Увидимся в следующем большом взрыве
Гора Сент-Хеленс таит в себе сюрпризы для ученых. Изучая его магматическую систему, они обнаружили информацию, которая могла бы лучше предсказать будущие извержения других вулканов.
Ранним утром 18 мая 1980 года американский фотограф Арлин Эдвардс и ее 19-летняя дочь Джолин пересекли реку Колумбия к скале на юго-западе штата Вашингтон. Там они установили камеру Арлин и наблюдали за горой Сент-Хеленс в 10 милях к юго-востоку, которая последние два месяца извергает пепел и дым. Они были не единственными: десятки других зрителей этого природного зрелища стояли на гребнях вокруг вулкана, и все они думали, что находятся на безопасном расстоянии.
Внезапно весь северный склон горы Сент-Хеленс начал скатываться вниз по долине. Грозное серое облако каменной пыли и горячего газа вырвалось из дыры на том месте, где несколько секунд назад был склон горы. Взрывной шлейф пепла заполнил небо на востоке, устремившись к Арлин и ее дочери. Когда она достигла их точки обзора, взрыв отбросил Арлин на 300 метров. Позже ее тело было найдено ниже хребта, запутавшееся в ветвях болиголова. Джолин задохнулась от насыщенного пеплом воздуха и была обнаружена возле пикапа своей матери. Извержение вулкана вокруг горы, гораздо более сильное, чем предсказывали геологи, унесло жизни еще 55 человек.
Более трех с половиной десятилетий спустя аспирант Вашингтонского университета по сейсмологии Карл Ульберг стоит на коленях всего в нескольких сотнях ярдов от того места, где когда-то стояли Арлин и Джолин Эдвардс. Место теперь менее серое, снова вырос лес. Гора Сент-Хеленс все еще виднеется вдалеке. Его кратер заполняет частично остывшая лава последних извержений, произошедших между 2004 и 2008 годами. Перед Ульбергом наполовину зарыт в землю большой холодильник, из которого он вытаскивает карту памяти. Он содержит измерения подземных толчков на глубине, зарегистрированные за последние шесть месяцев. Ученые-геологи хотят использовать данные, чтобы выяснить, что происходит под вулканом.
В течение трех лет 70 сейсмологических станций вокруг горы Сент-Хеленс регистрировали вибрации взрывов, искусственно инициированных исследователями с помощью подземных взрывчатых веществ. Кроме того, датчики улавливают толчки землетрясений и даже шум океанских волн на расстоянии более 100 километров. Измерительные станции являются частью проекта iMUSH (Imaging Magma Under St. Helens), который хочет проследить путь расплавленной породы от недр земли до поверхности. Это одна из крупнейших и наиболее амбициозных попыток нанести на карту систему магматических каналов вулкана, которая позволила выявить ранее неизвестный подземный мир. Прежнее представление о том, как устроены вулканы, было довольно простым: магматический очаг на глубине с узким каналом, ведущим на поверхность. Вместо этого под горой Сент-Хеленс магма течет через многочисленные взаимосвязанные камеры. В них часто меняется химический состав расплавленной породы, что может привести к исключительно сильным извержениям. Магма движется как по горизонтали, так и по вертикали, должна избегать препятствий и следовать за трещинами горных пород в недрах земли. По мере того, как он мигрирует, он вызывает землетрясения, как глубокие, так и неглубокие, предвещая извержение по мере заполнения магматических камер под вулканом.
Избегайте смертей
Информация, полученная с помощью iMUSH, актуальна не только для миллионов людей, которые живут рядом с вулканами в Каскадном хребте, например, в Ванкувере, Сиэтле, Портленде или Сакраменто. Они также помогают лучше понять другие вулканы по всему миру, которые угрожают городам и деревням. С 1980 года в результате извержений вулканов во всем мире погибло более 25 000 человек, и существует острая необходимость в более точном прогнозировании будущих извержений. «Выводы проекта предназначены для предоставления общих сведений о магматических процессах вулканов разных типов, несмотря на особенности каждого вулкана», - говорит Майкл Клинн из Геологической службы США.
В то время как самые глубокие скважины, когда-либо пробуренные, достигают двенадцати километров вглубь земли, вулканы уходят корнями далеко внизу. Даже если бы можно было бурить на любую глубину, на горе Сент-Хеленс первые 70 километров вам пришлось бы пробиваться через типичные континентальные породы. Удивительно, но бур столкнулся с океаническими породами с высоким содержанием воды и ископаемыми морскими существами под ними. Гора Сент-Хеленс и большинство других континентальных вулканов возвышаются там, где сходятся плиты земной коры, и тепло из недр земли может уйти. Глубокий слой горных пород принадлежит небольшой плите Хуан-де-Фука - дну Тихого океана, которое проталкивается под североамериканскую континентальную плиту на западном побережье США. Этот процесс субдукции считается основным двигателем вулканической активности на Земле. Когда океанические плиты погружаются под континентальные, вышележащие породы земной коры начинают плавиться, создавая магму, которая поднимается на поверхность. Вот как плита Хуан-де-Фука породила вулканы Каскадных гор, которые простираются от юга Британской Колумбии до северной Калифорнии; плюс тысячи лавовых полей и так называемых боковых вулканов, разбросанных по горному хребту.
Hyperraum TV - это канал, посвященный науке и технологиям, которым руководит ученый в области СМИ и историк науки Сюзанна Пах.
По сравнению с другими вулканами цепи Каскад, гора Сент-Хеленс имеет несколько особенностей: с одной стороны, она находится примерно на 50 километров западнее. Кроме того, сейсмические исследования показали, что температура прямо под горой на самом деле слишком низкая для образования магмы. Так откуда взялась расплавленная порода? Несмотря на свое удаленное расположение, гора Сент-Хеленс на протяжении веков была самым активным вулканом в Каскадных горах. Он извергался почти непрерывно в течение десятилетий в начале 19 века, а извержение около 1840 года во много раз превысило извержение 1980 года.
Путь Магмы
Ученые, участвующие в iMUSH, хотят выяснить необычное поведение, проследив путь магмы от погружающейся плиты к поверхности.«Комбинируя различные методы измерения, мы надеемся создать целостную картину движения магмы», - объясняет Кен Креагер, геофизик из Вашингтонского университета и один из руководителей проекта. В конце 2016 года несколько десятков геологов собрались на встречу iMUSH в Сан-Франциско. Опыт исследователей варьировался от интерпретации сейсмических сигналов до химии и формирования горных пород до геомагнетизма. Цель встречи состояла в том, чтобы сравнить их предыдущие частичные результаты и составить из них общую картину.
Геологи слушают вулкан с тонной взрывчатки
Сейсмологи рассказали самую захватывающую историю. С момента извержения в 1980 году сейсмометры, установленные вокруг горы Сент-Хеленс, постоянно прослушивали волны землетрясений, возникающие где-нибудь рядом с вулканом. Волны распространяются быстрее через плотную твердую породу, чем через горячую и частично расплавленную породу. Сравнив вибрации, зарегистрированные в разных местах, геофизики нарисовали приблизительную карту магматических камер внутри горы.
iMUSH позволил исследователям временно обновить сейсмическую сеть и установить дополнительные, более чувствительные инструменты. «Новые датчики были на порядок лучше, чем те, которые использовались ранее, и соответственно увеличили разрешение измерений», - сказал Сет Моран из обсерватории Cascades Volcano Геологической службы США. Сейсмометры зафиксировали собственные колебания, а также толчки от зарядов взрывчатого вещества массой 500 и 1000 кг в двух десятках скважин. Это привело к гораздо более обширной и подробной картине магматических горячих точек и каналов.
Первое удивление было прямо под лавовым куполом кратера, куполообразным возвышением над местом извержения. Предыдущие результаты предполагали неглубокий магматический резервуар на глубине от 1,5 до 3 километров ниже кратера. Теперь исследователи подозревают, что эта область на самом деле состоит из широко разветвленных трещин, по которым магма поднимается вверх с гораздо большей глубины. Под зоной разлома, как показывают как старые, так и новые данные, простирается большой магматический резервуар на глубине от 8 до 18 километров. Однако данные, полученные с помощью iMUSH, противоречат традиционному представлению о том, что вулканы представляют собой, по сути, большие магматические очаги с узкими каналами на поверхность. «Мы начинаем понимать, что высокие уровни расплавленной породы в верхней части земной коры встречаются довольно редко», - отмечает Брэндон Шмандт, сейсмолог из Университета Нью-Мексико. «Возможно, от одного до десяти процентов порового пространства в породе заполнено расплавом. Камера, заполненная жидкой магмой, выглядит иначе». Вместо этого резервуар под горой Сент-Хеленс больше похож на кашеобразную массу, чем на расплав. Кроме того, в результате химических реакций этой магматической пульпы образуются различные соединения, которые обнаруживаются в определенных частях резервуара.
Вместо озера магмы исследователи обнаруживают слабое место в земной коре
Следующий сюрприз ждал еще глубже: здесь лежит область, по которой с большой скоростью несутся сейсмические волны. Они отмечают слой породы, слишком холодный и плотный для проникновения магмы. Поэтому кажется, что поднимающаяся магма обходит блокировку. «Магма выбирает путь наименьшего сопротивления», - объясняет сейсмолог Алан Левандер из Университета Райса в Хьюстоне, штат Техас. «Мы подозреваем, что он мигрирует вверх по склонам этих высокоскоростных зон, скапливается там и, в конце концов, попадает в мелководные резервуары».
Если бы кто-то знал полный путь расплавления горных пород, можно было бы лучше предсказывать будущие извержения. После извержения вулкана Сент-Хеленс в 1980 году геологи зафиксировали глубокие, необычно вытянутые землетрясения вдоль предполагаемых магматических каналов. Подобные землетрясения происходили во время прошлых извержений по всему миру. «Ученые предполагают, что они вызваны тем, что магма прокладывает свой путь перед приближающимся извержением или пополняет резервуар после извержения», - говорит Джон Видейл, сейсмолог из Вашингтонского университета в Сиэтле. Правда, эти так называемые глубокие долгопериодические землетрясения не всегда возвещают об извержении - иногда они лишь свидетельствуют об опорожнении магматического резервуара. «Да, - добавляет Видейл, - когда происходит землетрясение, внутри вулкана что-то движется, и риск извержения возрастает».
Не только сейсмические волны позволяют заглянуть внутрь земли: Солнце бомбардирует магнитное поле Земли заряженными частицами и генерирует электрические токи внутри нашей планеты. Наземная сеть детекторов может использоваться для измерения изменений электропроводности земной коры. Метод, известный как магнитотеллурика, выявляет подземные жидкие отсеки, такие как залежи нефти или резервуары магмы. Исследователи, участвующие в iMUSH, надеялись уладить давние разногласия. Более старые, довольно неточные данные предполагали наличие массивного резервуара жидкости под горой Сент-Хеленс и соседними горами Адамс и Рейнир. Некоторые геологи думали, что это гигантское озеро магмы, соединяющее все три вулкана.
Гораздо более подробные данные iMUSH, однако, не показали озера, вместо этого открывая другую интригующую возможность. Высокая проводимость земной коры под вулканами, по-видимому, основана на богатых водой осадочных породах, погребенных тектоническими процессами. Слой породы, по-видимому, отмечает край последней крупной части Североамериканской плиты, которая была приварена к тихоокеанскому побережью территории, которая сейчас является Соединенными Штатами, около 50 миллионов лет назад: плита-призрак, которая является частью формации под названием Силеция. и сейчас лежит на большой глубине. Граница между Силецией и остальной частью Северной Америки может быть слабым местом в земной коре, позволяющим флюидам вытекать из глубин. Не вызывает сомнений то, что гора Сент-Хеленс находится прямо над этой зоной или, по крайней мере, очень близко к ней. Существовавшая ранее уязвимость также может объяснить плотную скалу под вулканом. Магма, неуклонно втекающая в границу раздела, постепенно остывает, так что ей все чаще приходится находить обход уже затвердевшего материала. Как и сейсмические исследования, магнитотеллурические данные указывают на препятствие для магмы, хотя и не в том же самом месте. Такие геологи, как Адам Шульц из Университета штата Орегон, пытаются согласовать результаты двух методов, чтобы создать точную карту недр.
Еще сложнее интерпретировать состав различных образцов горных пород, собранных исследователями вокруг вулкана. На протяжении всей своей истории извержения гора Сент-Хеленс извергала различные типы лавы. Разнообразие текстур и тонов стен кратера говорит о том, насколько сложно объяснить петрологию всех пород, т. е. их происхождение, состав и распространение. «Восходящая магма дифференцируется, продолжает подниматься, кристаллизуется, собирая по пути дополнительный материал и, наконец, достигая поверхности», - объясняет Оливье Бахманн, петролог из ETH Zurich и один из инициаторов iMUSH. «Движение расплавленных пород в недрах Земли подобно большой стиральной машине».
Содержание диоксида кремния в породе определяет вязкость магмы
Один тип скал распространен повсеместно и очень показателен: яркая губчатая пемза встречается по всему вулкану, такая легкая, что она может плавать в воде. В увеличительное стекло можно увидеть продолговатые воздушные карманы в скале - как будто большие силы тянули лаву, когда она застывала. Пористые глыбы говорят о силе взрыва 1980 г. Они содержат дацит, магматическую породу, богатую кремнеземом. Последнее придает магме высокую вязкость, позволяя ей забивать вулканические жерла и предотвращать утечку газов по мере их затвердевания. Гора Сент-Хеленс взорвалась в 1980 году из-за того, что вязкий дацит застрял под горой. Это привело к колоссальному давлению, которое, наконец, высвободилось с обрушением северного склона вулкана.
На южной стороне довольно тонкая базальтовая лава оставила пещеры, подобные тем, что находятся на Гавайских островах. Вершина конуса, который был взорван в 1980 году, частично состояла из андезита, типичной горной породы. Но как один и тот же вулкан может производить такие разные виды лавы?
Ученые во главе с Доникой Блаттер из Геологической службы США недавно опубликовали гипотезу, основанную на новых находках iMUSH и предыдущих датировках цирконов. Эти кристаллы устойчивы как к химическому, так и к механическому выветриванию и позволяют, например, определять возраст горных пород, относящихся к ранним дням существования Земли. Цирконы образуются преимущественно в магме, богатой кремнеземом. Кристаллы, застрявшие в лаве горы Сент-Хеленс, демонстрируют регулярное нагревание и охлаждение. На протяжении многих тысячелетий расплавы из глубинных слоев, по-видимому, неоднократно нагревали каменную массу внутри. По мере того, как магма подвергается таким температурным циклам, она растворяет диоксид кремния из окружающей породы земной коры, придавая лаве ее характерную вязкость, подозревают исследователи. При достаточно большом запасе энергии из недр земли химически измененная магма пробивается на поверхность.
Иногда, однако, втекает столько расплавленной породы, что она проходит через эту мягкую зону почти без изменений. «Затем свежая магма вырывается из мантии, так сказать, и извергается вулканом в виде жидкой базальтовой лавы без какого-либо промежуточного хранилища», - объясняет геофизик Уэс Телен из вулканической обсерватории Каскад.
Если гипотеза подтвердится, это также может помочь лучше оценить активность других огнедышащих гор по всему миру. Многочисленные вулканы, считающиеся опасными, такие как гора Пинатубо на Филиппинах или Кракатау в Индонезии, в основном извергают магму с высоким содержанием дацита. Обычно об этих извержениях объявляют только тогда, когда магма достигает верхней коры и вызывает землетрясения и смещения горных пород. Если бы землетрясения, выбросы газа и другие сигналы можно было использовать для определения магматических процессов в недрах, извержения было бы легче предсказывать.
Гора Сент-Хеленс в настоящее время бездействует, туристы могут безопасно подниматься на кратер, а геологи могут безопасно проводить свои исследовательские работы на склонах вулкана. Но в недалеком будущем гора снова проснется. С момента последнего извержения сейсмографы зафиксировали множественные толчки под кратером, указывающие на движение магмы. Это не означает неминуемой опасности, говорит Кен Креагер. Но вулкан готовится к следующему извержению.
Геологи и специалисты по планированию бедствий на северо-западе США извлекли урок из событий 1980 года. Если такой непредсказуемый вулкан грохочет в будущем, никому не будет позволено находиться в пределах нескольких километров от горы. Однако помимо эксплозивных извержений активные вулканы таят в себе и другие опасности: пепловые дожди, подобные тем, что происходили при предыдущих извержениях в цепочке Каскад, опустошат места с подветренной стороны. Практически без предупреждения оползни могут обрушиться на речные долины. Однако в настоящее время самая высокая вершина Каскадных гор, гора Рейнир к юго-востоку от Сиэтла, считается гораздо более опасной, чем гора Сент-Хеленс. Более 150 000 человек в штате Вашингтон живут на отложениях вулканической грязи, что свидетельствует об активности горы Рейнир на протяжении последних тысячелетий.