Мощные, красивые, плохо предсказуемые. Что мы знаем о вулканах

В феврале этого года в Исландии ученые “услышали”, как глубоко под землей заворчал, пробуждаясь, вулкан с непроизносимым названием Фаградальсфьядль, расположенный всего в 30 километрах к юго-западу от Рейкьявика. Исследователи предупредили: скоро начнется извержение. Действительно, вечером 19 марта вулкан проснулся, и сотни туристов собрались вокруг, чтобы увидеть своими глазами, как же это происходит. Ученые называют извержение Фаградальсфьядля "слабым", однако признают, что пока неизвестно, как оно будет развиваться и сколько продлится. Наука по-прежнему не способна дать точных долгосрочных прогнозов извержений вулканов, хотя некоторые супервулканы на Земле теоретически могут проснуться в любой момент и их извержение угрожает катастрофическими последствиями, пишет Радио Свобода.

Извержение Фаградальсфьядля, снятое с дрона

Мощные, красивые, плохо предсказуемые... Без вулканов вряд ли возникла бы жизнь на Земле: согласно одной из наиболее общепринятых гипотез, именно вулканическая активность внесла когда-то важнейший вклад в насыщение земной атмосферы кислородом. В то же время вулканы, вероятно, имели отношение и к массовым вымираниям. Их извержения приводили к упадку цивилизаций и гибели городов, они потенциально несут угрозу целым государствам и сегодня. Они способны приводить к глобальному транспортному коллапсу. И тем не менее ученые могут предсказать извержения вулканов достаточно достоверно лишь в сравнительно краткой перспективе – на ближайшие дни или недели. А вот более отдаленные предсказания, как правило, имеют точность лишь в сотни и даже тысячи лет.

Вулканы на нашей планете существуют столько же, сколько существует земная кора. Они являются отражением внутренней жизни Земли, результатом процессов, которые идут в ее ядре и мантии. Грубое представление о строении Земли может дать конфета “Рафаэлло”: внутри твердый орех, который можно сравнить с раскаленным земным ядром, он покрыт толстым слоем вязкого крема – мантии, а поверх крема находится тонкая хрупкая корочка, земная кора.

Вещество внутри земного шара раскалено, потому что там идут ядерные процессы – распадаются радиоактивные элементы, которые содержатся в нем с момента образования планеты. Медленный радиоактивный распад сопровождается выделением тепла, за счет которого происходит плавление мантийного вещества. А поскольку теплопроводность мантийного вещества и земной коры невысока, то накопленное тепло сохраняется внутри планеты и во многом определяет поведение мантии. Мантийное вещество неоднородно, в нем можно выделить относительно подвижные струи и более вязкие участки. Потоки мантийного вещества движутся и воздействуют на земную кору, в результате чего кора трескается, а на ее поверхности появляются вулканы. Земная кора под океанами намного тоньше, чем континентальная. И вулканов на дне океана в разы больше, чем на материках. Иногда на месте их извержений возникают острова. Именно так, например, образовались Гавайи.

Для того чтобы понять, что на сегодняшний день известно о вулканах и как осуществляется прогноз их извержений, Радио Свобода побеседовало с Александром Белоусовым, ведущим научным сотрудником лаборатории активного вулканизма Института вулканологии и сейсмологии РАН, который уже много лет выезжает на извержения вулканов в самые разные точки земного шара, собирает там образцы и делает различные измерения.

– Что происходит в глубине мантии и как эти процессы влияют на вулканизм?

– Вулканы – это внешнее проявление внутренней тепловой жизни планеты. Температура мантии увеличивается по направлению к центру Земли от приблизительно 200°С до почти 4000°С. Однако этой температуры недостаточно, чтобы расплавить все мантийное вещество. Дело в том, что температура плавления большинства веществ зависит от внешнего давления, а давление по мере приближения к центру Земли увеличивается и препятствует плавлению. Только на определенных глубинах температура, давление и состав мантийного вещества совпадают таким образом, что часть материала мантии плавится. Для того чтобы вещество мантии расплавить, необходимо или снизить давление, или добавить в состав мантии воду. Откуда же в мантии берется вода? Вулканизм всегда привязан к районам высокой тектонической активности, где земная кора трескается, и обломки плит земной коры погружаются в мантию. И это не случайно. Именно обломки плит земной коры и приносят в мантию воду, которая входит в состав некоторых минералов и которая в результате способствует расплавлению мантии. Расплавленное вещество мантии (магма) обладает меньшей плотностью, чем окружающая порода. В этом случае оно, согласно законам физики, начинает постепенно подниматься, “всплывать” к поверхности из недр планеты. При этом на границе с земной корой, которая имеет меньшую плотность, формируются магматические очаги – большие камеры, заполненные магматическим веществом. Когда земная кора трескается, магма изливается на поверхность планеты. Это и есть вулканизм.

Движение магмы к поверхности сопровождается некоторыми другими процессами, которые и определяют характер извержения. В магме всегда растворено большое количество газов, в основном это водяной пар, а также соединения фтора, хлора, серы, углекислый газ, метан и другие газы. При извержении происходит резкое падение давления, газы расширяются, вырываются на поверхность, разбрызгивают магму, и происходит вулканический взрыв.

Большинство извержений начинается с трещины: земная кора под действием мантийного потока испытывает горизонтальное растяжение и рвется. Представьте, что вы взяли ветхую ткань, изо всех сил растянули ее и посередине она прорвалась. То же происходит и с земной корой. Магма становится более жидкой из-за падения давления в треснувшей земной коре. По образовавшейся трещине магма начинает подниматься вверх и в конце концов выплескивается наружу. В первые моменты магма изливается по всей длине трещины. Однако такое движение магмы энергетически невыгодно, и очень быстро в узких местах магма застывает и закупоривает трещину. В результате вдоль нее остаются отдельные участки выхода магмы.

– Когда речь идет о вулкане, мы часто представляем себе огнедышащую гору с дыркой посередине, которая ведет прямо в недра Земли и из которой время от времени вырываются газ, пепел, раскаленные камни и потоки лавы. Но не все вулканы выглядят так. Какой формы бывают вулканы?

– Двух одинаковых вулканов не существует. Характер извержения, продукты выброса и форма вулкана зависят от состава магматического вещества, его вязкости и количества растворенных в нем газов. От этого же зависит и его форма. Вулканы могут образовывать горы самой разной формы. Если магма вязкая, то может сформироваться гора с очень крутыми склонами или даже обелиск с вертикальными стенками. Если магматическое вещество жидкое, то когда оно изливается в виде лавы, образуется плоская лепешка – так называемый щитовой вулкан. И существует огромное количество промежуточных форм между этими крайними вариантами. А иногда вместо горы формируется провал. Геологи называют такие провалы кальдерами. Это случается, когда выбрасывается большое количество магмы, магматический очаг под вулканом опустошается, и самый верхний слой земной коры проседает в эту полость. Вулкан, как правило, формируется совокупностью извержений, которые повторяются время от времени.

Процесс иногда занимает десятки и сотни тысяч лет, и форма вулкана может сильно меняться: в результате новых извержений, а также в результате разрушения горы под действием ветра, перепадов температуры воздуха и атмосферных осадков. Опытный вулканолог даже по фотографии вулкана может очень много сказать о составе извержений вулкана и истории его развития.

Отдельно следует сказать о трапповом вулканизме. В истории Земли существовали моменты, когда извержения лавы были такими объёмными и длительными, что лавовые потоки, наслаиваясь один на другой, покрывали огромные площади. Часто такой вулканизм был связан с расколом континентов. Такие наслоения ограничены гигантскими ступенчатыми обрывами и получили названия траппов. Так в Сибири траппы возрастом 250 миллионов лет покрывают площадь около 2 миллионов квадратных километров. Однако при формировании траппов лава не всегда изливается наружу. Например, мы с моей женой Мариной, тоже вулканологом, специально ездили в Норильск, чтобы осмотреть в норильских шахтах геологию траппов. Изучив “корни” этих древних вулканов, мы поняли, что трещины, по которым поднималась магма траппов, не достигали поверхности земли, а магма часто внедрялась горизонтально вдоль геологических пластов земной коры.

–​ А как выглядит извержение вулкана под водой?

– Прямых наблюдений извержения вулкана под водой практически нет, хотя несколько таких извержений все-таки были случайно сняты на камеру. Исходя из общих соображений и имеющихся геологических данных, мы можем себе представить, как это должно происходить. Например, интенсивность взрывов при извержении зависит от того, как быстро из магмы выделяются растворённые газы. А интенсивность выделения газов, в свою очередь, зависит от внешнего давления. С глубиной давление воды быстро увеличивается: на каждые 10 метров глубины давление возрастает на одну атмосферу. При глубоководном извержении давление внешней среды так высоко, что газы не могут выделяться из магмы взрывообразно, поэтому уже на глубине 200 метров сильных подводных взрывов не происходит.

Кадры подводной вулканической активности

Вместо взрыва происходит относительно спокойное вспенивание магмы, и продукты такого извержения всплывают на поверхность океана в виде кусков шлака или пемзы, которые долгое время остаются плавать на поверхности океана, иногда образуя большие поля. Такие пемзовые поля могут дрейфовать долгие месяцы и годы, потому что пузырьки газа в пемзе закупорены практически герметично, и куски пемзы держатся на поверхности воды до тех пор, пока не насытятся водой. Однако чаще всего подводные извержения носят характер относительно спокойных излияний лавы. Лава под водой способна течь и покрывать большие площади океанского дна. В этом году как раз вышла научная статья о массовой гибели птиц в 2013 году на австралийском побережье. Их гибель была вызвана тем, что они наглотались вулканической пемзы, которая плавала на поверхности океана.

–​ Правда ли, что атмосфера Земли сформирована вулканами?

– Да. Именно вулканы "надышали" нам когда-то атмосферу, без которой жизнь на планете была бы невозможна. И не только потому, что всем живым организмам необходим кислород, но и потому, что вулканические газы создают тот самый парниковый эффект, который сейчас принято рассматривать только с негативной стороны, не упоминая о том, что он необходим для того, чтобы поддерживать температуру на нашей планете выше нуля. Ведь без парниковых газов температура на поверхности Земли была бы отрицательной. Первичная атмосфера Земли состояла из водорода и гелия, захваченных нашей планетой из межпланетного пространства, а вулканы обогатили ее углекислым газом, аммиаком, водяным паром и другими газами. И уже позже в результате химических реакций и жизнедеятельности древних водорослей сформировалась современная атмосфера, содержащая кислород.

–​ Каково влияние вулканов на климат?

– В начале истории Земли вклад вулканов в выбросы парниковых газов был близок к 100%. Сейчас вклад вулканов в выбросы парниковых газов оценивается на уровне 1–2%. Говоря о выбросах парниковых газов, стоит рассказать об одной гипотезе, связанной с траппами. Трапповый вулканизм сопровождался выделением огромного количества газов. Но эти газы поступали не только с магмой из глубоких недр Земли, часть их образовалась при воздействии магмы на земную кору. Поскольку магма траппов внедрялась в осадочные породы, то в том случае, когда она встречала отложения каменного угля, она их выжигала. Углекислый газ выделялся при этом как продукт сгорания угля. То есть фактически в то далекое время происходило то же самое, что происходит в значительно меньшем масштабе сейчас: сгорание угля увеличивало содержание СО₂ в атмосфере, с той разницей, что вулканические процессы очень масштабны, и их невозможно контролировать, а антропогенное выделение углекислого газа возможно уменьшить.

Для того чтобы объяснить, насколько опасно высокое содержание углекислого газа в атмосфере, достаточно сказать, что в те далекие времена выбросы СО₂ за счет траппового вулканизма сильно превысили содержание СО₂ в атмосфере на тот момент, что и привело к великому пермскому вымиранию, случившемуся 252 млн лет назад.

• Анатолий Крымский
• Крым. Реалии

Кара-Даг – одна из уникальных визиток Крыма. Это остатки вулкана, извергавшегося около 150-130 миллионов лет назад

–​ Александр, вы говорите сейчас об эффекте потепления. Но ведь мы знаем, что сразу после извержения вулкана наступает фаза похолодания, как это было, например, в 1991 году после извержения вулкана Пинатубо, которое охладило атмосферу Земли на 0,5°C на несколько месяцев. Как это все совместить?

–​ Дело в том, что при извержении в атмосферу Земли выбрасываются не только газы, но и гигантское количество вулканического пепла и аэрозолей – мельчайших капелек жидкости. И то, и другое оседает очень медленно – в течение месяцев и дольше. Поэтому эти частички разносятся ветрами на большие расстояния и могут долго "висеть" в атмосфере, не пропуская солнечные лучи к земной поверхности. Так что первая реакция климата на крупное извержение – это всегда похолодание. Постепенно частички пепла и аэрозолей слипаются, осаждаются на поверхность Земли, и атмосфера очищается, но такой процесс может длится год и дольше. Например, извержение вулкана Лаки в Исландии, начавшееся в 1783 году и продолжавшееся больше года, вызвало похолодание и неурожаи в Европе, которые привели к обнищанию людей и, как следствие, стали одной из причин Великой Французской революции.

А парниковые газы, выброшенные при извержении, в частности, углекислый газ, оказывают другой эффект – парниковый. Поэтому после похолодания может наступить фаза потепления, если парниковых газов было достаточно много.

–​ Насколько опасно жить поблизости от активных вулканов? Вы живете на Камчатке –​ не страшно?

– По общепринятой договоренности, действующим считается тот вулкан, последнее извержение которого случилось менее 10 000 лет назад. Считается, что в этом случае вулкан не умер, а “заснул”, и его извержение может повториться с большой вероятностью. Иногда на склонах действующего вулкана видны курящиеся дымы, вулкан как будто “дышит” – это так называемые фумаролы, газовые выходы. Они говорят о том, что в недрах под вулканом идут активные процессы, и этот вулкан представляет опасность.

Насколько опасно жить около вулкана, зависит от расстояния до вулкана. У меня из окна видны два действующих вулкана – Авачинский и Корякский. Они оба находятся в спокойном состоянии. Мой дом находится приблизительно в 50 км от них. Такое расстояние можно считать вполне безопасным.

Однако раньше, когда вулканы были не изучены, люди могли не подозревать, что они живут рядом с вулканом. Для них он выглядит как обычная гора. Более того, издавна люди селились вокруг вулканов, потому что их привлекали богатые почвы. Дело в том, что пеплы содержат много микроэлементов, которые служат как естественные удобрения. И вдруг неожиданно такая гора начинает выбрасывать газ, горячие камни и лаву и убивает все вокруг. Ярким примером такого извержения было извержение Везувия 79 года н. э., когда погиб город Помпеи. Период покоя Везувия до этого извержения был очень долгим, и для римлян Везувий был просто горой, поросшей лесом.

Кстати, мне вместе со своими коллегами удалось определить два новых действующих вулкана. Один из них находится на Тайване, рядом с городом Тайбэй. Там есть группа вулканов, которая называется “вулканический комплекс Татун”. Анализы, сделанные в ходе более ранних исследований, говорили о том, что этот вулкан последний раз извергался 100 тысяч лет назад, и его считали потухшим. А поскольку он, по общему мнению, не представлял опасности, то поблизости от него, приблизительно в двух километрах от ближайшего лавового потока, построили атомную станцию. Однако, когда мы провели более точный анализ, оказалось, что он извергался всего шесть тысяч лет назад, и, следовательно, является действующим. Наше открытие шокировало местное руководство. Но они отреагировали очень быстро и правильно: построили вблизи вулканологическую обсерваторию с обилием сейсмических станций, которые осуществляют мониторинг состояния недр и смогут заранее уловить сейсмическую активность, если вулкан начнет просыпаться.

–​ Какими методами и с какой степенью достоверности можно предсказать извержения вулканов?

–​ Предсказания – это из жизни магов и волшебников, а мы скромно даём некие рекомендации, которые считаем научно обоснованными и которые правильнее назвать прогнозом. Прогнозы бывают краткосрочными, среднесрочными и долгосрочными. Краткосрочный прогноз – это часы, дни, максимум одна неделя. При краткосрочном прогнозе мы стараемся уловить сигналы от движения магмы из глубины к поверхности. В основном используется сейсмический метод. Например, на Камчатке каждый день происходят сотни маленьких землетрясений. Они, как правило, не связаны с вулканизмом. Их можно засечь только приборами – сейсмографами, которые улавливают колебания грунта. Но когда мы видим, что где-то количество землетрясений повысилось, образовался так называемый рой землетрясений, мы предполагаем, что это связано с движением магмы. Как я уже говорил, когда магма движется из недр к поверхности земли, происходит растяжение земной коры и образуется трещина. Когда это происходит, земная кора тихонечко похрустывает, иначе говоря, происходят маленькие землетрясения. По мере продвижения магмы, эпицентры этих мелких землетрясений мигрируют из глубины к поверхности. Для прогноза нужно минимум три сейсмостанции на каждый вулкан, а лучше триста. Тогда мы можем определить местоположение очагов землетрясений с большой точностью, вычислить траекторию и скорость их продвижения, и, соответственно, прогнозировать, когда и где они (и, соответственно, магма) достигнут поверхности и произойдет извержение. При продвижении магмы поверхность земли ещё и немного деформируется, эту деформацию также можно зарегистрировать, например, при помощи прибора, называемого наклономер, или при помощи спутниковых снимков. Все эти методы позволяют делать краткосрочный прогноз извержений.

Долгосрочные прогнозы делаются на основании изучения прошлой активности вулкана и основаны на предположении, что такая же активность будет повторяться и в будущем. Прошлую активность вулкана можно узнать из исторических хроник, а если их нет, изучить геологическими методами. Понятно, что точность такого прогноза невелика и зависит от полноты знаний истории вулкана.

Если говорить о таком редком явлении, как извержения траппов, то это катастрофа планетарного масштаба, и они происходят так редко, что мы для текущего момента можем их исключить. А в остальных случаях вулканические извержения происходят, как правило, там, где они уже были в относительно недавнем прошлом. Как я объяснил выше, для вулканизма нужно плавление мантии и образование магмы, а плавится мантия там, где в нее попадают обломки земной коры, то есть на границах тектонических плит. Поэтому на Земле есть стабильные регионы, где извержения вулканов не ожидаются, и есть регионы повышенной тектонической и вулканической активности, где извержения происходят очень часто. Больше всего извержений наблюдается в пределах так называемого Тихоокеанского огненного кольца, включающего Японию, Курилы, Камчатку, Алеутскую островную дугу, Анды и так далее. В таких регионах должно осуществляться постоянное наблюдение за вулканами, чтобы избежать человеческих жертв.

– Можно ли сказать, что мы живем в относительно спокойное время и вулканическая активность сейчас выражена слабо?

–​ В целом уровень вулканической активности на планете держится примерно на одном уровне уже несколько тысяч лет. Уровень вулканической активности трудно оценить однозначно. Дело в том, что обычно на протяжении долгого времени на всей планете происходят относительно небольшие извержения. И вдруг на этом фоне происходит крупное извержение. Чем крупнее извержения, тем реже они происходят. Для каждой величины извержения существует своя частота. Например, на Камчатке четыре самых активных вулкана: Шивелуч, Ключевской, Безымянный и Карымский – уже в течение нескольких десятков лет находятся в состоянии практически непрерывных слабых извержений, которые не представляют опасности и о которых СМИ, как правило, даже не сообщают. Извержение вулкана Фаградальсфьядль пока что тоже является очень слабым. Хотя мы не знаем, как оно будет развиваться дальше и сколько может продлиться.

По общепринятой договоренности, крупным извержением считается извержение с объемом магмы 1 кубический километр и более. Например, объём продуктов извержения Везувия в 79 г. нашей эры, когда был разрушен город Помпеи, составил 4 кубических километра. Такие извержения происходят нечасто (примерно раз в столетие). А объем лавы вулкана Лаки в 1783 году составил 14 куб. км. Такие извержения происходят еще реже.

Но есть так называемые супервулканы – это вулканы, выбрасывающие 1000 и более км³ магмы. Последнее такое извержение случилось на вулкане Тоба на острове Суматра приблизительно 74 тысячи лет назад. Объем продуктов этого извержения составил приблизительно 2800 км³ – больше чем две горы Эверест. Большинство ученых считают, что его следствием стала “вулканическая зима”, длившаяся, по разным оценкам, от 6 до 10 лет и нанесшая сокрушительный удар по первой миграционной волне homo sapiens в Индии, а возможно, даже и людям в Африке.

К супервулканам также относят кальдеру Йеллоустоун, расположенную в США. Извержения этого супервулкана происходят в среднем приблизительно один раз в 600 000 лет. В последний раз такое случилось 640 000 лет назад.

– То есть с момента его последнего извержения прошло уже более 600 000 лет. Может ли он проснуться в ближайшее время?

–​ Это сложно прогнозировать. Йеллоустоун – это очень большая вулканическая система. Она постоянно проявляет некоторую активность, и геологическая служба США очень тщательно изучает ее поведение уже несколько десятков лет. Пока что активность держится на определенном среднем уровне и не увеличивается. У человечества нет опыта наблюдения за пробуждением таких крупных вулканов, например, мы не знаем, как пробуждался вулкан Тоба 76 тысяч лет назад. Мы не можем сказать, сколько продлится сегодняшнее спокойное состояние Йеллоустона. Пока признаков увеличения его активности не наблюдается, – рассказал Радио Свобода Александр Белоусов.