Вулкан, который работает как насос: как Этна выкачивает магму с 80-километровой глубины

Вулкан Этна, расположенный на восточном побережье Сицилии, остается одним из самых сложных объектов для геологического моделирования. Будучи самым активным вулканом Европы, он демонстрирует поведение и химический состав пород, которые в корне противоречат классическим теориям вулканообразования.

Традиционные геодинамические модели не могли в полной мере объяснить, как Этна генерирует огромные объемы магмы специфического состава в условиях, которые для этого не предназначены. Однако недавнее исследование международной группы ученых из Швейцарии и Италии, опубликованное в научном журнале Journal of Geophysical Research: Solid Earth, предложило новую физическую парадигму. Исследователи доказали, что Этна не производит магму за счет локального повышения температур или активного плавления мантии в реальном времени. Вулкан функционирует за счет тектонического выдавливания уже существующего древнего расплава, который постоянно присутствует на границе между твердой литосферой и пластичной астеносферой.

Противоречие между тектоникой и геохимией

Начнем с базовых механизмов формирования вулканов. Глобально стратовулканы образуются в двух принципиально разных геологических условиях.

Первый тип связан с зонами субдукции — границами, где одна тектоническая плита погружается под другую. Погружающаяся плита уносит с собой в мантию воду, которая снижает температуру плавления окружающих пород. В результате образуется магма, формирующая вулканические дуги (по этому принципу работают вулканы Японии, Камчатки или Анд). Второй тип — это внутриплитный вулканизм, который возникает над восходящими мантийными плюмами. В этом случае горячее вещество поднимается из глубоких слоев мантии, давление падает, происходит декомпрессионное плавление, и на поверхности формируются такие структуры, как Гавайские острова.

С географической и тектонической точек зрения Этна находится над зоной субдукции: Ионическая тектоническая плита погружается под Евразийскую плиту. Исходя из этого, вулкан должен извергать породы, типичные для субдукционных зон (например, андезиты). Однако анализ лавы Этны показывает совершенно иной состав. Вулкан извергает щелочные породы, крайне богатые летучими компонентами, в первую очередь углекислым газом и водой. Такой химический профиль является маркером глубинного, внутриплитного вулканизма.

Дополнительную и самую серьезную проблему для геологов представляет объем извергаемого материала. Согласно законам геохимии, формирование щелочной магмы с высокой концентрацией несовместимых элементов требует крайне низкой степени частичного плавления мантийного источника — на уровне 1% или даже меньше. Если плавится больший процент породы, щелочные элементы разбавляются, и химическая сигнатура меняется. Но при степени плавления в 1% физически невозможно быстро генерировать большие объемы жидкой магмы. Тем не менее, Этна извергает порядка 0,01 кубического километра лавы в год, что на порядок превосходит показатели большинства классических внутриплитных вулканов. Существующие модели не могли объяснить, как столь низкая степень плавления может обеспечивать такой колоссальный и непрерывный выход материала на поверхность.

Зона пониженных скоростей как глобальный резервуар

В поисках решения этого геохимического парадокса авторы исследования предложили отказаться от идеи локального плавления мантии непосредственно под вулканом. Они обратили внимание на глобальную сейсмическую аномалию — Зону пониженных скоростей.

Зона пониженных скоростей — это слой в верхней мантии, расположенный на глубине от 70 до 100 километров. Он служит границей между жесткими литосферными плитами и подстилающей их пластичной астеносферой. Свое название зона получила благодаря тому, что проходящие сквозь нее сейсмические волны заметно теряют скорость. Геофизики интерпретируют это замедление как прямое свидетельство присутствия в твердой породе небольшого количества жидкой фазы — силикатного расплава, объем которого составляет доли процента.

Этот расплав образуется не из-за аномально высоких температур, а из-за присутствия в мантии воды и углекислого газа, которые локально снижают температуру солидуса (точку начала плавления породы). Жидкая фаза распределена в межгранулярном пространстве твердых пород и обеспечивает механическое разделение плит, делая возможным сам процесс тектоники плит.

Согласно предложенной физической модели, сложная геометрия столкновения тектонических плит в районе Сицилии приводит к сильному изгибу Африканской плиты. Этот изгиб создает колоссальное структурное напряжение в литосфере. Под воздействием механического давления и деформаций расплав, который обычно равномерно распределен в Зоне пониженных скоростей, начинает концентрироваться и мигрировать вверх. Система глубинных разломов, характерная для восточной Сицилии, формирует пути сброса давления. Так Этна использует тектоническое напряжение коры для извлечения готового материала из пограничного слоя мантии.

Физико-химическая эволюция каналов подъема магмы

Предложенная теория резервуара не только решает проблему объемов магмы, но и объясняет сложную историческую эволюцию Этны. Геологические данные показывают, что около 500 тысяч лет назад, на ранних этапах своей активности, Этна извергала совершенно другой тип пород — толеитовые базальты, причем в относительно небольших объемах. Резкий переход к массированным выбросам щелочной магмы произошел значительно позже, около 250 тысяч лет назад.

Исследователи объясняют эту трансформацию физико-химическими реакциями, происходившими глубоко в литосфере по мере подъема магмы. Литосферная мантия состоит преимущественно из породы под названием перидотит, ключевыми минералами которой являются ортопироксен и оливин. Когда самые первые порции щелочного расплава начали подниматься из Зоны пониженных скоростей, они не находились в химическом равновесии с окружающим их перидотитом.

В процессе подъема горячая щелочная жидкость вступала в активную реакцию с твердой породой. Расплав химически растворял ортопироксен и одновременно кристаллизовал оливин. Эта реакция имела два важных последствия, определивших всю дальнейшую историю вулкана.

Во-первых, поглощение ортопироксена сильно меняло химический состав самой магмы. Она обогащалась кремнеземом и теряла щелочность, превращаясь из исходного щелочного расплава в толеитовый. Именно поэтому древние извержения Этны представлены толеитовыми базальтами. На реакцию уходила энергия и часть материала, что объясняет малые объемы ранних извержений.

Во-вторых, длительное и непрерывное растворение ортопироксена привело к структурному изменению самих путей подъема магмы. За десятки тысяч лет поднимающийся расплав полностью вымыл ортопироксен вдоль линий разломов. В результате в литосфере сформировались высокопористые дунитовые каналы — зоны, порода в которых состоит практически исключительно из химически инертного оливина.

Как только эти дунитовые каналы были окончательно сформированы, процесс подъема магмы кардинально изменился. Свежая щелочная магма, поступающая из Зоны пониженных скоростей, больше не встречала на своем пути ортопироксен. Ей больше не с чем было реагировать. Благодаря этому расплав начал беспрепятственно и быстро подниматься к поверхности Земли, сохраняя свой исходный щелочной химический состав и высокую концентрацию газов. Отсутствие химического сопротивления и расширение каналов привели к многократному увеличению пропускной способности, что обеспечило переход Этны в фазу активного стратовулкана с огромными объемами извергаемого материала.

Фундаментальное научное значение модели

Предложенная физическая модель меняет базовое понимание того, как могут формироваться крупные вулканические системы.

Исследование доказывает, что для формирования гигантского стратовулкана не всегда требуется наличие мантийного плюма или прямое влияние погружающейся плиты в зоне субдукции. Тектонических деформаций и наличия глубинных разломов может быть достаточно для механического извлечения расплавов низкой степени плавления из глубоких слоев литосферы.

Кроме того, открытие превращает вулкан Этна в уникальный природный инструмент. Долгое время Зона пониженных скоростей оставалась объектом исключительно косвенных наблюдений, доступным только через анализ сейсмических волн и лабораторное моделирование. Благодаря специфической тектонике Сицилии, которая извлекает этот материал на поверхность, геологи получили возможность напрямую анализировать вещество, находящееся на глубине около 100 километров. Изучение химического состава лав и газов Этны теперь позволяет науке точно оценивать состав и физические свойства того самого расплава, который обеспечивает механическое скольжение тектонических плит в глобальном масштабе.

Источник:Journal of Geophysical Research: Solid Earth