14 апреля на японском острове Кюсю произошло землетрясение магнитудой 6,2. А два дня спустя были замечены столбы дыма над вулканом Асо, который находится в 42 километрах от эпицентра землетрясения. Связаны ли два этих события? Авторы нового исследования пришли к выводу, что способность землетрясений вызывать извержения вулканов на значительном расстоянии от эпицентра действительно существует.
Споры между учеными относительно этой проблемы длятся давно. Связь землетрясений и извержений вулканов хорошо известна, но не подвергается сомнению она, когда эти катастрофические события происходят в одном месте, так как и те, и другие связаны с границами тектонических плит. Способность землетрясений действовать на вулканы на расстоянии не столь общепризнанна.
Но еще Чарльз Дарвин высказал гипотезу, что чилийское землетрясение 1835 года, разрушившее города Концепсьон и Талькауано, вызвало и извержение вулкана Осорно, которое Дарвин наблюдал месяц спустя. «Судя по проявившейся по всей этой цепи явлений тесной и сложной связи между подъемлющей и эруптивной силами, - писал Дарвин, - мы можем уверенно заключить, что те силы, которые медленно или небольшими скачками подъемлют материки, и те, которые заставляют вслед за тем вулканические вещества изливаться из открытых кратеров – тождественны» (перевод С. Л. Соболя).
В 1990 году на Филиппинах произошло землетрясение магнитудой 7,7. Через некоторое время в 100 с лишним километрах от его эпицентра началось извержение вулкана Пинатубо. В 2009 году Дэвид Пайл (David Pyle) и его коллеги из Оксфордского университета показали на основе многолетних данных, что количество извержений чилийских вулканов возрастает в течение года после любых землетрясений магнитудой 8 или выше.
Ученые предложили несколько гипотез, объясняющих дальнее действие землетрясений на вулканы. Согласно одним предположениям, сейсмические волны снижают плотность магмы, делая извержение более вероятным. Согласно другим, после землетрясений увеличивается количество пузырей газа в магме, что влечет увеличение давления магмы и повышает риск извержения. Однако никому не удалось в полной мере объяснить, почему на землетрясения реагируют конкретные вулканы, от чего зависит временной промежуток между землетрясением и извержением, который может составлять от нескольких дней до месяца, и, наконец, чем определяется сила реакции вулкана: от крошечных выбросов газа до полномасштабного извержения. Чаще всего, по словам Дэвида Пайла, вулканологи полагали, что потенциал связи между землетрясением и вулканом определяется состоянием вулкана до землетрясения и степенью насыщенности газом магмы.
Фото: Wikimedia Commons
Теперь предложена новая модель дистанционного действия землетрясений, в которой причиной извержений вулканов названо колебательное движение “газированной” магмы. Данный тип движения (sloshing, в русской терминологии «плескание») хорошо изучен гидродинамикой, в ее разделе, где рассматриваются движения жидкости в контейнере и поверхностные явления в этой жидкости. Изучение плескания жидкостей необходимо для многих задач техники, например, при конструировании танкеров и автомобилей, перевозящих жидкости в цистернах, или в металлургическом производстве.
Ацуко Намики из Университета Хиросимы обратила внимание на разрушения нефтехранилищ, которые возникали из-за колебаний в них нефти во время землетрясений. Он предположил, что сходную природу могут иметь и извержения вулканов, следующие за землетрясениями. Чтобы подтвердить эту гипотезу, Ацуко Намики и ее коллеги из Немецкого центра наук о Земле в Потсдаме провели эксперимент с «магматической камерой». Они использовали прямоугольный резервуар, установленный на вибростенде. Роль магмы играл густой сироп глюкозы, а кусочки пластика неправильной формы имитировали кристаллы горных пород, образующиеся в магме.
Для плескания магма должна иметь поверхность и пространство для перемещения, так что этот процесс может происходить только в частично заполненном резервуаре, каким может выступать магматический канал вулкана, который связан с поверхностью. Также на возникновение колебательных движений магмы влияет наличие твердых фрагментов, которых должно быть не слишком много. Однако плескание может возникнуть и в полностью заполненных резервуарах – «магматических камерах», если в магма в них имеет различную плотность. Вулканологи полагают, что во многих случаях слой более легкой магмы, в которой есть много пузырей газа, лежит над слоем более плотной магмы. В этой ситуации нижний слой может совершать колебательные движения, вытесняя более легкую магму в другие камеры.
Исследователи в своем эксперименте рассмотрели три возможных ситуации: открытую камеру с одним слоем жидкости, открытую камеру со вспененной жидкостью и закрытую камеру с двуслойным содержимым, где насыщенная газом жидкость располагалась над плотной жидкостью. Для каждого из трех вариантов они провели ряд тестов, изменяя плотность и вязкость “магмы”, количество твердых фрагментов, объем фракции газа, частоту и амплитуду вибраций. Каждый вибрационный тест длился 10 минут.
Они обнаружили несколько интересных эффектов. Как и предполагали ученые, значительное увеличение колебаний жидкости происходило, когда частота вибраций приближалась к резонансной частоте данной жидкости. Во вспененном слое это деформирует пузырьки газа, разрушает их стенки, заставляя объединяться. В результате этого пена разрушается. Особо восприимчивыми к этому оказались тонкие слои пены с крупными пузырьками газа. В реальных вулкана, по мнению исследователей, выход горячих газов из разрушенной вспененной магмы в закрытом резервуаре может увеличить передачу тепла окружающим породам, а также увеличить давление магмы и даже вызвать извержение.
Кроме того, в случае двуслойной магмы верхний вспененный слой будет не только разрушаться, но и передавать часть пузырьков газа и твердых фрагментов вниз, в более плотную магму. Это увеличивает долю газа в нижнем слое, что может привести к медленному росту давления магмы и, в конечном итоге, повышать вулканическую активности, приводя к извержению спустя какое-то время.
Ацуко Намики и ее коллеги просчитали условия, которые могут привести к разрушению вспененного слоя в реальной магме. Согласно их расчетам, для вулканических жерл шире 0,5 метров необходимы низкочастотные сейсмические волны. Это помогает объяснить, почему только крупные землетрясения замечены в том, что вызывают вулканическую активность. По словам Намики, для магмы в типичном канале вулкана трехметровой ширины землетрясение магнитудой от 7,5 будет вызывать плескание магмы и разрушение пены на расстоянии до 100 километров. Также более крупные, до километра в ширину, магматические камеры, расположенные под вулканами, могут резонировать с сейсмическими волнами, если плотный слой магмы заполняет их до определенного уровня.
Дэвид Пайл, комментируя результаты исследования, назвал их весьма интригующими и отдельно заметил, что они являются проверяемыми. Вулканы, извержения которых были вызваны колебательными движениями магмы, будут извергать породы, содержащие химические и структурные свидетельства того, что они образованы в смеси вспененной и более плотной магмы. Если такие вулканические продукты будут обнаружены, это станет подтверждением предложенной модели.
Статья Ацуко Намики и ее коллег опубликована в Journal of Volcanology and Geothermal Research.
