Древний апатит из вулкана поставил под сомнение многолетнюю теорию извержений

Спросите любого вулканолога, что вызывает извержение, и большинство ответит, что это так или иначе связано с пузырьками. Десятилетиями считалось, что мощные извержения происходят, когда из поднимающейся магмы выделяются такие газы, как диоксид углерода и водяной пар — подобно шипению при откупоривании бутылки шампанского. Однако анализ древнего извержения в Японии позволяет предположить, что ученые, возможно, трактуют процесс с точностью до наоборот: триггером извержения может стать резорбция пузырьков, то есть их обратное растворение в расплаве.

Выводы, бросающие вызов устоявшимся догмам, изложены на страницах Nature Communications. «Это смена парадигмы или, по крайней мере, иной взгляд на то, как газ может на самом деле способствовать запуску вулканических извержений», — оценивает их вулканолог Оливье Бахманн из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

Геохимический архив

Изучать причины извержений непросто — они скрыты глубоко в недрах. Здесь на помощь ученым приходят минералы в выброшенных вулканами породах. Один из них — апатит, который по мере роста включает в свою кристаллическую решетку такие элементы, как хлор и фтор. Поскольку хлор и фтор относятся к летучим веществам, легко переходящим в газ, их присутствие означает, что магма была насыщена пузырьками. Кроме того, о составе расплава можно судить по содержанию магния. Одним словом, настоящий геохимический архив.

Апатит хорош тем, что «запоминает всю историю» извержения, подтверждает Бахманн: он обладает «огромным потенциалом для разгадки некоторых тайн магматических очагов».

Вулканолог Франциска Келлер из Тринити-колледжа в Дублине, ученица Бахманна, взяла образцы апатита из пород, найденных в кратере японского вулкана Асо — одного из крупнейших в мире. По данным аргон-аргоновой датировки (⁴⁰Ar/³⁹Ar — один из самых точных методов для вулканических пород), одни были выброшены мощным извержением около 86 000 лет назад, другие — в ходе более скромного извержения примерно на 5000 лет раньше.

Более древние образцы показали, что пузырьки, как и ожидалось, в магме были. Но судя по апатиту из крупного извержения, пузырьки исчезли.

«Все считают, что если есть пузырьки — их должно становиться все больше. Но чтобы они вдруг исчезали — об этом никто толком не думал», — говорит исследовательница.

Келлер и ее коллеги провели моделирование, чтобы воспроизвести давление, которое испытывал вулкан, исходя из свойств газов и магмы, зафиксированных в кристаллах апатита. Лучшее объяснение перевернуло традиционные представления о механизме извержений.

Новая теория

Согласно новой модели, начало извержения происходит, когда в вулканическую систему из глубинных недр Земли поступает свежая магма. По мере ее подъема давление снижается, что приводит к выделению мельчайших газовых пузырьков, которые могут вырастать до сантиметров в размерах. Начиная с 1980-х годов ученые полагали, что эти пузырьки увеличивают объем системы, постепенно наращивая давление до тех пор, пока вулкан не взорвется.

По мнению команды Келлер, важнее другое: насколько сильно магму можно сжать. Пузырьки увеличивают объем, но добавляют расплаву определенный запас сжимаемости, позволяющий ему умещаться в подземной тесноте. А когда они растворяются, магма становится менее сжимаемой, и давление стремительно растет.

«Априори [эта идея] имеет смысл», — полагает геофизик Катрин Аннен из Института геофизики Академии наук Чешской Республики. Ее недавние исследования вулканов показали, что пузырьки в магме образуются медленно, что заставило ее «уже тогда несколько усомниться в том, что летучие вещества управляют системой по принципу скороварки».

Что дальше

Нужно гораздо больше исследований, прежде чем вулканологи откажутся от устоявшейся теории о пузырьках, в первую очередь потому, что извлечение количественных данных о древних газах из апатитов — задача чрезвычайно сложная, говорит геолог Фил Шейн из Оклендского университета.

Келлер надеется проверить свою теорию на других вулканах и объединить усилия с учеными, изучающими предвестники извержений. Резорбция газов в магме может играть роль в любом вулкане, но особенно подходящей эта идея кажется ей для крупных — таких как Асо, которые плохо изучены из-за редкой активности.

«Думаю, мы будто забываем о супервулканах, потому что есть маленькие системы, как в Исландии, которые извергаются раз за разом. А эти гиганты... они стоят себе, вроде как дремлют, но однажды проснутся и извергнутся», — заключила Келлер.