Извержение вулкана Сейнт-Хеленс, 1980 г.
Вулканические извержения — самое яркое проявление подземных сил. Описанию извержений знаменитых вулканов от Везувия до Мон-Пеле, от Кракатау до Безымянного посвящены сотни книг, брошюр и статей. Интересующийся читатель может найти там и рассказ о том, как был засыпан раскаленным пеплом Везувия цветущий древнеримский город Помпея, и описание трагической гибели города Сен-Пьер на острове Мартиника, сметенного с лица Земли раскаленным облаком из кратера Мон-Пеле, и как на тихом кукурузном поле в Мексике за несколько недель возник и причинил много бед новый вулкан Парикутин. Незабываемы кадры великолепного фильма французского вулканолога Гаруна Тазиева «Встречи с дьяволом». Но как бы ни были занимательны описания исторических и современных катастроф, сейчас, во второй половине XX века, нас гораздо больше должны интересовать не последствия этих катастроф, а возможности их предупреждения. Поэтому, забыв на время о необычайных по красоте, но устрашающих по разрушительной силе вулканических извержениях, обратимся к не разгаданному еще до конца существу физико-химических процессов в верхних частях Земли, вызывающих извержение вулканов.
Сравнение на карте земного шара зон распространения глубоких землетрясений, современного активного вулканизма и неглубокой сейсмической активности (рис. 1) показывает, что по распространенности вулканизм занимает среди этих зон промежуточное положение. Это наводит на мысль, что вулканизм должен быть связан с процессами в верхних частях Земли, занимающих промежуточное положение и о глубине не таких больших, как зоны очагов глубоких землетрясений (300—750км), ной не такими мелкими, как основные разрывы в активных районах земной коры (0—50 км). Из рассмотрения этой же карты становится ясным и наличие глубоких связей между этими явлениями, а также горообразованием. Мы уже знаем, что это вызвано действием общего источника — процессами в верхней мантии.
Астеносфера — особый слой в верхней мантии на глубине 100—200 км, отличающийся относительно низкой скоростью распространения упругих волн и большим их поглощением. Вещество в астеносфере близко к расплавлению. Достаточно, например, небольшого снижения давления, чтобы такое расплавление произошло. Где же можно ожидать таких переменных условий? Очевидно, там, где мантия наиболее активна, где легко могут возникнуть колебания температуры и давления. В первую очередь, это очаговые зоны глубоких землетрясений, а также и другие зоны активного горообразования. Снятие напряжений в результате подвижек по глубинным разломам может способствовать образованию в астеносфере местного расплава, откуда магма начнет пробиваться наверх. На этом, однако, кончается прямая связь вулканов и землетрясений.
К сожалению, представление о неразрывности этих двух грозных явлений природы прочно укоренилось в сознании неспециалистов и десятилетиями кочует по страницам популярных журналов. Здесь мы должны оговориться сразу же: огромное большинство сильнейших землетрясений всего мира не сопровождалось никакими вулканическими явлениями (Чилийское землетрясение 1960 года является редким исключением). С другой стороны, вулканические землетрясения всегда сопровождаются слабыми землетрясениями и вулканическим дрожанием почвы (нам придется еще вернуться к этим явлениям), но по сравнению с «обычными» землетрясениями эти явления весьма слабы и могут отмечаться даже приборами лишь на небольшом расстоянии от источника.
Рис. 1. Зоны распространения на Земле неглубоких землетрясений (1), активных вулканов (2) и глубоких землетрясений (3)
Более того, исследования последних лет обнаружили ранее неизвестные закономерности. Казалось бы, что магма первичных очагов в астеносфере, пробиваясь наверх, должна избрать себе легкий путь — по системе разломов, порождающих землетрясения. Казалось закономерным, например, что вулканы Курильской гряды «сидят» в зоне землетрясений. Но детальные работы коллектива, руководимого сейсмологом С. А. Федотовым, показали, что зона разломов, к которой приурочены очаги землетрясений, выходит к поверхности Земли в районе континентального склона. А выходы вулканических каналов расположены много западнее, в стороне.
Извержение вулкана под водой выглядит впечатляюще
Не менее интересные результаты получил геолог А. В. Горячев, сравнивший распределение сейсмичности и современного вулканизма вдоль Курильской дуги. Оказалось, что там, где сейчас действуют вулканы, почти нет сильных землетрясений. И наоборот, на островах Курильской дуги, расположенных «напротив» зон самых сильных землетрясений, вулканы сейчас молчат.
Очевидно, мы можем представить себе процессы, ведущие к извержению, следующим образом. Пока в нашей зоне накапливаются большие напряжения, давление в недрах сравнительно велико. В какой-то момент предел прочности оказывается превзойден — возникает землетрясение. Нарастание напряжений продолжается, и сильные землетрясения следуют одно за другим. Постепенно, за сотни и тысячи лет эта зона оказывается раздробленной, напряжения в ней снимаются, а давление в недрах падает. Вот тут-то и «оттаивают» вулканические очаги, и магма с глубины около 100 км начинает искать себе кратчайший выход наружу. Во всей толще нашей зоны, расшатанной и раздробленной прежними толчками, ей нетрудно найти прямые каналы наверх. Где-то совсем недалеко от поверхности в подходящих местах образуются вторичные магматические очаги. Магма, попавшая сюда, уже не имеет того состава, что первичное вещество астеносферы: в своем пути наверх она теряла летучие вещества и воду и обогащалась более легкими породами, растворенными ею. Эти процессы будут повторяться и дальше вплоть до излияния преобразованной магмы — лавы — на поверхность Земли.
Но и в таком измененном виде вулканические лавы могут дать много ценного для понимания состава вещества недр и путей его развития.» Например, мы не знали бы ничего о глубинном базальте, если бы не громадные пространства в десятки тысяч квадратных километров, занятые базальтами, в короткое время излившимися сквозь жерла многочисленных вулканов одного из прошлых этапов развития Земли. Внимательное изучение излившихся магм — лав — и застывших внедрений их в окружающие породы — интрузий — это одно из важнейших средств изучения физико-химических процессов в верхней мантии Земли.
Вернемся, однако, к развитию вулканического процесса. По мере заполнения вторичного вулканического очага давление в нем растет. В этот период и становятся заметными первые признаки пробуждения вулкана — слабые вулканические землетрясения. Энергия этих толчков с течением недель и дней все нарастает и нарастает. Это пробивающаяся наверх лава сметает одну за другой преграды на своем пути.
Для каждого типа вулканов можно установить свою зависимость характера нарастания вулканических толчков со временем. Ведь вулканы в зависимости от состава лав и особенностей строения земной коры в данном районе извергаются по-разному. Если лава бедна окисью кремния, то вязкость ее невелика, она изливается спокойно, без сильных взрывов. Такая лава, застывая, образует базальт. Чем больше SiO2 содержит вещество лавы, чем «кислее» она, тем больше ее вязкость. В крайнем случае такая лава даже не вытекает из кратера, а выдавливается огромной вязкой пробкой. За такой пробкой под огромным давлением накапливаются выделившиеся из магмы раскаленные газы, и извержение в конце концов сопровождается огромным взрывом с выбросом раскаленных туч пепла и газа и разрушением кратера. Такие извержения наиболее опасны, и особенно важно предсказание момента их наступления.
И вот, оказывается, изучая последовательность сейсмических толчков перед извержением и сопоставляя эти данные с внешними проявлениями вулканической деятельности, удается найти признаки, по которым момент извержения предсказывается с небольшой ошибкой.
Вот, например, сопка Безымянная из Ключевской группы вулканов, изученная сотрудниками Вулканологического института на Камчатке. Здесь энергия вулканических толчков нарастает по строгому закону, и кривую нарастания можно определить наперед, после того как прошло достаточное число толчков. И если определено, что в какой-то день эта кривая достигнет максимума, то, отсчитав назад 6 дней, получают наиболее вероятное время извержения. И вулкан не подводит! Молодой вулканолог П. И. Токарев предсказал таким путем уже несколько извержений.
Такая работа особенно важна в Индонезии, Мексике и других странах, где внезапные извержения вулканов вызывают гибель людей и приносят огромные убытки. Население, несмотря на постоянную опасность, упорно не хочет покидать окрестности вулканов: ведь продукты извержений, разлагаясь, дают плодороднейшие в мире почвы, богатые питательными веществами и микроэлементами. Советские ученые активно участвуют в благородной деятельности международных научных организаций, направленной на уменьшение ущерба от извержений вулканов.
Найти на unnatural: Подземный огонь