Йеллоустонскую магму заподозрили в накоплении на малой глубине

С помощью сейсмотомографического моделирования ученые уточнили фазовый состав и картину распределения вещества в магматическом резервуаре под Йеллоустонской кальдерой. Выяснилось, что вещество с большей долей расплава концентрируется в 3–8 километрах от поверхности. Содержание жидкой фазы в этой магме оказалось выше, чем считалось ранее, и составило 16–20 процентов. Об исследовании сообщает статья в журнале Science.

Вулканические извержения, при которых объем выбросов превышает 1000 кубических километров, часто называют мега-, или суперизвержениями. Они не только производят разрушительные изменения на большой территории, но и оказывают глобальное воздействие на климат. Они могут происходить в зонах субдукции (например, извержение вулкана Тоба, случившееся 74 тысячи лет назад) или в областях внутриплитного магматизма, таких как Йеллоустонская горячая точка на северо-западе США. Она формирует континентальный супервулкан, питающийся главным образом из резервуара с кислой и вязкой риолитовой магмой, которая близка по составу гранитным породам. Разгрузка такого очага, как правило, происходит в форме чрезвычайно мощного взрыва.

Последнее катастрофическое эксплозивное извержение Йеллоустонского супервулкана произошло около 640 тысяч лет назад и предположительно состояло из двух событий, вызвавших последовательно две вулканические зимы. После опустошения магматического очага его риолитовая кровля просела, образовав огромную кальдеру площадью 7500 квадратных километров. Менее мощные извержения риолитовых лав случались и позднее, от 180 до 70 тысяч лет назад. Данные современных наблюдений за газовыми и гидротермальными выбросами, мониторинг смещений грунта и землетрясений говорят о том, что Йеллоустонский супервулкан остается активным до сих пор.

Чтобы более уверенно судить о состоянии супервулкана, ученые моделируют строение магматического очага и характеристик его содержимого, используя метод сейсмической томографии. Так, с его помощью удалось установить, что мантийный плюм под Йеллоустонской горячей точкой устроен сложнее, чем считалось раньше. Сейсмотомография основана на инверсии (обращении) данных о времени пробега сейсмических волн в количественное описание физических свойств геологической среды, например, плотности породы.

Карта распределения сетей сейсмических станций в районе Йеллоустонской кальдеры
Ross Maguire et al. / Science, 2022

Инверсия позволяет построить визуальную модель границ очага, определить состав вещества в нем и оценить фазовые отношения, то есть степень кристалличности магмы, и, следовательно, ее способности к перемещению. Считается, что при содержании кристаллов в среднем более 60 процентов магма начинает вести себя как твердое тело. Такую смесь называют «кристаллической кашей». Сейсмотомографическая модель, построенная для поперечных волн, показала, что под Йеллоустонской кальдерой и далеко за ее пределами существует обширная область, где они замедляются. Ее интерпретировали как большое магматическое тело, простирающееся на глубинах 5–15 километров, в котором на долю жидкой фазы приходится всего около 10 процентов. Однако из-за недостаточного разрешения эта модель страдала неточностью и не согласовывалась с данными петрологических исследований туфа из отложений последнего мощного взрыва Йеллоустонского супервулкана.

Для уточнения модели американские геофизики во главе с Россом Магуайром (Ross Maguire) из Иллинойсского университета применили метод полной инверсии поля поперечных сейсмических волн. В этом методе трехмерная численная модель многократно модифицируется путем сравнения с полевыми данными, включая сейсмические события, которые в стандартных алгоритмах трактуются как шум. После 10 итераций исследователи получили модель, в которой несоответствия с наблюденными данными были снижены на 50 процентов.

Карты распределения скоростных аномалий поперечных волн на различных глубинах в исходной численной модели (левый столбец) и в модели, оптимизированной методом полной инверсии (правый столбец)
Ross Maguire et al. / Science, 2022

По результатам моделирования выяснилось, что скоростные аномалии поперечных волн распределяются неоднородно. Наибольшее замедление волн (более чем на 30 процентов, до величины 2,3 километра в секунду), соответствующее увеличению доли жидкой фазы, обнаружилось ближе к поверхности, на глубинах от трех до восьми километров. Пиковое падение скорости ― до 2,15 километра в секунду ― ученые получили для пятикилометровой глубины в области, несколько смещенной к востоку от центра кальдеры. Эти значения коррелируют с петрологией туфов формации Лава-Крик, сформировавшихся из тефры последнего катастрофического извержения. По данным анализа, давление, под которым находился породивший их риолитовый расплав, составляло 80–150 мегапаскалей, а это соответствует диапазону глубин от трех до шести километров.

Зона постепенно убывающих отрицательных скоростных аномалий под кальдерой простирается до глубины около 35 километров. Кроме того, на сейсмотомограмме присутствуют и другие низкоскоростные области, расположенные в средних (около 20 километров глубины) и нижних (около 40 километров) слоях коры.

Скоростные аномалии поперечных сейсмических волн в томографической модели, построенной методом полной инверсии: A ― карта распределения аномалий на глубине пяти километров; B, C ― вертикальные разрезы по линиям X–X’ и Y–Y’ соответственно; врезка на (B) ― скоростной разрез в центральной части кальдеры. Серым цветом заштрихована область глубин, соответствующих данным петрологического анализа туфов. Кружками отмечены сейсмические события с магнитудой больше 3,0, зарегистрированные за последние 20 лет

Скоростные аномалии поперечных сейсмических волн в томографической модели, построенной методом полной инверсии: A ― карта распределения аномалий на глубине пяти километров; B, C ― вертикальные разрезы по линиям X–X’ и Y–Y’ соответственно; врезка на (B) ― скоростной разрез в центральной части кальдеры. Серым цветом заштрихована область глубин, соответствующих данным петрологического анализа туфов. Кружками отмечены сейсмические события с магнитудой больше 3,0, зарегистрированные за последние 20 лет
Ross Maguire et al. / Science, 2022

Вертикальные срезы сейсмотомографической модели на шести различных широтах

Это означает, что система магматических резервуаров Йеллоустонского супервулкана более сложна, чем полагали ученые до сих пор, и вещество в них дифференцировано по фазовому составу в зависимости от глубины. Наибольшее содержание расплавленной фазы Магуайр и его коллеги оценивают в 16–20 процентов ― выше, чем получалось в прежних моделях. Такая смесь все еще ведет себя как твердое тело, но ее дифференциация может отражать некоторую динамику в развитии магматического очага.

Ученые полагают, что он способен существовать в состоянии «кристаллической каши» не менее 100 тысяч лет, на протяжении которых должна медленно происходить фазовая дифференциация. По достижении порогового содержания расплава от 35 до 50 процентов магма обретет подвижность, и после этого взрывное опустошение резервуара произойдет сравнительно быстро, в ближайшие 5000 лет. Суммарный объем кислого расплава, по подсчетам исследователей, составляет не менее 1600 кубических километров.

Схема строения магматической системы под Йеллоустонской кальдерой (разрез по линии юго-запад ― северо-восток). Верхний резервуар заполнен кислой магмой; на врезке показаны кристаллические зерна, между которыми заключен расплав. В глубоком резервуаре ― предположительно базальтовая магма
Ross Maguire et al. / Science, 2022

Нельзя полностью исключать и вероятности ускоренной разгрузки магматического очага. Такой сценарий возможен при образовании небольших по объему «карманов» с концентрированным расплавом или в случае проскальзывания в вязкой высококристалличной среде из-за деформации. Однако авторы модели подчеркивают, что никаких непосредственных признаков приближающегося извержения она не выявляет, а лишь помогает детализировать картину строения и циклов активности Йеллоустонского супервулкана.