Магматический резервуар располагался на глубине полтора километра
Вулканологи объединили результаты геохимических и петрологических исследований с данными инструментального мониторинга гавайского вулкана Мауна-Лоа и показали, что перед извержением 2022 года магма в течение двух месяцев непрерывно поступала в резервуар под вулканической кальдерой. Ученые оценили глубину его расположения в 1,5 километра и промоделировали механизм функционирования магматической системы Мауна-Лоа. Как полагают авторы исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, разработанная методика синтеза данных поможет более надежно и заблаговременно прогнозировать извержения.
Крупнейший действующий вулкан на Земле Мауна-Лоа занимает почти половину площади острова Гавайи, а общий объем его лавовой щитовой постройки оценивается в 75 тысяч кубических километров. С 1843 года, когда события на Мауна-Лоа начали документироваться, здесь произошло 34 извержения. Последнее из них началось 27 ноября 2022 года и предварялось непрерывным сейсмическим дрожанием, продолжавшимся около 30 минут. Затем в течение 13 дней из трещин, распространившихся от кальдеры Мокуавеовео на юго-запад и северо-восток, изливалась жидкая лава высокой текучести, а также выбрасывались тефра и вулканические газы.
Подвижная лава Мауна-Лоа представляет серьезную опасность для местных населенных пунктов и путей сообщения, но разработку методов прогнозирования его активности затрудняет нехватка данных. Перед событием 2022 года Мауна-Лоа молчал необычно долго (38 лет), а во время предыдущего извержения 1984 года современной сети мониторинга на нем еще не существовало. В 2002–2022 годах вулкан демонстрировал (1, 2) периодическое нарастание сейсмичности и деформацию поверхности, однако в то время было трудно оценить, приведет ли какой-либо конкретный всплеск активности к извержению в ближайшем будущем. Кроме того, подробный анализ состава и структуры продуктов вулканизма для извержений, происшедших за последние два столетия, не проводился.
Кендра Линн (Kendra J. Lynn) из Гавайской вулканической обсерватории и ее коллеги-вулканологи провели детальные геохимические и петрологические исследования вкрапленников оливина (64 образца) и энстатита (два образца) из тефры последнего извержения Мауна-Лоа. Ученых интересовал характер химической зональности кристаллов, позволяющий оценить длительность диффузионного восстановления равновесия по соотношению магния и железа между кристаллом и окружающим магматическим расплавом. Такое восстановление происходит, когда магма, обедненная магнием из-за кристаллизации этих минералов, мигрирует в зоны более низкого давления. Здесь происходит резорбция (растворение) высокомагнезиальных кристаллов, но благодаря диффузии соотношение Mg/Fe в их поверхностных областях выравнивается с расплавом, и растворение прекращается.
Полученные результаты исследователи сопоставили с данными сейсмического, геодезического и газового мониторинга. Оказалось, что процесс восстановления продолжался до 70 дней, следовательно, он начался в середине—конце сентября 2022 года. Между тем с 20 сентября сейсмические станции начали регистрировать резкое увеличение числа событий, причем особенно возросло количество землетрясений с гипоцентрами на малых глубинах ― от одного до пяти километров, ― и уменьшились скорости сейсмических волн в районе вершины Мауна-Лоа. Кроме того, в течение десяти недель до извержения геодезические измерения показывали непрерывное удлинение базисных линий GPS, пересекающих кальдеру Мокуавеовео, а на одной из станций наклон земной поверхности возрастал с ускорением. Это означает, что магма проникла в подповерхностный резервуар и продолжала поступать в него на протяжении примерно двух месяцев.
По данным о сейсмических всплесках с 2002 года, а также по барометрии флюидных включений в кристаллах, Линн с коллегами уточнила глубину магматических резервуаров под Мауна-Лоа и построила модель миграции магмы. По-видимому, она начала подниматься в вулканическую постройку с глубины около 45 километров до уровня 13–14 километров, а оттуда поступала в промежуточный резервуар на глубине примерно четыре километра (расчетное давление 99 мегапаскалей, температура 1300 градусов). Здесь образовались кристаллы оливина с высоким содержанием магния. Далее вместе с магмой они мигрировали еще выше, на глубину около 1,5 километра (давление 23 мегапаскаля, температура 1175 градусов), и там из-за диффузионного восстановления равновесия успели приобрести химическую зональность, прежде чем были выброшены вулканом. Дополнительным подтверждением того, что перед извержением произошла двухмесячная задержка магмы в верхнем резервуаре, послужили измерения состава газового шлейфа, выброшенного после 27 ноября. Он отличается низким отношением содержания углекислоты к диоксиду серы (0,28 ± 0,05), характерным для поэтапной дегазации с большой потерей CO2 в начале процесса.
По мнению авторов исследования, синтез данных мониторинга и результатов геохимических и петрологических исследований в дальнейшем поможет составлять более долгосрочные прогнозы извержений, чем в рамках считанных часов интенсивной предэруптивной активности, типичной для Мауна-Лоа. Например, будущим извержениям, скорее всего, будут предшествовать синхронные сигналы станций GPS и наклономеров в сочетании с характерными изменениями сейсмичности. Все эти явления должны отражать накопление магмы в подповерхностном резервуаре. Что касается хронометрии процесса, которая восстанавливается ретроспективно по изверженным продуктам, применение этого метода будет полезным при моделировании магматических систем вулканов и закономерностей их функционирования.
Ранее N + 1 сообщал, что в 2021 году на Мауна-Лоа была зафиксирована рекордная концентрация углекислоты в атмосфере. Также мы рассказывали о том, как ученые обвинили углекислый газ во взрывных извержениях вулкана Фогу и уточнили дату крупнейшего извержения эпохи голоцена.