Незаметные землетрясения, геофизика и некоторые тайны камчатских недр

Из-за вулканов и связанных с ними магматических систем начинаются землетрясения, которые люди совсем не ощущают. Такие землетрясения геологи называют длиннопериодными, и механизм их возникновения не похож на «обычные» в нашем понимании землетрясения, которые вызваны тектоническими движениями литосферных плит и процессами, происходящими на их границах. Тем не менее, коллектив российских ученых выяснил, что длиннопериодные вулканические землетрясения, а, точнее, рост их активности, напрямую предвещают извержения вулканов, причем как крупные, так и совсем незначительные. Результаты наблюдений за вулканами на Камчатке опубликованы в журнале Nature GeoScience.

«Основные землетрясения обычно связаны с подвижками на тектонических разломах и вызваны напряжениями (которые возникают в результате движения литосферных плит, – прим. Indicator.Ru) в земной коре и литосфере. А под вулканами бывают другие землетрясения, обязанные своим возникновением движению магмы и изменениям давления в магматическом очаге. Длиннопериодные вулканические землетрясения наблюдаются по всему миру, но чаще всего они локализуются очень близко к поверхности, то есть на глубине первых сотен метров – километров. Но особенно интересны глубинные землетрясения: они соответствуют активизации наиболее глубокой части магматической системы и являются одними из самых первых предвестников грядущего извержения», — объясняет Николай Шапиро, доктор геолого-минералогических наук, руководитель гранта РНФ, ведущий научный сотрудник Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН и лаборатории сейсмологии Института физики Земли в Париже.

Один на всех

К Ключевской группе относится очень много вулканов, расположенных близко друг к другу. Многие ученые сходятся во мнении, что эту группу можно рассматривать в целом как одну вулканическую систему с единым глубоким очагом (или несколькими глубокими, но связанными между собой) и несколькими выходами на поверхность, которые и являются современными активными вулканами. Вулканы Ключевской группы имеют глубинный очаг, расположенный на глубине около 30 км, из которого магма через сложную систему каналов поднимается в более мелкие очаги, находящиеся под каждым вулканом. В статье рассматриваются три действующих вулкана Ключевской группы: Ключевской, а также Безымянный и Плоский Толбачик. Российским ученым удалось впервые установить, что перед извержением действующего вулкана (из рассмотренных ими) активизируется глубинный магматический очаг и связанные с ним землетрясения.

В течение двух лет геофизики вели наблюдения до большого извержения вулкана Плоский Толбачик, начавшегося 27 ноября 2012 года. Извержение было настолько выдающимся, что теперь носит имя Трещинное Толбачинское извержение им. 50-летия Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН (или Юбилейное трещинное Толбачинское извержение, ТТИ-50). Вулкан Безымянный за это время извергался три раза, причем извержения были небольшие, но все их удалось определить еще на глубине с помощью регистрации длиннопериодных землетрясений.

Как почувствовать незаметное

Силу землетрясения характеризует его магнитуда. Это энергетическая характеристика землетрясения. Сильнейшее землетрясение имело магнитуду около 9.5. Считается, что землетрясения на Земле не могут иметь магнитуду существенно выше этого значения, поскольку горные породы не могут накопить в себе больше энергии, не разрушившись при этом. Магнитуда длиннопериодных вулканических землетрясения, как правило, не превышает 2, единичные достигают 3. К тому же, поскольку эти землетрясения глубинные, обитатели Камчатки, совсем их не ощущают.

Ученые регистрируют длиннопериодные землетрясения так же, как и обычные — с помощью сейсмографов. Оборудование это не очень массивное, что позволило развернуть в разных частях Ключевской группы вулканов сеть наблюдений из двух десятков сейсмографов. Каждый сейсмограф регистрирует сейсмическую волну, или колебания, распространяющиеся во все стороны от очага землетрясения. Эта волна имеет определенную скорость, то есть она обязательно «придет» на все датчики, но в разное время. Таким образом, используя только сейсмические наблюдения, ученые определяют сигналы, соответствующие этим землетрясениям, а потом определяют местоположение источника колебаний, или гипоцентр землетрясения.

Особенность Ключевской группы вулканов в том, что там глубинных длиннопериодических землетрясений наблюдается много и случаются они часто.

В результате ученые обнаружили, что активность глубоких длиннопериодных событий увеличивалась в течение двух лет перед извержением Плоского Толбачика, что соответствует постепенной активизации и увеличению давления в глубоком магматическом очаге, который находится под вулканами Ключевской группы приблизительно на глубине 30 км, то есть на границе земной коры и мантии. Максимум сейсмической активности на глубине был достигнут за несколько месяцев до извержения Плоского Толбачика.

Наряду с регистрацией сигналов от глубинных длиннопериодных землетрясений геофизики измерили сейсмические сигналы от тех землетрясений, которые происходят в близко расположенных к поверхности магматических очагах под каждый вулканом. Ученые впервые обнаружили и доказали то, что глубинные и приповерхностные землетрясения связаны между собой: то есть землетрясениям на поверхности предшествуют землетрясения на глубине. Также удалось измерить время, которое необходимо для того, чтобы сейсмическая активность «перешла» с глубины на поверхность. Ученые интерпретировали эту миграцию как распространение давления в магматической системе.

«Можно сделать несколько интересных выводов. Во-первых, само по себе наблюдение глубоких длиннопериодных землетрясений действительно дает информацию об активизации глубоких частей магматической системы. А во-вторых, удалось установить связь между длиннопериодными землетрясениями на глубине и в неглубинном приповерхностном очаге и, таким образом, определить, какое время понадобилось для того, чтобы активность переместилась с глубины на поверхность. Мы измерили, что время между максимумами активности составляет около 2-3 месяцев. Скорее всего, именно такой временной интервал понадобился, чтобы давление в магматической системе распространилось с глубины до поверхности», — комментирует Николай Шапиро.

Почему интересно измерять это время? Дело в том, что под большинством вулканов невозможно регистрировать длиннопериодные землетрясения, поскольку большинство вулканических землетрясений происходит очень близко к поверхности, а глубинные землетрясения наблюдаются у очень малого количества вулканов. Это связано не с отсутствием глубинного очага, а, скорее всего, со скоростью его подпитки. Ключевская группа вулканов на Камчатке интересна тем, что она — одна из самых активных в мире, там глубинных длиннопериодных землетрясений наблюдается много, и случаются они часто. По-видимому, магма в этом районе поступает с глубины с гораздо большей скоростью.

Для того, чтобы давление распространилось с глубины 30 км до поверхности, может понадобится несколько недель или месяцев. Это очень медленно. Так происходит только в том случае, когда давление распространяется не напрямую через открытый магматический канал (как рисуют в учебниках и энциклопедиях), а через пористую среду. Оказывается, что иногда канал, через который с глубины поступает магма, бывает пористым, словно губка. В очаге на глубине существуют матрица (порода) и расплав. Поднимаясь вверх, расплав течет именно через поры в «губке» матрицы. Для подсчета размера пор и транспортных свойств питающей системы ученые использовали механические свойства магмы (у вулканов Ключевской группы она имеет базальтовый состав) и время ее подъема к поверхности. Зная время подъема магмы, можно рассчитать коэффициент диффузии, который связан с такими свойствами пористой среды, как коэффициент пористости и гидравлическая проводимость. Используя эти параметры, можно посчитать средний размер пор или каналов в такой среде. По расчетам ученых он составил нескольких сантиметров. Как отмечает Николай Шапиро, это согласуется с возможными размерами каналов, заполненных жидкой магмой в частично расплавленных зонах под вулканами.

«Точно предсказать, когда произойдет извержение после активизации глубинного очага, нельзя. Можно лишь приблизительно сказать, что если на глубине наблюдается увеличение активности длиннопериодных землетрясений (не просто землетрясения сами по себе, а именно увеличение их активности), то можно ожидать, что через несколько недель или месяцев произойдет активизация верхней части вулканической системы с возможными извержениями. На основе наблюдения активности на глубине невозможно предсказать, какой именно вулкан будет извергаться на поверхности. Точные прогнозы остаются за наблюдением активности приповерхностных землетрясений под конкретным вулканом», — сообщает Николай Шапиро.