Океаны плачут магмой

Исследователи, изучающие магматизм срединно-океанических хребтов в Тихом океане утверждают, что «спусковым крючком» для начала извержения являлись тектонические напряжения. Ученые обнаружили, что извержение в Восточно-Тихоокеанском поднятии происходило быстро: большая часть лавы излилась за 48 часов, а не в течении нескольких месяцев, как считалось ранее.

Наблюдать подводные извержения воочию сравнительно трудно, поэтому знания человечества об этом процессе основаны на дистанционных, геофизических наблюдениях. Кроме того, есть места, где извержения, подобные океаническим (так как тоже связаны с раздвижением литосферных плит) наблюдаются на суше. Это происходит только в Исландии и во впадине Афар (Восточная Африка). Объектом исследования статьи, опубликованной в журнале Nature, были высокоскоростные океанические рифты. Ученые искали ответ на вопрос: что вызывает вулканические извержения в океане? Какой фактор является главным: давление магмы в очаге или тектонические напряжения, возникающие из-за движения литосферных плит?

«Срединно-океанические хребты обычно рассматриваются как вулканы морского дна, работающие так, как на суше, — рассказал ведущий автор исследования Иен Джо Тан, аспирант Земной обсерватории Ламонта-Доэрти Колумбийского университета (США). — А мы говорим о том, что они должны рассматриваться как "слезы" океанической коры, возникающие в тех местах, где она трескается, а магма вытекает наружу».

Кто куда, а океан — под континент

Срединно-океаническими хребтами называются вулканические горные цепи, протягивающиеся более чем на 40000 км по всем океанам планеты. Как можно догадаться из их названия, в большинстве случаев они находятся визуально посередине всех известных океанов. Или когда-то это место было серединой. В геологическом времени они извергаются непрерывно, а в обозримых человеку временных рамках они всего лишь сохраняют активность. Из самого центра протяженных хребтов извергается лава, то есть эти вулканы «плоские», в отличии от более привычных наземных вулканов (Ключевской сопки, например), имеющих конусообразный вид, жерло и кратер — все, как положено.

Нужно уточнить, что есть четкие различия между лавой и магмой. Магма состоит не только из расплава, а включат в себя минералы, которые успели в ней кристаллизоваться, и летучие вещества (флюиды), растворенные в расплаве. А лава — это лишь магма, извергшаяся на поверхность земли. Ложем океанов является поверхность земли, поэтому из срединно-океанических хребтов (сокращение СОХ у геологов уже стало нарицательным) извергается лава. Постоянно поступающие новые и новые порции расплава «расталкивают» две части морского дна (по обе стороны от вулкана) в разные стороны. Таким образом, дно океана непрерывно раздвигается и «плывет» в сторону континентов. Это явление, раздвижения литосферных плит, сопровождающееся большими объемами подводных извержений, носит название «спрединг».

Можно подумать, из-за раздвижения океанических литосферных плит должен бы происходить постоянный прирост земной коры океанического типа (континентальные и океанические плиты имеют принципиальные отличия), но площадь океанов не увеличивается, так как край океанической плиты, примыкающий к континенту, погружается под более массивную и одновременно более «легкую» (имеющую низкую плотность) континентальную кору. Этот процесс называется субдукцией. Таким образом океаническая литосферная плита погружается обратно в недра земли, в глубины земной мантии.

Ученые до сих пор обсуждают, какой фактор является первостепенным для начала извержения в СОХ. Давление магмы, как считают некоторые исследователи, является основным, но не единственным. Океанические плиты может раздвигать сила, которую специалисты называют «plate pull»: погружающийся под континент край плиты медленно тянет остальную часть за собой. Этот процесс и имеется в виду под тектоническим напряжением.

Т-волны в охоте за магматическим очагом

В попытке разрешить вопрос, как соотносятся роли магмы и стрессового давления (одностороннее давление, связанное с тектоническими направленными движениями), Тан и его коллеги проанализировали извержение, которое произошло, как считалось ранее, в 2005-2006 годах вдоль хорошо изученного сегмента Восточно-Тихоокеанского поднятия. Команда исследователей проанализировала данные гидроакустического оборудования и сейсмометров (приборов, фиксирующих колебания), установленных на морском дне вдоль поднятия. Полученные данные по гидроакустическим и сейсмическим волнам анализировались совместно с закартированными лавовыми потоками, оставшимися после извержения (картирование производилось при помощи подводных камер).

В статье приводятся данные, которые были получены океаническими сейсмометрами, расположенными на морском дне (ocean-bottom seismometers, OBSs). Лишь три сейсмометра «выжили» в лавовом потоке при извержении и не сломались. С их помощью удалось зафиксировать сейсмическую активность 22 января 2006 года (серию необычных землетрясений с магнитудой около 2). Такие землетрясения обычно обязаны своим появлением с разрывом сплошности породы образованию разломов и трещин, через которые будет извергаться лава.

Только десять подводных извержений на сегодняшний день охарактеризованы с помощью гидроаккустической аппаратуры (фиксирующей гидроаккустические Т-волны), способной обнаружить слабые землетрясения, определяющие процесс подъема магмы к жерлу вулкана и расположение магматических очагов. Т-волны были одновременно зафиксированы в четырех не связанных друг с другом областях, каждая из которых представляет собой зону длиной 5 километров вдоль 35-километрового разлома.

При нанесении координат расположения зафиксированных Т-волн на карту лавового потока оказалось, что они совпадают и таким образом их связь была обоснована. Ученые интерпретировали это следующим образом: первая серия землетрясений (более сильных сейсмических толчков) знаменует образование разлома, находящегося над магматическим очагом. Затем через образовавшийся разлом поднимается магма (этот процесс подтверждают Т-волны), и происходит извержение. По мнению авторов, магматическое давление не является пусковым механизмом для извержения, доказывая это тем, что T-волны пришли одновременно от четырех разобщенных в пространстве магматических источников, расположенных вдоль разлома.

С помощью сейсмических данных ученые смогли понять, что извержение в Восточно-Тихоокеанском поднятии было инициировано несколькими магматическими очагами по пять километров каждый. Тектонческие напряжения играли первостепенную роль и привели к возникновению разлома в СОХ длиной 35 км, практически параллельного оси хребта. Поэтому даже в крепких СОХ, характеризующихся высокой скоростью спрединга, начало извержения может быть связано с накоплением тектонических напряжений и с образованием трещин, а не с избыточным давлением в магматической камере.

«Этот вопрос был из серии "курица или яйцо", — сказала соавтор статьи Майя Толстой, морской геофизик в Обсерватории исследования Земли Ламонта-Доэрти. — Есть две разные силы (магматическое давление и тектонические напряжения), задействованные в процессе, и сложно сказать, какая из них играет ключевую роль в «запуске» извержения. При этом теперь мы можем свидетельствовать в пользу одной доминирующей силы, так как наблюдали серию извержений из нескольких магматических камер, происходящих в одно и то же время».

Ученые обнаружили, что большая часть извержений происходит быстро, в течение 48 часов, а не в течение нескольких месяцев, как считалось ранее. Авторы утверждают, что согласно их наблюдениям около 85% лавы извергается в течении первых двух дней, а оставшийся объем — в течении следующей недели. На основании полученных данных был сделан вывод о том, что извержение происходило с 22 января 2006 года в течение недели, а не с мая 2005 по апрель 2006 года. Извержения произвели около 22 миллионов кубических метров лавы: этого достаточно, чтобы покрыть 13 футбольных полей слоем толщиной 300 метров. В среднем скорость извержения составляла 10 кубометров в секунду.