Изотопная история гигантского лавового извержения

Доисторические лавовые извержения были такой силы, что огромные территории, размерами с типичную европейскую страну, становились безжизненной пустыней. Последнее гигантское извержение подобного типа произошло 14–16 млн лет назад на западном побережье США и покрыло территории нынешних штатов Орегон, Вашингтон, Айдахо и частично Невады лавовыми потоками толщиной в десятки и сотни метров на площади более 210 000 км² (рис. 1).

Излияние магмы происходило через широкие (до 10 м в толщину и десятки километров в длину) трещины, которые в геологической литературе называются дайками (рис. 2). Исследованию взаимодействия магмы с породами посвящена наша статья, написанная в сотрудничестве с учеными из Орегонского университета США, НИИ механики МГУ и швейцарскими коллегами из университетов Женевы и Берна и опубликованная недавно в журнале Nature Scientific Reports [1].

Каждое из отдельных извержений базальтов на реке Колумбия было в 10–100 раз сильнее крупнейшего лавового извержения вулкана Лаки в Исландии в 1783 году, вызвавшего гибель тысяч людей, а парниковые газы привели к «году без лета», за которым последовал теплый год в Европе и Северной Америке. В течение одного-двух миллионов лет произошли десятки подобных извержений, отделяемых периодами затишья в десятки тысяч лет. Каждое извержение приводило к серьезным локальным и глобальным последствиям для окружающей среды и климатической системы в целом.

Сколько продолжалось доисторическое извержение? Сколько парниковых газов поступило с магмой? Какое воздействие оказало течение магмы на окружающие породы?

Ответить на эти вопросы позволило математическое моделирование результатов анализа изотопов кислорода в магме и коренных породах, проведенного в лаборатории стабильных изотопов Орегонского университета под руководством Ильи Биндемана.

Как известно, у кислорода самым распространенным стабильным изотопом является О¹⁶; значительно меньше в природе изотопа 18. У мантийных пород, по сравнению с атмосферной (метеорной) водой, отношение О¹⁸/О¹⁶ сдвинуто в сторону более тяжелого изотопа. При взаимодействии пород с метеорной водой и нагревании до высоких температур породы и вода обмениваются изотопами кислорода, а когда породы остынут, концентрация О¹⁸ в них будет несколько меньше, чем до нагрева.

Анализ образцов показал, что вокруг больших даек (трещин, заполненных магматическим расплавом) образуются области прогрева до 100 м шириной, причем самые «легкие» по кислороду породы сосредоточены на их границах, а вдали от даек изотопное отношение выходит на невозмущенный уровень. Это значит, что течение магмы в трещине вызвало прогрев водонасыщенных пород, конвекцию воды и ее изотопный обмен.

Течениями в геотермальных системах в лаборатории общей гидромеханики НИИ механики МГУ занимаются уже не одно десятилетие. Андрей Афанасьев создал уникальный программный комплекс MUFITS (MUltiphase FIltration Transport Simulator [2]), позволяющий рассчитывать течения с фазовыми переходами и химическими реакциями при высоких давлениях и температурах. Андрей помог нам адаптировать программу для расчета изотопного обмена кислорода, а наши аспиранты Иван Уткин и Настя Артёмова провели расчеты различных сценариев извержения.

Оказалось, что данные расчетов хорошо ложатся на измерения, если предположить, что магма в трещине текла около семи лет, после чего породы остывали еще лет 150. Мы оценили количество парниковых газов, которое могло быть вынесено на поверхность в процессе извержения. Оказалось, что гидротермальная система дает всего несколько процентов углекислого газа от выносимого лавой, если магма выходит через кору магматического состава, бедную органикой. Если же такое извержение случится через кору осадочного состава, то в результате нагрева пород выделится огромное количество углекислого газа. Именно поэтому извержение сибирских трапповых базальтов привело 250 млн лет назад к климатической катастрофе, а базальты реки Колумбия не оказали подобного влияния на климат.

Наши исследования поз­волили разгадать еще одну загадку: почему в области излияния базальтов широко распространены «легкие» по кислороду магмы. Мы сделали вывод, что гидротермальное изменение пород базальтовыми магмами подготовило «легкую» кору, которая в дальнейшем плавилась и извергалась местными вулканами.

Работа была поддержана грантом РФФИ 18–01–00352, конкурса инициативных научных проектов («а»), который с этого года фонд упорно не хочет объявлять, несмот­ря на многочисленные обращения Общего собрания РАН, Общества научных работников и тысячи писем отдельных грантодержателей, а также «Троицкого варианта» и других изданий. Несмотря на небольшой объем финансирования, гранты конкурса «а» позволили получить много интересных результатов, поскольку поддерживают небольшие группы ученых по всей стране. Наша статья тоже скромный вклад в копилку фонда.

Фото авторов

1. Bindeman I. N., Greber N. D., Melnik O. E., Artyomova A. S., Utkin I. S., Karlstrom L., and Colón D. P. Pervasive hydrothermal events associated with large igneous provinces documented by the Columbia river basaltic province // Scientific reports. 2020. 10(1).
2. mufits.imec.msu.ru