Взрывные и тихие: зачем ученые исследуют вулканы и как они связаны с прошлым и будущим Земли

Парад вулканических извержений, прошедший этим летом на Камчатке, впечатлил не только широкую публику, но и ученых. Эти удивительные геологические объекты способны разрушать целые города, вызывая пирокластические потоки, цунами и напоминая о могущественной силе, скрытой в недрах нашей планеты. Сколько на Земле вулканов? Чем спящие вулканы отличаются от потухших? И в каких из них скрываются алмазы? Читайте в нашем новом материале.

Источник жизни

По оценкам ученых, на Земле насчитывается более 1500 потенциально активных вулканов, из них около 50 ежегодно извергаются. Эти гиганты небезосновательно считаются опасными природными объектами. Но и пользу от них сложно переоценить. Возможно, именно благодаря вулканам на нашей планете существует жизнь. Они выступают как транспортная система, поднимая воду из глубин на поверхность, образовывая моря и океаны.

«Также вулканы создают сушу. Самый яркий пример — вулканические острова. На самом деле почти вся поверхность Земли сформирована вулканами. Они согревают ее как сами по себе, так и с помощью парниковых газов, без которых средняя температура поверхности была бы около -18°C. Есть подводные вулканы — так называемые курильщики. Это оазисы на морском дне, создающие вокруг себя целую экосистему», — рассказывает старший научный сотрудник Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН), кандидат физико-математических наук Руслан Жостков.

Электрические разряды, часто сопровождающие извержения, могут образовывать простые органические соединения — еще один шаг к возникновению жизни. Вулканы выбрасывают вещества, удобряющие почву, снабжая жителей близлежащих территорий богатым урожаем. Застывшую лаву и шлак используют при строительстве, поскольку блоки из этого пористого материала хорошо сохраняют тепло. Другое полезное свойство — образование месторождений полезных ископаемых: серы, платины, алмазов и других.

«Самый крупный камчатский город, Петропавловск-Камчатский, стоит на 200 метрах отложений Авачинского вулкана. Каждая четвертая или даже третья лампочка в этом городе снабжается электричеством, полученном на геотермальных электростанциях, преобразующих тепло вулкана», — добавляет эксперт.

Путь наверх

Как возникают вулканы? Если объяснять простыми словами, они появляются в тех местах, где расплавленная магма из недр Земли находит путь на поверхность. Все дело в движении литосферных плит. Есть несколько сценариев, описывающих этот процесс. Первый — это дивергентные границы (границы расхождения плит): две плиты отодвигаются друг от друга. В появившуюся между ними трещину поднимается магма, которая, застывая, формирует новую океаническую кору.

«Другой вариант — конвергентные границы. Здесь тектонические плиты сталкиваются. Чаще более тяжелая океаническая плита уходит под более легкую, континентальную (этот процесс называется субдукция). В этом случае насыщенная за миллионы лет водой океаническая плита плавится в глубинах, и магма, поднимаясь на поверхность, образует цепочки вулканов, как было на Камчатке», — говорит Руслан Жостков.

Третий вариант образования вулканов — так называемые горячие точки. Это особые места на планете, где тепло поднимается к поверхности от самого земного ядра. Такие потоки — магматические плюмы — очень устойчивы и существуют сотни миллионов лет. Это может приводить к непрерывным извержениям, как, например, на Гавайях или в Исландии, либо к редким, но очень мощным событиям, как в случае с вулканом Йеллоустоун. Об образовании этих потоков известно меньше, чем про другие особенности вулканизма, отмечает ученый.

Мечта альпиниста

Вулканы делят по разным признакам: форме, активности и типу извержения. Эти классификации часто пересекаются, поскольку форма такого объекта напрямую зависит от типа сформировавших его извержений. Классификация по форме — наиболее наглядная: она говорит о том, как вулкан выглядит и из каких материалов построен.

«Самые крупные вулканы — щитовые. Они состоят из застывших потоков очень жидкой лавы, растекающейся на большие расстояния. Например, огромный вулкан Мауна-Кеа на острове Гавайи: его большая часть скрыта под водой. Или крупнейший из известных человечеству марсианский вулкан Олимп высотой в 25 километров. Покорение такого великана — мечта любого альпиниста. Когда-нибудь она обязательно осуществится. Но триумф величайшего восхождения будет омрачен грустным пейзажем: Олимп, как и любой щитовой вулкан, довольно плоский, и вид с его вершины однообразен», — делится специалист.

Другое дело — стратовулканы. Эти ровные конуса, подобные тем, что изображают на детских рисунках, величественно возвышаются над окрестностями. Их форма связана с крайне тягучей лавой, которая застывает прежде, чем успевает преодолеть значительное расстояние.

Кроме того, вулканы классифицируют по активности: действующие проявляют себя в виде извержений, выхода газов из трещин (фумарольная активность), горячих источников, сейсмической активности. Спящие вулканы внешне спокойны, но еще сохранили в недрах много тепла и могут проснуться. Один из таких — Эльбрус, самый крупный вулкан Европы. У потухших вулканов очаг полностью остыл.

Тихие и взрывные

Вулканы также различают по типу извержений: от спокойных истечений жидких лав (гавайский тип) до катастрофических, с колоссальными выбросами пепла и пирокластических потоков (плинианский тип). Каким будет извержение — тихим и едва заметным или взрывным, с огромным столбом дыма — зависит от свойств магмы, которая питает вулкан.

«Главные факторы, определяющие характер извержения — это вязкость магмы и содержание газов. Если в магме мало кремнезема (диоксида кремния), то у нее небольшая вязкость. Она легко проходит сквозь трещины и вытекает на поверхность. Так происходит спокойное, эффузивное извержение. Но если кремнезема много, магма будет тягучей. Чтобы протолкнуть ее к поверхности, нужно накопить большое давление. Породы не выдерживают, что и приводит к взрывному, эксплозивному извержению», — объясняет кандидат физико-математических наук Руслан Жостков.

Еще один важный фактор: растворения газов. Чем больше их в магме, тем сильнее будет взрыв при извержении. Можно провести аналогию с газированной водой: если она слабогазированная, при открытии бутылки пена почти не образуется, и наоборот.

Сокровища Земли

На действующих вулканах главную роль в формировании породообразующих минералов играет магматическая система. При этом у каждого активного вулкана она своя, уникальная. Однако месторождения полезных ископаемых на таких объектах искать не стоит. Они формируются в гидротермальных системах, которые образуются, как правило, в кальдерах (например, Узон, Йеллоустон), на склонах и у подножий остывающих или потухших вулканов (Мутновский, Кошелевский). В отличие от магматических систем, где главной силой является тепло, здесь ключевую роль играет вода (а уже затем тепло): она растворяет и перераспределяет химические элементы, постепенно, в течение миллионов лет, формируя месторождения полезных ископаемых.

«Наша планета на протяжении всей своей жизни формировалась благодаря вулканическим породам. Поэтому самые древние и самые молодые породы — это вулканические. С одной стороны, некоторые вулканы изливают потоки риолитов, одной из разновидностей которых являются обсидианы», — рассказывает руководитель KVERT, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (ИВиС ДВО РАН) Ольга Гирина.

С другой стороны, отмечает ученый, в процессе жизни планеты вулканические породы постоянно изменяются под воздействием ветра, воды (с разной минерализацией) и других факторов. Например, в древних вулканогенных образованиях встречаются агаты, халцедоны, сердолики, самородная медь. Можно вспомнить «Малахитовую шкатулку» Павла Бажова — сказы об Уральских горах, которые были сформированы вулканами, говорит эксперт.

Один из наиболее интересных процессов — образование алмазов. Такой драгоценный камень рождается при экстремальных условиях: высокой температуре и крайне высоком давлении на глубинах в несколько сотен километров, поясняет старший научный сотрудник ИФЗ РАН Руслан Жостков. В некоторых случаях очень вязкая кимберлитовая магма при подъеме с глубин увлекает за собой алмазы и поднимает их к поверхности в результате взрывного извержения. Поэтому такие минералы ищут в кимберлитовых трубках — остатках мощных эксплозивных извержений.

Как изучают вулканы

Хотя основной механизм действия вулканов хорошо изучен, в этой области остается немало вопросов, рождающих ряд научных направлений. Супервулканы, древний трапповый вулканизм, грязевой вулканизм (когда вместо лавы извергается маслянистая грязь) — каждый специалист или научная группа выбирают свой объект для исследований.

«Лично для меня наибольший интерес представляет возможный вулканизм в восточной части Арктической зоны Российской Федерации, в частности, в районе архипелага Де Лонга. Это крайне малоизученный регион, где не проводились масштабные вулканологические исследования. Дополнительный интерес к этому вызывает легенда о существовавшей когда-то таинственной Земле Санникова», — рассказывает Руслан Жостков.

Чтобы изучать вулканы, используют технологии, позволяющие оперативно получать и обрабатывать большие объемы информации: широкополосные высокочувствительные сейсмостанции, газоанализаторы, тепловизионные видеокамеры и другие инструменты. Важную роль играют современные цифровые системы, собирающие и передающие данные через спутник.

«Серьезное развитие получили системы дистанционного зондирования Земли. С их помощью можно анализировать пепловые шлейфы, тепловые аномалии и даже изменение уровня поверхности различных участков вулканической постройки. То есть фактически отслеживать, как „набухает“ вулкан», — говорит кандидат физико-математических наук.

Исследование вулканов помогает ученым разрабатывать модели вулканической опасности. Например, делать краткосрочный прогноз извержений. В отличие от землетрясений, местоположение вулканов заранее известно, они более компактные, поэтому их активность легче отследить. Зная, как ведет себя вулкан при подготовке, а также изменение состава и интенсивности газов, флюидов и других параметров, можно прогнозировать возможные катастрофические события. 

Задачи и перспективы

Исследованиями вулканогенных процессов занимаются в Институте вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (ИВиС ДВО РАН), Институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН), подразделениях Геофизического центра РАН и других научных организациях. Ежедневный мониторинг вулканов Камчатки и Курильских островов проводит Камчатская группа реагирования на вулканические извержения (KVERT — Kamchatkan Volcanic Eruption Response Team).

В частности, сотрудники ИВиС ДВО РАН детально описали деятельность вулканов Северной группы Камчатки — Шивелуча, Ключевского и Безымянного — с середины прошлого века до 2025 года. Эти данные помогают разобраться в вопросах характера и периодичности работы каждого из описанных вулканов. Также ученые создали классификацию генетических типов пирокластических пород андезитовых вулканов, позволяющую понять механизм образования таких отложений в процессе эксплозивных извержений вулканов и оценить их опасность.

«Кроме того, наша команда сделала хорошую работу, проанализировав термальную деятельность самых активных вулканов Камчатки: Шивелуча, Ключевского, Безымянного и Карымского. Впервые в мире был определен фон термальной активности каждого из вулканов и показано, какая температура присуща разным фазам их извержений: экструзивной, эксплозивной, эффузивной. На основе этой работы мы можем оперативно оценивать характер извержения вулканов и их опасность для авиации и населения», — комментирует автор работ, руководитель KVERT, кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник ИВиС ДВО РАН Ольга Гирина.

Спектр задач в области вулканологии довольно широкий: от фундаментальных исследований, изучающих глубинные процессы, до прикладных разработок. Например, создание цифровых моделей вулканов, развитие методов мониторинга этих объектов и точное прогнозирование начала эксплозивных извержений вулканов — самых опасных для населения и авиации.

Особую роль в развитии вулканологии играют междисциплинарные проекты и обновление инфраструктуры. В настоящее время на базе Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН создан Центр коллективного пользования «Камчатский центр элементного, минерального, изотопного анализа». Здесь ученые могут проводить изотопный и другие виды анализов пород на месте (ранее специалисты были вынуждены отправлять образцы пород на материк). Предполагается, что создание Центра позволит не только ускорить исследования, но и привлечет в отрасль молодых специалистов.

Анна Шиховец