Что скрывается под вулканами?

Геофизики рыщут по свету в поисках доказательств существования мантийных плюмов — возможного источника сильнейших вулканических извержений.

Этой осенью Карин Зиглох отправилась в плавание по Индийскому океану, чтобы проверить ловушки, которые она расставила годом ранее. Она охотилась не на глубоководных существ, а на кое-что ещё более глубокое и неуловимое — тонкий поток горячей породы, поднимающийся из недр планеты.

Г-жа Зиглох — геофизик из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана (ФРГ) — одна из тех, кто продолжает охоту на долгожданную добычу под названием мантийный плюм. Эти образования, кажется, питают ряд самых активных вулканов на Земле, а в прошлом, возможно, становились причиной самых масштабных извержений в истории. Например, тот, за которым следит г-жа Зиглох, был связан с извержениями в Индии 65 млн лет назад, которые, вероятно, способствовали исчезновению динозавров.

Мантийные плюмы могли бы также объяснить, почему гавайские вулканы и многие другие появляются в середине литосферных плит, а не только на их границах. Наконец, принося тепло, запертое в недрах Земли, плюмы, возможно, сыграли важную роль в эволюции планеты.

Изучение мантийных плюмов — одно из основных направлений геофизики с начала 1970-х. На их наличие указывают сейсмические волны, но остаётся неясным, например, насколько они глубоки и велики. И до сих пор некоторые специалисты не верят в их существование.

Вот почему г-жа Зиглох и Гилем Баррюоль из Реюньонского университета шесть недель занимались тралением глубин Индийского океана. Несмотря на плохую погоду, сбои оборудования и нападения акул, франко-германская команда вытащила все 57 сейсмометров, оставленных на дне осенью 2012 года. Приборы регистрировали сейсмические волны далёких землетрясений. Анализ вибраций позволит составить карту пород под Реюньоном и, возможно, увидеть каналы мантийных плюмов, ведущие к главному вулкану острова.

Если учёным улыбнётся удача, они опишут мантийные плюмы самым подробным образом в истории геологии. Тем самым будут получены ответы на ряд нерешённых вопросов о том, где возникают плюмы, поднимаются ли они вертикально, разветвляются ли непосредственно перед тем, как разорвать поверхность Земли. «Пока о плюмах рассуждают без непосредственного наблюдения, — отмечает г-н Баррюоль. — Наш эксперимент позволит наконец-то увидеть, есть ли там в действительности что-нибудь».

Спросите геофизика, сколько на свете мантийных плюмов, и ответ может быть любым — от нуля до нескольких десятков. Большинство учёных, однако, останавливается на 10–20 горячих точках, и почти все признают, что они расположены на Гавайях, Реюньоне и Тристане-да-Кунья в южной части Атлантического океана. Проблема в том, как именно эти регионы соединены с плюмами.

Ответить на этот вопрос можно с помощью землетрясений. Поскольку сейсмические волны медленнее проходят через расплавленную или мягкую породу, чем через твёрдую, исследователи могут вычислить разницу температур и плотности внутри Земли, проанализировав скорость, с которой сейсмические волны доходя до различных станцией после толчка. Это позволяет исследовать внешнюю кору планеты и мантию — всё вплоть до границы с ядром на глубине около 2 900 км.

Проблема в том, что сейсмические данные плохо отражают узкие образование, а диаметр плюмов, вероятно, составляет всего несколько сотен километров. Только попав в нижнюю литосферу, они расширяются, формируя головку плюма.

Остаётся охватить поверхность Земли как можно бóльшим числом инструментов. Такой подход хорошо зарекомендовал себя в таких местах, как Йеллоустонский национальный парк в штате Вайоминг, который, как полагают, тоже лежит на вершине мантийного плюма, ответственного за одно самых сильных извержений последних 2 млн лет. Эти данные были получены благодаря проекту EarthScope, существующему уже девять лет: временные сейсмометры были развёрнуты на пространственной сетке с шагом 70 км. Удалось обнаружить горячий, узкий восходящий поток с глубиной не менее 900 км.

Но многие мантийные плюмы лежат под океаном, а установка приборов на морском дне — задача более сложная и дорогостоящая. В начале 2000-х гг. г-н Баррюоль сделал первый шаг в изучении предполагаемого океанического плюма, развернув десять сейсмических станций на островах Французской Полинезии. Этого оказалось недостаточно, чтобы определить, есть ли восходящие потоки под южной частью Тихого океана.

В 2005 году сотрудники Гавайского университета и их коллеги повысили ставку, расположив 36 сейсмометров на дне океана вокруг Гавайских островов. По прошествии года их переместили и оставили ещё на год. Проект PLUME дал наилучшие на тот момент данные о строении недр Земли под Гавайями.

Но чем больше исследователи смотрели на гавайский плюм, тем более сложная картина вырисовывалась. Согласно классическим представлениям, струя горячей вязкой породы поднимается до нижней части литосферы, где растекается своего рода блином толщиной около 100 км, откуда просачивается вверх, подпитывая вулканы. Но на Гавайях обнаружилась неожиданная выпуклость глубоко под литосферой.

Геофизик Максим Баллмер из Гавайского университета считает, что дело в химии породы. Если плюм богат минералом под названием эклогит, который плотнее типичного материала мантии, он задержится на глубине около 400 км. Расплавленная порода будет там накапливаться и растекаться в горизонтальном направлении. Только после того, как снизу поступит достаточно тепла, порода, богатая эклогитом, в конце концов станет достаточно жидкой и начнёт подниматься тонкой струйкой.

Есть у Гавайев и другие причуды. Группа Кэтрин Райкерт из Саутгемптонского университета (Великобритания) обнаружили в данных проекта PLUME тёплый бассейн на глубине около 110–155 км, но он находится примерно в 100 км к западу от главного острова архипелага, а не под ним. Это может означать, что гавайский плюм изгибается по мере приближения к поверхности. То ли он наталкивается на какую-то химическую границу, то ли с самого начала поднимается не строго вертикально.

Проблема Гавайев в том, что они лежат в середине Тихого океана. Реюньон удобен тем, что рядом Мадагаскар, а там рукой подать до Африки, поэтому размещать сейсмические приборы легче. К тому же Зиглох и Баррюоль могут воспользоваться данными, полученными в Африке, на Мадагаскаре и островах Мозамбикского пролива в дополнение к своим собственным. В общей сложности в их распоряжении примерно 120 станций, покрывающих территорию 2 на 3 тыс. км.

Но даже при всём при этом Реюньон едва ли ответит на все вопросы, считает сейсмолог Сесили Вулф из Гавайского университета. А критики гипотезы плюмов заранее убеждены в том, что никакие новые данные не заставят их изменить точку зрения. По мнению одного из них, геофизика Уоррена Хэмилтона из Колорадского горного училища (США), «плюмологи» смогут разглядеть плюм в любом наборе данных.

Нет сомнений, плюмы сложнее, чем считалось поначалу. На этой неделе в Сан-Франциско соберётся Американский геофизический союз, и г-жа Райкерт планирует рассказать о своих открытиях. Она изучала Гавайи, Галапагосские острова, Исландию и область Афар на востоке Африки. Хотя специфическая техника позволяет обозреть лишь верхние сотни километров, на глубине около 100 км она обнаружила пруды расплавленной породы, подпитываемые плюмами. И они не всегда там, где их следовало бы ожидать.

На Галапагосах г-жа Райкерт выявила три таких бассейна: один в том месте, где в прошлом уже находили мантийным плюм, и два совсем в других локациях. Возможно, попадая в литосферу, плюмы «размазываются», направляясь в разные стороны и подкармливая разные вулканы.

Таковы поражающие воображение детали.

Зиглох и Баррюоль только на прошлой неделе бросили якорь на Реюньоне. Пройдёт не меньше года, пока они разберутся со всеми данными. Возможно, подводные ловушки поймали свою добычу.

Подготовлено по материалам Nature News.