, но так и не преуспели в этом. Толчок, который потревожил премьер-министра и жителей Рейкьявика, был одной из попыток магмы пробраться наверх. С конца февраля 2021 года сейсмическая активность на Рейкьянесе стала еще заметнее: за три следующих недели полуостров пережил уже десятки тысяч землетрясений. Их эпицентры концентрировались вокруг горного массива Фаградальсфьядль. Впервые с начала стационарных наблюдений регион так долго трясло без перерывов. Сейсмический кризис привлек внимание исследователей еще и потому, что гипоцентры толчков, точки зарождения землетрясений, последовательно поднимались с глубин к поверхности: избыточное давление разломало хрупкую кору, и магма начала бодро пробираться наверх (подробнее об этом мы писали в материале «Скандинавские тряски»). Глава первая. Детство 19 марта 2021 года, 20:45. Магма наконец-то прорвала поверхность. В долине Гелдингадалир открылась трещина и впервые за восемь столетий по Рейкьянесу потекла свежая лава. Так началось извержение Фаградальсфьядль. Близкое к столице расположение долины позволило установить многочисленные приборы для наблюдения, в том числе камеры, газовые датчики, коллекторы дождя и шлака. Лава начала заливать долину со скоростью пять кубических метров в секунду. Уже в первые часы жизни новорожденного извержения вулканологи из Исландского университета доставили в лабораторию на рентгеноспектральный микроанализ образцы застывшей лавы. «Мы ожидали, что извержение Фаградальсфьядль будет похоже на предыдущие события на полуострове. Но первые результаты стали неожиданностью», — говорит в беседе с N + 1 Саймон Мэттьюз, геохимик из Исландского университета. Анализ показал, что в базальтах, которые изверг вулкан, очень много оксида магния — больше восьми процентов. Базальты — основная порода Исландии. Из них сложено 90 процентов острова. Родоначальная магма, из которой образовалась лава Фаградальсфьядля, не успела «созреть» в резервуаре в земной коре, а попала наружу непосредственно из мантии, поэтому такую породу называют примитивной. Такие расплавы — как молодое вино: в них можно разглядеть первичную (свежую) мантийную компоненту. И хотя примитивные магмы не редкость на Рейкьянесе, в этот раз Фаградальсфьядль зачерпнул из мантии больше разного материала, чем раньше. Поэтому через пару недель после начала извержения состав лавы резко изменился. Истощенные расплавы (из мантии, в которой мало некогерентных элементов, присутствовавших в ней еще до плавления, — в частности редкоземельных металлов) неожиданно сменились обогащенными (в них некогерентных элементов много). Чтобы понять, откуда в базальтах из нового вулкана так много оксида магния, геологи решили внимательнее посмотреть на место извержения. Оказалось, что давление, при которой магма затвердевала, было около 5,2–5,8 тысячи атмосфер, то есть происходило это на глубине больше 14 километров. Граница же земной коры и верхней мантии под Рейкьянесом находится как раз на глубине 15 километров. Получается, что вулкан забирал магматический расплав почти из мантии, вблизи границы Мохоровичича, отделяющей кору от мантии. Этим извержение Фаградальсфьядля отличается от остальных вулканических событий, свидетелями которых были исландцы в последние десятилетия. Большинство извержений зарождались в магматических камерах под центральными вулканами. Эти камеры находятся внутри земной коры, намного ближе к поверхности, чем верхняя граница мантии. Например, взрыв Эйяфьядлайёкюдля в 2010 году спровоцировала инъекция базальта в карман кислой магмы на глубине пять километров. А в 2011 году вулкан Гримсвётн излил лаву из резервуара на глубине менее трех километров и проплавил ледник Ватнайёкюдль. Трещинные извержения, при которых лава вытекает из вытянутого разлома в земле, на памяти исследователей тоже были другими. С момента заселения острова таких было 14. «С 1975 по 1984 год эпизодически проявлял активность вулкан Крапла на севере острова. Магма образовалась в результате частичного плавления мантии, копилась в неглубоком очаге в земной коре, а затем изливалась через трещину», — объясняет Саймундур Халльдорсон. Предыдущее трещинное извержение, Холухрёйн, исландцы застали в 2014–2015 годах, которое случилось в вулканической системе Баурдарбунга. Тогда магматический резервуар, по данным клинопироксеновой барометрии, находился на глубине восьми километров — тоже значительно выше мантии. «Несмотря на то, что Холухрёйн питался из глубоко сидящего кармана магмы, он все еще был в земной коре», — говорит Саймундур. Но у новейшего вулкана источник питания сидит гораздо глубже. Глава вторая. Юность Апрель 2021 года. В первую неделю после начала извержения узкий магмаподводящий канал пропускал не так много расплава, но из-за эрозии стенок постепенно расширялся. В апреле дайка — заполненная магмой трещина — трижды прорвала поверхность, и расплав стал выплескиваться одновременно из всех шести конусов. В конце апреля все изливания опять сконцентрировались в одном кратере. 1 мая 2021 года. Фаградальсфьядль впервые остановился. Из главного кратера перестала литься раскаленная лава, но объявить о завершении извержения исследователи не успели. Короткое затишье нарушил 200-метровый фонтан. С этого момента вулкан стал извергаться короткими циклами: три минуты отдыхал, потом пять минут выплескивал огромные стены лавы, потом снова три минуты набирался сил. Периодичность циклов лучше всего регистрировали сейсмографы. Приборы улавливали волны в диапазоне от одного до пяти герц, которые возникали из-за движения магмы по подводящему каналу. Известно, что причина такого примечательного поведения — газообразные компоненты магмы внутри вулкана. При больших давлениях летучие вещества растворены в магме, но при подъеме расплава к поверхности давление падает, а с ним и растворимость вулканических газов. В магме начинают расти пузыри до 10 метров в диаметре. У поверхности лавового пруда они лопаются и подкидывают расплав в воздух. https://www.youtube.com/watch?v=S_B0ji5dnwo Со временем паузы между выбросами росли, и к началу июля они увеличились до нескольких часов и даже дней. «Пульсационное поведение зависит от верхних ста метров магмаподводящего канала, — объяснял тогда Торвальдур Тоурдарсон, профессор Исландского университета. — В этой его части находится резервуар, который вырос в размерах с расширением канала. Теперь извержение можно описать циклом наполнение-осушение резервуара. Когда магма наполняет резервуар магмой, активность в кратере падает. Когда резервуар полон, активность возобновляется, опустошая резервуар, — и так по кругу». Место для извержения магма выбрала крайне удачно. Прорыв коры произошел в центральной части необитаемой долины, поэтому в эвакуации населения и отар овец не было необходимости. Ферм в Гелдингадалире нет, ближайший город лежит в восьми километрах к юго-западу. Международный аэропорт на Рейкьянесе решили не закрывать — трещина не выбрасывала пепел, поэтому, в отличие от извержения Эйяфьядлайёкюдля в 2010 году, вулканические частицы не угрожали турбинам самолетов. 22 мая 2021 года. Лава вытекла из «домашней» долины в соседнюю, и исландцы начали предпринимать меры. Чтобы уберечь проходящую рядом автодорогу — важную транспортную артерию полуострова — от захвата потоками, муниципальные власти решили выкопать для лавы канал, в него направить поток лавы, а над ним — перекинуть мост. Примерно в это же время стартовал первый и единственный проект по обузданию извержения. Департамент гражданской защиты отправил к лавовым потокам бульдозеры, и в верховьях долины Мерардалир выросли четырехметровые насыпи. Возведение искусственных барьеров было попыткой властей перенаправить и замедлить распространение потоков. Насыпи продержались не очень долго: уже на следующий день лава перевалила через препятствия и потекла к побережью. Тогда власти признали, что их эксперимент закончился быстрее ожидаемого. Глава третья. Зрелость Пока лава мирно захватывала территорию, выброшенные в атмосферу газы накрывали Рейкьянес. Больше всего пострадали районы к северо-западу от извержения: в городах Ньярдвик и Вогар в воздухе оказалось слишком много сернистого газа. Датчики регистрировали более 1000 микрограмм SO2 на кубический метр — что уже опасно для людей с респираторными заболеваниями. «Здоровый» предел составляет 350 микрограмм на кубический метр, поэтому Экологическое агентство Исландии просило не оставлять младенцев на дневной сон в колясках и ограничить времяпрепровождение на открытом воздухе. 1 июня 2021 года. Каждый третий житель острова к началу лета уже успел сходить к трещине хотя бы раз, даже невзирая на газовую завесу. Казалось, все внимание страны было сфокусировано на извержении. Сотрудники МЧС круглосуточно дежурили и перекладывали тропы под новые лавовые потоки. Вулканологи вычисляли дальность разлета брызг лавы и определяли безопасный радиус для наблюдения за извержением. Глава мониторинга стихийных бедствий даже помогла найти место среди свежих лавовых потоков для выступления местной музыкальной группы. https://youtu.be/6Vs6tExC-Go Исландский метеорологический офис регулярно выкладывал рекомендации для вулканических прогулок исходя из прогноза погоды и качества воздуха. Неизменным с марта оставалось одно ограничение: не брать с собой собак. Диоксид серы копится в понижениях рельефа, и питомцы могут надышаться этим токсичным газом, поскольку их головы ближе к земле. А вода из луж вблизи вулкана опасна для четвероногих из-за растворенного в ней фтора. 30 августа 2021 года. Через пять месяцев после начала первого извержения в центральной части долины мощность лавовых потоков превысила 80 метров, а объем вытекшей из вулкана лавы перешагнул отметку в 140 миллионов кубометров. Но паузы между эпизодами активности становились все длиннее, а сами извержения — все слабее. «Надо помнить, что кубометр базальта весит три тонны. Магме приходится пробиваться через такую тяжелую толщу. Это наверняка влияет на силу извержения», — объяснила N + 1 Хельга Торфадоуттир, вулканолог из Исландского университета. 2 сентября 2021 года. Извержение остановилось в очередной раз. Но через девять дней сейсмическая станция у горы Фаградальсфьядль вновь записала нарастающий тремор, и ночью по застывшим черным коркам лавы потекли новые раскаленные потоки. С начала XX века только три извержения на острове длились дольше извержения Фаградальсфьядля в 2021 году, а для Рейкьянеса это вообще первый прорыв за сотни лет. Последний период вулканической активности на полуострове был больше 800 лет назад и закончился в 1240 году. Тогда расплав в разное время вытекал из более десятка вулканических трещин в течение 400 лет. О тех пылающих временах напоминает лавовое поле Свинахрёйн. Оно известно как «христианская лава», потому что в паре десятков километров от зияющей трещины парламент альфинги решал, следует ли исландцам становится христианами. 18 октября 2021 года. Исландский метеорологический центр все-таки понизил код вулканической опасности с оранжевого (извержение с незначительным выбросом пепла) до желтого (повышенное волнение). 18 декабря 2021 года. Власти объявили о завершении извержения Фаградальсфьядль: три месяца свежая лава не показывалась на поверхности. Глава четвертая. Пророчество Исследования особенностей этого уникального для Исландии извержения с окончанием выбросов лавы, конечно, не прекратились. В сентябре 2022 года Саймундур Халльдорсон с коллегами опубликовал в Nature статью, где они собрали результаты геохимических анализов и объяснили, почему извержение было таким долгим и многостадийным. «Если вы посмотрите на предыдущее трещинное извержение на острове, Холухрёйн 2014–2015 года, то увидите, что оно очень однородно, — говорит Саймундур, доцент Исландского университета. — За время Холухрёйна образовался массив суши, сопоставимый с Манхэттеном. Можно отобрать породу в любом месте этого „Манхэттена“ и набор ее породообразующих элементов будет одинаковым». С Фаградальсфьядлем ситуация другая. Только за первые три недели состав лавы Фаградальсфьядля сильно изменился. Соотношения содержания оксидов K2O/TiO2 и редкоземельных металлов La/Yb выросли примерно в два раза, отражая изменения в мантийной компоненте. Кроме того, в лаве также повысились концентрации несовместимых микроэлементов, подтверждая, что вулкан с течением времени начинает поставлять расплав из обогащенного мантийного источника. «Мы впервые наблюдаем такой сдвиг в составе, когда источник базальта находится на очень большой глубине. Трещину питает геохимически неоднородный резервуар в верхней мантии. Похоже, вулкан вытягивает из мантии очень разные порции магмы», — объяснил эти результаты Саймон Мэттьюз. В лаве из начала извержения, было мало редкоземельных элементов. Такая обедненная лава поступала из относительно истощенного мантийного источника на глубине 15–16 километров. Однако уже в апреле расплавы становились все более обогащенными некогерентными элементами, что соответствовало более глубокому и обогащенному мантийному источнику. К началу мая «глубокая» магма уже доминировала. Такая динамика отличается от классических примеров из учебников. Обычно магматический резервуар заполняется медленно и перед извержением расплавы разных составов успевают хорошо перемешаться. Резких скачков химического состава лавы во время извержения вулканологи не ждут. Например, вулкан Килауэа на Гавайях может извергаться месяцы и годы, но геохимия его пород почти не изменяется. Во время извержения Фаградальсфьядля состав лавы за месяц изменился больше, чем при извержениях Килауэа за последние десятилетия. Новый исландский вулкан дал геологам возможность впервые в режиме реального времени увидеть, как при извержении в лаве перемешивается магма очень разного состава. Оказалось, что новая порция магмы из верхней мантии может всего за 20 дней попасть в резервуар и смешаться с той магмой, которая в нем уже находится. Из-за этого лавы первых трех недель оказались геохимически куда более разнообразными чем все, которые извергались во время последнего вулканически активного периода на Рейкьянесе в IX–XIII веках нашей эры. Вулканологи выяснили, как глубоко находился магматический резервуар нового вулкана, какие процессы в нем происходили до и во время извержения, рассчитали расход лавы и измерили высоту фонтана в кратере. Но на главный вопрос: как этот вулкан работает — они так и не ответили. Не каждый день происходят события, которые коренным образом меняют понимание привычных вещей. Благодаря извержению Фаградальсфьядля такое откровение пришло. О его смысле ученым придется думать. Эпилог 3 августа 2022 года. Извержение на Рейкьянесе возобновилось. Новая трещина открылась по соседству с той, что появилась за полтора года до этого. Замерла она, правда, гораздо быстрее, спустя 18 дней. Это прекращение активности знаменует новую фазу вулкано-тектонических волнений в Рейкьянесе. Предсказывать, возобновится ли сейсмическая активность в ближайшее время, Исландский метеорологический центр не готов. Но похоже, жителям Рейкьявика пора привыкать к зареву на горизонте.