Дегазация магмы — источник глубоких землетрясений под Ключевским вулканом на Камчатке

Коллектив ученых из НИИ механики Московского государственного университета им. Ломоносова, Института физики Земли РАН, Геофизической службы Израиля, Института физики Земли в Гренобле (Франция) и Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН разработал новую физическую теорию, объясняющую происхождение глубоких вулканических землетрясений. Результаты работы изложены в свежем номере журнала Nature Communications.

Известно, что практическая цель вулканологии состоит в разработке методов мониторинга для своевременного предсказания извержения вулканов. При этом ключевую роль в этой работе играет понимание физических процессов, происходящих в вулкано-магматических системах.

По сложившимся на сегодняшний день представлениям, ювенильные магмы образуются на достаточно большой глубине — в мантии Земли. Процесс поднятия магмы к поверхности неоднороден. Его основной движущей силой является разница в плотности между относительно «холодными» и тяжелыми породами мантии и земной коры и разогретыми, флюидсодержащими и относительно легкими магматическими расплавами.

По мере поднятия химический состав и физические свойства магмы могут существенно меняться за счет взаимодействия с окружающими породами и за счет меняющихся давления и температуры. Эти изменения могут приводить к резким локальным ускорениям движения магмы и резким скачкам давления с последующей механической деформацией пород, затем генерировать сейсмические волны, которые, в свою очередь, могут быть зарегистрированы современными геофизическими приборами.

Таким образом, геофизические наблюдения являются основным источником информации о глубинных процессах и используются для мониторинга состояния вулканов и выявления готовящихся извержений. При этом ведущий геофизический метод — сейсмологический мониторинг, основанный на регистрации землетрясений, происходящих в вулканах и подстилающей их земной коре.

Как трясет вулканы

Вулканические землетрясения многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить два основных типа: (1) вулкано-тектонические землетрясения, вызываемые активизацией многочисленных микроразломов в вулканических постройках и подстилающих их породах, и (2) так называемые длиннопериодные землетрясения, связанные с резкими вариациями давления непосредственно в подводящих магму каналах. Этот второй тип вулкано-сейсмических источников излучает волны на относительно низких частотах — в диапазоне от 1 до 5 герц, что и объясняет их название.

Большинство длиннопериодных вулканических землетрясений происходит очень близко к поверхности — на глубинах, не превышающих несколько километров. Их регистрация является явным признаком активизации поверхностной части питающей системы вулканов и поэтому рассматривается в качестве одного из основных краткосрочных предвестников извержений.

При этом под некоторыми вулканами длиннопериодные землетрясения наблюдаются на глубинах в несколько десятков километров, приблизительно соответствующих границе кора — мантия. Особенно интенсивна такая глубокая сейсмичность под Ключевским вулканом на Камчатке (см. рисунок).

Ключ к разгадке

Какие же физические процессы приводят к возникновению таких глубоких длиннопериодных землетрясений? Этот вопрос является одним из ключевых для разработки признаков предстоящих извержений в среднесрочной и долгосрочной перспективе. Камчатские вулканологи наблюдают их в течение десятилетий [1] и стараются найти связь с изменениями их количества и процессами активизации глубинных магматических очагов [2].

Международная группа ученых во главе с членом-корреспондентом РАН из НИИ механики МГУ Олегом Мельником провела исследование, в рамках которого было задействовано математическое моделирование на данных о свойствах зарегистрированных землетрясений и о геохимическом составе лав Ключевского вулкана.

В результате была разработана новая физическая модель (рис. (в)), объясняющая происхождение землетрясения в глубинных вулканических очагах с выделением водяного пара и углекислого газа из магмы. Было выяснено, что быстрый рост газовых пузырей вызывает резкие скачки давления, которые и формируют столь необычные землетрясения.

Обоснование связи землетрясений с глубинной дегазацией магматических расплавов важно для улучшения прогноза вулканических извержений, поскольку эти землетрясения свидетельствуют о внедрении новой порции расплавов в глубинный магматический очаг и о начале подготовки активизации вулкана.

Вулканологи также выяснили, что интенсивная сейсмическая активность в глубинных очагах под некоторыми вулканами (такими как Ключевский) свидетельствует еще об одном важном аспекте новой теории. Питающие эти очаги магмы содержат повышенную концентрацию углекислого газа и, соответственно, могут давать повышенный вклад в выброс парниковых газов в атмосферу.

Исследование выполнялось лабораторией комплексного изучения и мониторинга геодинамических процессов в Курило-Камчатской зоне субдукции, созданной на базе Института физики Земли РАН в 2018 году при поддержке мегагранта Министерства образования и науки (No14.W03.31.0033). В нем также приняли участие сотрудники Московского государственного университета, Геофизической службы Израиля, Института физики Земли в Гренобле (Франция) и Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН; использовались данные, собранные Камчатским филиалом Единой геофизической службы РАН.

Олег Мельник, Владимир Ляховский, Николай Шапиро

Результаты работы опубликованы в статье:
Melnik O., Lyakhovsky V., Shapiro N. M., Galina N., and Bergal-Kuvikas O. Deep long period volcanic earthquakes generated by degassing of volatile-rich basaltic magmas // Nature Communications. 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-17759-4.

1. Gorelchik V. I., Garbuzova V. T., Storcheus A. V. Deep-seated volcanic processes beneath Klyuchevskoi volcano as inferred from seismological data // J. Volcanol. Seismol. 2004. 6. P. 21–34.
2. Shapiro N. M., Droznin D. V., Droznina S. Y., Senyukov S. L., Gusev A. A., Gordeev E. I. Deep and shallow long-period volcanic seismicity linked by fluid-pressure transfer // Nature Geoscience. 2017. 10(6). P. 442–445. DOI: 10.1038/ngeo2952.