Поведение вулканов связали с состоянием магмы в резервуаре

Характер извержения вулкана определяют кристалличность, содержание растворенных летучих веществ и воды в расплаве в магматическом резервуаре. К такому выводу пришли вулканологи, проанализировав 245 извержений 75 вулканов в зонах субдукции. Эксплозивные извержения типичны для магм с содержанием растворенной воды в диапазоне от 4 до 5,5 процента и кристалличностью менее 30 процентов. Все остальные условия, а именно более высокая кристалличность, содержание растворенной воды менее 3,5 и более 5,5 процентов, благоприятствуют эффузивной активности. Исследование опубликовано в Nature Geoscience.

С ростом численности населения вулканы угрожают все большему числу жизней. Сегодня не менее 29 миллионов человек живут в 10 километрах от действующих вулканов, около 800 миллионов — в пределах 100 километров. Потенциальную опасность диктует тип извержения. Эксплозивные извержения укрывают пеплом огромные территории, уничтожая посевы и приводя к человеческим жертвам. Они также влияют на глобальные температуры и биогеохимические циклы. Потоки лавы во время эффузивных извержений, как правило, менее опасны, и их воздействие сосредоточено в регионе рядом с вулканом. Однако большинство вулканов могут проявлять как эффузивное, так и эксплозивное поведение, иногда одновременно.

Характер извержения в значительной степени определяют процессы в магмаподводящем канале. При больших давлениях вулканические газы полностью растворены в магме. Во время подъема магмы к поверхности давление падает, летучая компонента теряет свою растворимость и начинает выделяться в виде пузырей. Дальнейшая динамика извержения зависит от того, остается ли газ в магме или покидает расплав. В первом случае растущие пузырьки газа фрагментируют колонну магмы, высвобождая энергию для эксплозивной активности. Во втором случае дегазация нейтрализует взрывной потенциал магмы, что приводит к эффузивным извержениям со спокойным выливанием лавы. Выявление факторов, которые контролируют переход между двумя типами извержений, остается предметом многочисленных исследований.

Ученые из США и Швейцарии, которых возглавил Разван-Габриэль Попа (Răzvan-Gabriel Popa) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха, попробовали ответить на вопрос: можно ли предугадать характер извержения, изучив предэруптивное состояние расплава в магматическом резервуаре. Для этого были проанализированы опубликованные данные по 245 извержениям (133 эффузивных и 112 эксплозивных) 75 вулканов. Группа вулканологов отобрала вулканы с неглубокими магматическими камерами (давление около двух килобар) в зонах субдукции и оставила извержения со средними (содержание кремнезема 52-63 процента) и кислыми (63-78 процентов) магмами.

Исследователи реконструировали предэруптивные условия (температуру, содержание растворенной воды и кристалличность) расплава в магматических резервуарах. Температура магмы определяется как температура расплава перед началом извержения. Этот параметр был рассчитан при помощи минеральных геотермометров. Содержание растворенной воды в магмах было вычислено с применением геогигрометра. Также было учтено содержание H2O в расплавных включениях в пирокластических породах. Кристалличность расплава была определена как содержание кристаллов, фенокристов, в магме в момент начала извержения.

Данные 245 извержений показывают, что частота эксплозивных событий резко снижается при кристалличности более 40 процентов, в то время как эффузивные извержения происходят во всем диапазоне (0-55 процентов). Магмы, которые приводят к эксплозивным событиям, хранятся в ограниченном интервале температур, между 770 и 900 градусов Цельсия. Для эффузивных извержений характерен более широкий интервал температур (700-1000 градусов Цельсия), с максимальной частотой событий при температуре менее 800 и более 850 градусов Цельсия.

Гистограммы с распределением кристалличности (а) и температуры (б) магм и типов извержений

Эксплозивные извержения связаны с ограниченным диапазоном условий: низкая кристалличность расплава (менее 30 процентов) и содержание растворенной воды 4-5,5 процента. Содержание H2O менее 3,5 процента недостаточно для того, чтобы вызвать эксплозивные извержения в исследуемых средних и кислых магмах, если только не задействованы внешние факторы (например, обрушение вулканической постройки). Исследователи объясняют это тем, что расплавы с низким содержанием растворенной воды насыщаются на небольших глубинах в магмаподводящем канале. Пузырьки газа подвергаются меньшей декомпрессии, и это ограничивает их возможность «дробить» магму. Таким образом магматические системы с низким содержанием воды обладают низким потенциалом взрывных извержений.

Корреляция эффузивных (красные символы) и эксплозивных (синие) извержений с кристалличностью расплава и содержанием растворенной воды

Магмы с кристалличностью выше 40 процентов извергаются в основном эффузивно, независимо от содержания воды. Такое поведение магм высокой кристалличности, вероятно, вызвано эффективной дегазацией во время подъема расплава к поверхности. Выделению газа способствует высокая объемная вязкость магмы. Она ограничивает скорость подъема и дает дополнительное время пузырькам газа для выхода из расплава.

Авторы пришли к выводу, что в большинстве случаев, особенно при отсутствии внешних факторов, характер извержения предопределен состоянием магмы в неглубоком резервуаре. Исследователи считают, что необходимо учитывать кристалличность магмы, содержание растворенной воды и водонасыщенность расплава перед извержением. Более точные оценки этих параметров на действующих вулканах в сочетании с геофизическими инструментами помогут улучшить прогноз извержений.