Опасная вода под супервулканом Тоба

Ученые выяснили, как работает супервулкан Тоба. Международная команда под руководством новосибирского геофизика Ивана Кулакова с помощью сейсмической томографии реконструировала весь процесс «питания» вулкана и определила, что приводит к взрыву. Результаты исследования опубликованы в июльском номере престижного журнала Nature Communications.

Супервулканами геологи называют вулканы, способные за одно извержение выбросить более 1000 кубических км вещества в условном твердом эквиваленте.

Иван Кулаков

— Вулкан Тоба расположен в Индонезии, на острове Суматра. Последнее его суперизвержение, которое произошло приблизительно 74 тысячи лет назад, считается наиболее катастрофическим вулканическим событием на Земле за последние несколько миллионов лет. Согласно последним данным, в воздух было выброшено около 2 800 кубических км пород. Это была чудовищная катастрофа, вызвавшая резкое изменения климата, — рассказывает заведующий лабораториями Новосибирского госуниверситета и Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, профессор НГУ Иван Кулаков. — Считается, что именно из-за экстремальных условий после этого извержения первобытный человек вынужден был напрячь все свои способности, чтобы выжить, что, возможно, и сделало его человеком разумным.

Для сравнения, крупнейшим документально зарегистрированным извержением был взрыв индонезийского вулкана Тамбора в 1815 году, объем которого составлял около 150 куб. км. Гибель более чем 70 тыс. человек, «год без лета» — небывалое понижение температуры в Европе и Северной Америке, неурожай зерна, голод — таковы были его последствия. Что касается исландского вулкана Эйяфьядлайёкюдль, который в 2010 году заблокировал движение самолетов в Европе, то объем его извержения составил менее 0,01 кубических км. Эти цифры несопоставимы с суперизвержением.

— Наша цивилизация настолько уязвима, что даже относительно небольшое извержение может привести к серьезным последствиям и материальным потерям. Что говорить, если произойдет суперизвержение? Нам придется решать проблемы, связанные с изменением климата, освещенности, загрязнением атмосферы и т.д. Иначе говоря, человечеству придется заниматься выживанием, — говорит Иван Юрьевич.

На Земле известно несколько супервулканов, расположенных в разных точках планеты: Тоба, Йеллоустон, Таупо. Тоба среди них занимает особое положение. Считается, что за последний миллион лет суперизвержения этого вулкана происходили трижды (74, 500 и 840 тыс. лет назад).

— Почему суперизвержения периодически повторяются в этом месте, чем эта точка особенна? Возможно ли повторение сценария в виде нового суперизвержения? Если да, то когда это может произойти? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно посмотреть на проблему шире: изучить с помощью различных методов геологии и геофизики не только сам вулкан, но и его окружение, — поясняет ученый.

Разломная зона, проходящая под супервулканом Тоба. Nature Communications

Супервулкан Тоба расположен над зоной субдукции — зоной погружения океанической литосферной плиты под континентальную. В самом факте активного вулканизма в зоне субдукции нет ничего особенного. В мире известны сотни вулканов, в том числе крупных, которые приурочены к подобным зонам. Однако случай с Тобой имеет одно существенное отличие – в погружающейся плите Индийского океана вдоль подводного хребта Исследователей имеется крупная разломная зона, которая погружается в мантию непосредственно под вулкан. Эта зона разделяет участки литосферы различного возраста. При погружении в мантию одна часть погружается более круто, чем другая, в результате чего в плите образуется разрыв.

— Хребет Исследователей напрямую связан с повторяющимся супервулканизмом Тобы. След от погружения этого разлома хорошо виден в гравитационном поле на разработанной нами модели гравитационного потенциала. Что представляет собой этот разлом? Это «ослабленная» зона литосферы с трещинами, в которую затягивается большое количество воды из океана. В результате этот разлом при погружении привносит в мантию во много раз больше воды, чем недеформированная литосферная плита.

Вертикальное сечение сейсмической модели и ее интерпретация. Зеленые точки— землетрясения. Синие и красные стрелки показывают возможные пути миграции воды и расплавов из различных участков погружающейся плиты (1 и 2). 3 и 4 — магматические резервуары.

Как это ни парадоксально звучит, но вода является наиболее взрывоопасным веществом на Земле. Все катастрофические извержения опасны не столько излияниями расплавленной лавы, сколько взрывами, мощь которых определяется именно наличием воды в недрах под вулканом, — отмечает геофизик.

Попадая в разлом, вода преобразуется: входит в химические реакции, насыщает породы — перестает быть водой в привычном понимании этого слова. При погружении в мантию вместе с плитой под воздействием давления и высокой температуры часть этой химически связанной воды выделяется из разлома на глубинах до 150 км. Разрыв плиты на глубине дополнительно активизирует процесс выброса воды. Относительно легкая вода просачивается вверх, преобразуя породы мантии и понижая их температуру плавления. В результате вверх устремляется поток расплавленных пород, насыщенных водой. Эти расплавы скапливаются под континентальной корой. Они не могу продолжить дальнейший подъем, поскольку являются более тяжелыми, чем породы коры.

— В итоге под Тобой на глубине 30—50 км образуется горячий магматический резервуар, объем которого оценивается в 50 тыс. кубических км. Построенные нами сейсмические модели показывают, что этот подземный резервуар точно совпадает с «вспучиванием» земной поверхности на высоту более километра в районе Тобы, — говорит Иван Кулаков.

Этот огромный резервуар служит одновременно «печкой» и источником большого количества флюидов (легких химических веществ в жидком состоянии, например вода, углекислота). Эти флюиды достаточно легко проникают через кору и являются весьма эффективными переносчиками тепла. Они вызывают плавление пород в верхней коре, и, таким образом, на глубине 7—15 км образуется второй магматический резервуар. Статья, рассказывающая о строении и происхождении этого резервуара в верхней коре, была опубликована этими учеными в журнале Science в 2014 году.

Вулкан Тоба. Суперизвержение. Рисунок Ивана Кулакова

— Со временем флюидов и расплавов в верхнем резервуаре становится все больше, а температура продолжает увеличивается. В какой-то момент часть жидких флюидов превращается в газ, катастрофически увеличиваясь в объеме. В результате, в коре образуются новые трещины, по которым устремляются вверх расплавы, насыщенные флюидами, которые, в свою очередь, превращаются в газ. Возникает лавинообразная реакция, которая заканчивается взрывом.

Эта бомба замедленного действия заряжается десятки тысяч или, возможно, сотни тысяч лет. Покуда хребет Исследователей продолжает свое погружение, привнося аномальное количество воды в мантию, этот механизм – паровая машина вулкана Тобы – будет действовать, — говорит Иван Юрьевич.

По наличию сейсмичности и по форме сейсмических аномалий в коре и мантии под Тобой мы можем сказать, что эта машина по-прежнему активна. Флюиды продолжают подниматься наверх, а в резервуаре в коре накапливается взрывоопасное вещество. Когда-нибудь этот процесс, скорее всего, вызовет очередное суперизвержение. Однако, мы не можем предсказать, произойдет ли это через сто, тысячу или 100 тысяч лет. Естественно, что супервулкан Тоба, как объект, представляющий глобальную опасность для человечества, должен находиться под пристальным наблюдением ученых.

По словам геофизика, суперизвержение не может произойти мгновенно, оно должно послать нам предупреждения, предвестники (землетрясения, деформации поверхности, изменения сейсмической структуры, выбросы газов и пр.), которые можно заметить за десятки лет до катастрофы. Этого времени будет достаточно, чтобы адаптировать существующие технологии, например, усовершенствовать конструкции самолетов или вывести устойчивые сельскохозяйственные культуры.

— Остановить суперизвержение нельзя. Но мы на то и люди, чтобы выживать благодаря своим умственным способностям, предвидеть опасности и заранее минимизировать ущерб. Если наши предки 70 тысяч лет назад смогли с честью пройти через ужасные испытания, то и современный человек в случае глобальной катастрофы сумеет проявить свои таланты и пройти через трудный период с минимальными потерями, — подводит итог Иван Кулаков.

Рисунки и фотографии предоставлены Иваном Кулаковым

Дина Голубева

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: