Исследование глубинных процессов под Толбачиком позволит точнее предсказывать извержения вулканов

Уникальные наблюдения глубинных низкочастотных землетрясений, полученные российскими учеными на Камчатке, позволяют проследить магматические процессы в нижних слоях земной коры. Компьютерная обработка сейсмических записей, предшествовавших крупному извержению вулкана Толбачик, проясняет закономерности вулканической активности и позволит достовернее предсказывать извержения.

Основная практическая цель вулканологии — разработка методов мониторинга вулканической активности, чтобы своевременно и достоверно предсказывать извержения. На Земле больше 1500 вулканов, которые хотя бы однажды извергались за последние 10 тыс. лет, из них около 600 — в историческую эпоху. Каждый год наблюдается от 50 до 70 извержений.

Большая часть действующих вулканов расположена в так называемых зонах субдукции Тихоокеанского огненного кольца, где происходит погружение в мантию океанической литосферы. На глубинах между 100 и 200 км при взаимодействии погружающейся океанской литосферы и мантии образуются магматические расплавы, которые затем поднимаются к поверхности Земли и приводят к вулканизму.

Подавляющее количество вулканических землятресений — очень слабые и не ощущаются на поверхности. Но они хорошо регистрируются чувствительными сейсмографами

Медленные и быстрые вулканические процессы

Основной силой, движущей магму к поверхности, является разница в плотности между относительно "холодными" и тяжелыми породами мантии и земной коры и разогретыми, флюид-содержащими и относительно легкими магматическими расплавами. Причем на большей части пути к поверхности магматические расплавы поднимаются не напрямую, а просачиваются через пористую среду. Поэтому скорость их подъема зависит от пористых свойств мантии и коры и от вязкости самой магмы. Химический состав и физические свойства (плотность, вязкость) магматических расплавов по мере поднятия могут существенно изменяться за счет взаимодействия с окружающими породами и за счет меняющихся давления и температуры. Плотность и пористость окружающих пород тоже меняются с глубиной.

В итоге процесс поднятия магмы к поверхности неоднородный. В целом это происходит очень медленно. Отдельные вулканические системы могут развиваться в течение тысяч и даже миллионов лет. За это время магма постепенно накапливается в промежуточных очагах, самые близкие из которых находятся на глубине в несколько километров. Но этот процесс весьма нелинейный, и определенные его этапы могут протекать очень быстро, приводя к резким локальным ускорениям движения магмы и резким скачкам давления. Такие ускорения могут быть вызваны резкими изменениями физико-химических свойств (фазовыми переходами), которые, кроме прочего, нередко приводят к выделению газовой фракции в магме. Активизация таких процессов может начинаться за время от нескольких дней до нескольких лет перед извержением.

Методы изучения вулканов

Основная сложность в изучении вулканов в том, что приводящие к извержениям геологические процессы происходят на больших глубинах. Значительное количество информации о происхождении и истории вулканов ученые получают геологическими методами — за счет изучения изверженных вулканических пород, а также потухших вулканических систем, глубинные части которых выходят на поверхность после выветривания породы.

Но при изучении современного состояния вулканов и выявлении подготовки извержений основным источником информации о глубинных процессах становятся геофизические наблюдения. Ведущий геофизический метод — сейсмологический мониторинг. Его основная идея в том, что многие глубинные процессы, происходящие в вулканических системах, могут генерировать сейсмические волны. Для их наблюдения вблизи вулканов устанавливаются сейсмографы — приборы, которые регистрируют колебания поверхности Земли.

Большая часть действующих вулканов расположена в так называемых зонах субдукции Тихоокеанского огенного кольца, где происходит погружение в мантию океанической литосферы

Вулканические землетрясения

Сейсмические проявления глубинной вулканической активности, или так называемые вулканические землетрясения, многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить два основных типа.

Первый тип называется вулкано-тектоническими землетрясениями, потому что по своим свойствам и происхождению они аналогичны обычным тектоническим землетрясениям. Активизация вулканов связана в первую очередь с ростом давления в магматических очагах и ускорением подъема магмы к поверхности. Эти процессы увеличивают механические напряжения в земной коре под вулканами с последующей активизацией многочисленных микроразломов, которые и генерируют вулкано-тектонические землетрясения.

Второй тип вулканических землетрясений генерируется непосредственно в магма-подводящих каналах. При ускоренном движении магмы или вулканических газов по этим каналам часто возникают резкие скачки давления, сопровождаемые сейсмическими волнами. Основной характеристикой таких источников является то, что они излучают волны на относительно низких частотах — в диапазоне от 1 до 5 герц. Типичные же частоты волн, характерных для вулкано-тектонических землетрясений, составляют 10 герц и больше.

Подавляющее количество вулканических землетрясений — очень слабые и не ощущаются на поверхности. Но они хорошо регистрируются чувствительными сейсмографами. Появление регистрируемых вулканических землетрясений и прогрессивное увеличение их количества является наиболее достоверным признаком активизации вулканических систем. Подсчет регистрируемых землетрясений — наиболее простой метод сейсмического мониторинга вулканов. А если на вулканах размещены наблюдательные системы из многих приборов, у вулканологов появляется возможность определять местоположение и магнитуду (это энергетическая характеристика) вулканических землетрясений, что, в свою очередь, позволяет более детально характеризовать глубинные вулканические процессы.

В некоторых случаях удается проследить миграцию сейсмической активности с глубины к поверхности. Такие наблюдения особенно ценны, если получены на основе низкочастотных землетрясений, поскольку они связаны с распространением магмы в питающих каналах под вулканами. А это движение магмы играет определяющую роль в подготовке извержения. Используя детальные наблюдения именно низкочастотных землетрясений, можно лучше понять процессы, контролирующие подпитку вулканов магмой с глубины.

Вулканы-лаборатории

Но высококачественные наблюдения описанных процессов удается получить достаточно редко. На большинстве активных вулканов нет современных систем геофизических наблюдений, и наоборот, многие из хорошо наблюдаемых вулканов большую часть времени находятся в покое. Поэтому для разработки геофизических методов исследования и мониторинга очень важны немногочисленные вулканы — естественные лаборатории, которые и извергаются часто, и изучаются подробно. Хорошо известными примерами таких вулканов являются Килауэа на Гавайских островах, Питон-де-ла-Фурнез на французском острове Реюньон, Этна и Стромболи в Италии. Эти вулканы извергаются почти постоянно (Килауэа) или очень часто, и их извержения детально наблюдается вулканологическими обсерваториями, которые поддерживают современные системы геофизических наблюдений.

Большая часть научных работ, направленных на понимание вулканических землетрясений и связанных с ними глубинных процессов, основана на наблюдениях, полученных именно в таких вулканах-лабораториях.

Уникальные данные от российских вулканов

Россия — страна с большим количеством действующих вулканов. Почти все они находятся на Дальнем Востоке в Курило-Камчатской зоне субдукции. Особое место среди российских и мировых вулканических систем занимает Ключевская северная группа, где недалеко друг от друга находятся четыре очень активных вулкана: Ключевскои? активен на протяжении нескольких тысяч лет; Шивелуч — с августа 1980 года (со времени начала роста лавового купола в кратере, образовавшемся при катастрофическом извержении 12 ноября 1964 года); Безымянныи? — с 22 октября 1955 года (с момента пробуждения после тысячелетнего молчания); на вулкане Толбачик большие трещинные извержения произошли в 1975-76 и в 2012-13 годах. В указанном районе находятся также 12 слабо активных или потухших вулканов и около 400 более мелких вулканических образований.

Систематические наблюдения в этом районе начались с созданием в 1935 году Камчатской вулканологической станции в поселке Ключи. Первый постоянно действующий сейсмограф на этой станции был установлен в 1946 году. Сейчас на Ключевской группе вулканов проводят наблюдения научные подразделения Института вулканологии и сеи?смологии (ИВиС) ДВО РАН и Камчатского филиала Федерального исследовательского центра "Единая геофизическая служба РАН" (КФ ФИЦ ЕГС РАН). Они поддерживают сеть из 18 постоянных сейсмографов.

С середины 1990-х годов был осуществлен перевод сеи?смическои? информации в цифровои? формат и на этой основе создан архив непрерывных сейсмических записей за более чем 20 лет, в течение которых произошли многие десятки извержений. Этот набор наблюдений о сейсмической активности вулканов не имеет аналогов в мире. Одной из его уникальных характеристик является одновременное наблюдение очень разных вулканов, что позволяет установить взаимосвязь между их активностью. Другая отличительная особенность — большое количество низкочастотных вулканических землетрясений на большой глубине, соответствующей границе кора-мантия.

Недавно нашей совместной научной группой ИВиС и КФ ФИЦ ЕГС РАН, созданной при поддержке Российского научного фонда, был проведен детальный анализ полученных данных. Для этого мы провели интенсивную компьютерную обработку сейсмических записей за два года, предшествующих последнему крупному извержению вулкана Толбачик.

В результате обнаружено, что активность глубоких низкочастотных событий увеличивалась в течение двух лет перед извержением. Это соответствовало постепенной активизации и увеличению давления в глубоком магматическом очаге, который находится приблизительно на глубине 30 км, то есть на границе земной коры и мантии. Максимум сейсмической активности на глубине был достигнут за пять месяцев до извержения. Максимальное количество низкочастотных землетрясений в приповерхностных магматических очагах было зарегистрировано на несколько месяцев позже. Мы интерпретировали эту задержку как время, необходимое для того, чтобы магматическое давление распространилось с глубины 30 км до поверхности. Достаточно медленное распространение давления можно объяснить тем, что в нижней части питающей системы магма не мигрирует через открытый канал (как часто рисуют в учебниках и энциклопедиях), а просачивается через пористую среду.

Сейсмические наблюдения, полученные на Ключевской группе вулканов, содержат огромное количество информации, которую еще только предстоит проанализировать и осмыслить. Для ее полноценного использования необходимо разрабатывать принципиально новые методы анализа геофизических данных с применением современных компьютерных технологий, включая машинное обучение. Внедрение таких автоматизированных методов становится все более насущным для обработки больших потоков данных при геофизическом мониторинге вулканов и землетрясений. Прогресс современных методов позволит предупреждать активизацию вулканической деятельности. А предупреждение извержений — одна из важнейших задач современной вулканологии.

Николай Шапиро, доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Института физики земли (Париж) и Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, профессор РАН; Евгений Гордеев, доктор физико-математических наук, директор Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, академик РАН; Данила Чебров, кандидат физико-математических наук, директор Камчатского филиала Федерального исследовательского центра "Единая геофизическая служба РАН"