Когда дрожит и горит земля
Извержения вулканов неоднократно меняли ход человеческой истории. Грозят ли опасностью недавние извержения на Камчатке? И что современная наука знает о вулканах?
В конце апреля в районе активного вулкана Шивелуч на Камчатке произошло пятнадцать сейсмособытий, волна одного из них повредила сейсмическую станцию в нескольких километрах от жерла вулкана, пеплом накрыло близлежащие селения. Впрочем, частые извержения на камчатских вулканах скорее хороший знак: если бы они случались реже, это бы означало, что энергия вулкана копится и увеличивается риск крупного события.
Вообще, крупные извержения не редкость. Всемирный резонанс вызвали, например, извержения Эйяфьядлайёкюдля в 2010 году в Исландии или цунами из-за подводного вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапая в 2022-м. Известны и вовсе глобально катастрофические события такого рода, случившиеся в прошлом. Например, в 1600–1500 годах до н. э. вулкан Санторин на острове Тира уничтожил крито-минойскую цивилизацию, а извержение индонезийского Тамбора в 1815 году привело к временному похолоданию в Западной и Восточной Европе, гибели целой цивилизации, «году без лета», глобальному экологическому и экономическому кризису. Несколько тысяч лет назад в районе Байкальского рифта (глубокого разлома в земной коре) излился поток базальтовой магмы длиной около 50 км. В фольклоре местных жителей даже есть легенда об «огненной змее», выползшей из-под земли и пожравшей десятки стойбищ. Понятно поэтому, что вулканы — предмет пристального научного изучения, в том числе на нашей Камчатке.
В 2013 году исследовательница из института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН в Петропавловске-Камчатском Наталия Горбач защитила диссертацию о происхождении и эволюции магм вулкана Шивелуч. Ученая и ее соавторы выяснили, что запуск пароксизмальных (приступообразных) извержений Шивелуча, по всей видимости, связан со смешением двух видов магм, вязкой высококремниевой и более текучей и горячей низкокремниевой (базальтовой), в периферическом очаге (магматическом резервуаре вулкана). Охарактеризовать этот процесс удалось путем тщательного исследования состава лав и пеплов вулкана и соотношения заключенных в них минералов, которые формировались при разных температурах и давлениях.
Современная вулканология изучает устройство и функционирование вулканов — от образования магм до построения моделей извержений. О том, как складывалась и развивается эта наука, возможно ли изучить прошлые извержения, чтобы предвидеть новые, и почему вулканы могут быть полезными, рассказывает доцент кафедры петрологии и вулканологии геологического факультета МГУ Борис Шкурский.
Что мы знаем о вулканах
— Когда появилась наука вулканология?
— Можно сказать, что вулканология зародилась довольно давно. Тогда это были натурные наблюдения и мифы без сколько-нибудь успешных попыток проникнуть в природу вулканизма. Одним из первых эпизодов истории описательной вулканологии был трагическим — древнеримский писатель Плиний Старший в ноябре 79 года нашей эры погиб во время извержения Везувия, который уничтожил Помпеи, Геркуланум, Оплонтис и Стабии. К описательной вулканологии приложили руку Чарльз Дарвин во время кругосветного путешествия на корабле «Бигль» и отец современной геологии Чарльз Лайель. Однако настоящие исследования начались в 1860-е годы, когда стало возможно рассматривать продукты извержений под поляризационным микроскопом.
— Что тогда смогли сделать исследователи?
— Ученым удалось рассмотреть, из чего состоит базальт (одна из самых распространенных лав). Они изучали минеральные части вулканических горных пород, их состав и разнообразие. Этим, например, занимался и один из пионеров петрологии и активный пропагандист поляризационного микроскопа Фердинанд Циркель. Коллеги поначалу посмеивались над чудаковатым профессором, «рассматривавшим горы под микроскопом», но вскоре и сами прониклись новой методикой исследования. Во времена прокладки трансатлантического кабеля в 1860–1870-е годы экипаж судна «Майкл Фарадей» взял на борт кусок камня с океанического дна. Природу этого камня долго не могли определить — диагностике породы препятствовало микрозернистое строение. Циркель же изучил шлиф образца (тонкую пластинку толщиной 30 микрон) и понял, что перед ним базальт, аналогичный базальтам суши. Оказалось, что дно океана во многих местах залито этим веществом.
Позже начали проводить анализ химического состава продуктов извержений, а в 1880-е годы их даже пытались расплавить при помощи горелки немецкого химика Роберта Бунзена. Это позволило косвенно оценить температуру базальтовой лавы в ходе извержений — более 1100 градусов по Цельсию. Затем вулканы классифицировали по степени крутизны стенок: щитовые (состоят из широко разлившейся по площади маловязкой лавы базальтового состава) и конические, или стратовулканы (образуются из слоев прежде изверженных продуктов). В СССР вулканы активно изучались на Камчатке с 1950-х годов благодаря ученым Александру Заварицкому, Борису Пийпу, Евгению Мархинину и другим.
— Где передний край современной вулканологии?
— Сейчас вулканологи наблюдают и описывают действующие вулканы, выявляют стиль их извержения и периодичность, смотрят состав, структуру и изменение продуктов извержений во времени, измеряют тепловой поток лавы, фиксируют сейсмические дрожания, устанавливают детальную последовательность былых извержений методами тефрохронологии (датировка вулканических пеплов). Это помогает составить «портрет» каждого вулкана или их группы, датировать извержения и перерывы между ними, получить своего рода анамнез. Современная вулканология также строит динамические модели извержений на основе факторов, которые их вызывают. Например, этим занимается член-корреспондент РАН, директор института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН на Камчатке Юрий Озеров. Он и его команда используют не только цифровые, но и аналоговые модели, чтобы изучить извержения и многофазное превращение магмы в лаву. Выяснилось, что именно появление газовой составляющей превращает магму в лаву, дестабилизирует ее и провоцирует извержение. Другой исследователь, Иван Мелекесцев из лаборатории динамической вулканологии того же института, посвятил свою работу установлению возраста вулканических пеплов, что помогает датировать извержения в геологическом прошлом.
— Какие инструменты используют вулканологи в своей работе?
— Вообще, уровень развития вулканологии и у нас, и у западных коллег очень близок. До 1990-х годов в Советском Союзе были проблемы с аналитической техникой, но их преодолели. Может быть, на Западе быстрее внедряют портативные рентгено-флуоресцентные анализаторы, а в остальном наши методы похожи. Постоянно шел и идет обмен опытом и информацией на конференциях и при совместных полевых работах, в сообществах и интернациональных командах. На месте ученые изучают лаву в специальном отражающем костюме, как у пожарных, при помощи пирометра — определяют температуру по яркости ее свечения. Исследователи также могут рискнуть и спуститься в кратер на веревках, когда нет извержения. Особые камеры позволяют наблюдать за вулканами в режиме реального времени. Вне натурных работ ведется анализ в лаборатории, построение и проверка моделей. Существуют также всевозможные газоанализаторы, сейсмометры, спектрометры, микрозонды для анализа зернышек минералов в образцах затвердевшей лавы и пеплах. Иногда при полевых работах для отбора лавы в полужидком состоянии приходится применять ковш из тугоплавкого циркония или простой лом.
— Что еще удалось выяснить, начиная с девятнадцатого века?
— Сегодня известно, что существует огромное количество подводных вулканов и лав, которые устилают дно океанов. Стало понятно, что вулканы могут каждый раз извергать не одно и то же — продукты извержений эволюционируют. Многие из них претерпевают изменения в течение тысяч и десятков тысяч лет, и тогда разобраться в причинах таких процессов помогает изучение их древних предшественников — палеовулканология. Интерес состоит в том, что многие из тех вулканов со временем обнажили свое глубинное строение, которое невозможно наблюдать в действующих вулканах.
Вулканические постройки древности исчезли с лица Земли из-за процессов выветривания и эрозии. На поверхность вышли массивы субвулканических пород, которые застыли на глубине, где находились периферические очаги уже несуществующих вулканов. Эти обнаженные периферические очаги (объем, из которого магма поступает непосредственно в жерло и наружу) дают нам возможность изучить системы питания вулканов. В случаях очень интенсивной эрозии вскрываются и глубинные очаги магмогенерации, находившиеся в десятках километров под вулканическими центрами. Это позволяет заглянуть значительно дальше тех «прихожих», в которых магма превращается в лаву, ожидая своего выплеска.
— Как же тогда происходит извержение вулкана?
—Все начинается с той же магмы — негомогенного и многокомпонентного жидкого силикатного или, в исключительных случаях, карбонатного расплава. Можно сказать, что лава в жидкой фазе — текучее аморфное вещество. При быстром охлаждении она останется переохлажденной жидкостью без кристаллической структуры — вулканическим стеклом. Магма формируется в глубине Земли благодаря ее внутренней энергии. В составе магмы кроме расплава также есть твердые тугоплавкие частицы (мельчайшие зерна минералов, которые начали кристаллизоваться) и летучие компоненты — вода, углекислый газ, фтор, хлор, борная кислота, сернистый газ и другие. Когда магма поднимается в верхние горизонты коры, летучие вещества перестают удерживаться в растворенном состоянии из-за снижения давления. Подобно шампанскому с извлеченной пробкой, расплав вскипает, теряет летучие компоненты и превращается в лаву, которая изливается более или менее бурно. Теперь мы имеем дело с охлажденной жидкостью с температурой 800–1400 градусов по Цельсию — ее остывшей версией в метастабильном состоянии.
Помимо лавы вулканы извергают и обломочные, пирокластические, материалы. Это и остатки разрушающейся в ходе извержения вулканической постройки из уже застывшей лавы, и свежая лава в виде фрагментов разных размеров. Кусочки размером до полусантиметра называют пеплом или тефрой, размером с монетку — лапилли, а больше дециметра — это вулканические бомбы. Последние могут достигать размера чемодана, быть в форме лепешек, угловатых камней или веретенообразными. При взрывных (эксплозивных) извержениях все эти твердые материалы и раскаленные газы выбрасываются на большую высоту (это называется эруптивной колонной), но могут сходить и как лавины в виде пирокластических потоков. Они передвигаются по склону быстрее лавы, способны вызвать пожары и истребить все живое.
Лучше чаще, но меньше
— Возможно ли заранее предсказать этот процесс?
— Готовящееся извержение, будь оно взрывное или с излиянием лавы, в большинстве случаев удается предвидеть по ряду признаков. Во-первых, это изменение рельефа, который чуть-чуть вздымается, а на его поверхности образуются припухлости. Вулкан меняется — «шевелится и дышит». Это возможно обнаружить со спутников и различными геодезическими способами. Во-вторых, это сейсмическое дрожание с невысокими магнитудами в узком диапазоне частот, что говорит о пополнении периферического очага новой порцией магмы. Важно также отметить одну деталь: если перерыв между извержениями слишком большой, стоит напрячься. Энергия вулкана копится и никак не расходуется, из-за чего могут произойти события большой мощности. При этом некоторые вулканы действительно переходят в спящее состояние. Похоже, в таких случаях их системы питания забиваются, а магма не добирается до поверхности и застывает на глубине.
— Какие последствия чаще всего наблюдаются при извержениях?
— Активные выбросы с участием SО2, которые можно зафиксировать в промежутках между извержениями при анализе фуморальной (дымной) деятельности вулканов, в прошлом давали серьезные климатические изменения при попадании в тропосферу. Например, это вызывало красные закаты, более теплую зиму, холодное лето, общее колебание температур, приводило к неурожаям, как это было в шестнадцатом-семнадцатом веках в Смутное время в России и других частях света. В описанных случаях эруптивные колонны поднимались не на двадцать километров, как сейчас Шивелуч, а на тридцать и выше. В наши дни и при меньшей высоте эруптивной колонны мелкий пепел способен закрыть значительную часть неба для авиаперелетов. Ударная волна, лавины и сама лава могут распространиться на пять-двенадцать километров и повредить постройки и сейсмические станции. Одна из них пострадала при извержении Шивелуча в апреле, примерно в восьми километрах от кратера. К счастью, станция была автоматической, и никто не пострадал. Охлажденный пепел иногда долетает до городов и вредит людям с заболеваниями легких и животным. Пожалуй, хуже вулканов по возможному числу жертв только землетрясения.
— Какие вулканы изучают чаще всего?
— У нас есть прекрасные полигоны: у России это Курилы, Камчатка и отчасти Кавказ, у американцев — Гавайи и обе Америки вдоль Западного побережья, европейцам доступны Средиземноморье, Азорские и Канарские острова, Исландия. Есть систематически срабатывающие вулканы, к которым мы уже привыкли. Возьмем ту же Ключевскую сопку, которая стабильно извергается чуть чаще чем раз в два года. Уделяется внимание и молодым вулканам, которые очень быстро развиваются. Вулкан Парикутин существует с 1943 года. Тогда кратер внезапно образовался посреди кукурузного поля, лава начала постепенно изливаться, и с тех пор вулкан надстроил себя на сотни метров. Ученые стали свидетелями рождения вулкана и смогли рассмотреть серию его продуктов, которые заметно отличались по составу.
Реже всего специалисты сталкиваются с подводным вулканизмом и магматическими комплексами, несмотря на уникальные съемки. Океаническое дно испытывает растяжение в срединно-океанических хребтах, а порция красной базальтовой лавы появляется из трещины. Та охлаждается водой, раздувается и превращается в подушку или пузырь, который покрыт корочкой стекла. Пузырь лопается, после чего образуется новый. Есть и экзотические вулканы. В 1967 году на севере Танзании произошло очередное извержение Ол-Доиньо-Ленгаи. Выяснилось, что вместо силикатов он извергал расплавленные карбонаты натрия и калия — эти вещества близки к обычной соли.
— Что вы можете в таком случае сказать о вулканах Камчатки?
— Мы уже затронули Ключевскую сопку, которая систематически стравливает энергию, и, может быть, хорошо, что она так регулярно это делает. Этот вулкан, согласно одной из гипотез, имеет сообщающуюся систему питания и общий глубинный очаг с Безымянным, у которого другой, взрывной и неприятный стиль извержения. В 1956 году тот взорвался очень сильно, и хорошо, что рядом мало кто находился. В поселке Ключи выбило стекла, а о пострадавших мы даже не слышали. К слову, этот взрыв дал нам дату Дня вулканолога — 30 марта. Поэтому, пока Сопка работает как предохранительный клапан, Безымянный может спать спокойно. Если первый не сработает в течение пяти лет, надо будет серьезно насторожиться.
Вообще, на Камчатке систематичность извержений имеет довольно большой временной масштаб. То, что произошло с Шивелучем в 1964 году, имело более серьезный характер. Как показали наблюдения, за все время с 1980 года из него вышла примерно половина кубического километра лавы и твердых продуктов. При этом вулкан лишился южной части, на месте которой появился ныне работающий «ершистый» Молодой Шивелуч. В те периоды, когда вулкан не выбрасывает пепел, он выдавливает из себя лавовый купол, который разрушается при очередном взрыве. Такой непрерывный стиль работы затрудняет предсказание эксплозивных извержений на основе сейсмической активности — дрожание не прекращается практически никогда.
И вообще Шивелуч довольно активный по сравнению с другими вулканами Камчатки, о чем свидетельствуют извержения 2004 и 2010 годов. Этот вулкан чем-то похож на своего собрата Кракатау в Зондском проливе в Индонезии. В 1883 году там произошел взрыв, из-за которого вся гора, возвышающаяся над водой, «улетела» в атмосферу. Вулканический остров перестал существовать, однако на его месте через какое-то время высунулся маленький молодой конус. Его назвали Анак-Кракатау, то есть «Сын Кракатау». Иными словами, Шивелуч тоже взял на себя миссию «старшего», и теперь действует Шивелуч Молодой.
— Почему же люди селятся рядом с вулканами, раз они опасны?
— Дело в том, что многие вулканы, в частности в Средиземноморье, дают обогащенные калием лавы и тефры, которые полезны для растений. Вероятно, это одна из причин высокого качества итальянского винограда по сравнению с другими. Необходимо отметить: если бы не вулканы, нам было бы негде жить. Около 4,1 миллиарда лет назад на поверхности Земли плескался магматический океан. Можно сказать, что на планете происходило повсеместное извержение. Тогда мантия Земли из-за поздней тяжелой бомбардировки из космоса испытала частичное плавление. Из этого расплава в ходе затвердевания и расслоения, как пенка на молоке, возникла протокора: сначала базальтовая, а затем, сотни миллионов лет спустя, и подобная современной, и материковая. Без этого Земля была бы равномерно круглой: без перепада рельефа и суши. Вулканы и по сей день увеличивают время от времени площадь суши, как это недавно происходило на Канарах.
— Кажется, вулканы можно использовать и как источники энергии…
— Есть вулканические области, где работают такие станции, например на Камчатке. В 1970-е годы в Америке тоже возникла похожая идея. Согласно программе «Магма», ученые хотели пробурить несколько скважин в направлении периферического очага Йеллоустоунского вулкана, есть признаки существования некоторых количеств расплава, а их температура близка к 800 градусам Цельсия. Затем планировалось провести трубы и пропустить через них воду, которая охлаждала бы очаг и предотвращала дестабилизацию вулкана, а потом возвращалась бы горячей. Это дало бы электроэнергию по десять центов за киловатт-час, однако проект не состоялся из-за чудовищных расходов. Во многих странах с вулканизмом используется геотермальная энергия, но это решает только локальные вопросы, а не проблемы всего человечества.
— Возросла ли вулканическая активность в последние годы?
— Похоже, что нет, но увеличилась информированность. Почти со всех концов Земли доходит информация об этих событиях. В 2022 году в районе Полинезии произошло извержение подводного вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай. Специалисты назвали его крупнейшим природным извержением за сто лет с волнами до 85 метров высотой. Без спутников ученые зафиксировали бы здесь только цунами, а его причиной посчитали бы, скорее всего, землетрясение. К слову, вулканические острова вроде Канарских или Гавайев — фактически самые высокие горы в мире, если считать от подножья на океаническом ложе. У них очень крутые склоны, что может привести к сильным оползням и обвалам. Речь идет о десятках кубических километров скального материала, и это способно породить суперцунами. Подходящая обстановка имеется на острове Ла-Пальма, из-за чего под угрозой находятся все побережья Атлантики на прямом расстоянии до десяти тысяч километров.
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl