Под Италией обнаружили скрытый супервулкан размером с Йеллоустон, который ни разу не извергался

Итальянский регион Тоскана известен не только своей историей и сельским хозяйством, но и уникальной геологической зоной Лардерелло. На этой территории из-под земли веками выходят горячие газы и водяной пар, а с начала двадцатого века местная геотермальная энергия используется для промышленной выработки электричества. Геологи всегда понимали, что для постоянного нагрева огромных объемов воды требуется мощный источник тепла глубоко в земной коре. Однако до недавнего времени у научного сообщества не было точных данных о том, что именно находится под этим регионом и каковы реальные масштабы этого геологического объекта.

В исследовании, опубликованном в журнале Communications Earth & Environment, международная группа ученых представила подробную трехмерную карту земной коры под Тосканской магматической провинцией. Данные показали наличие гигантского резервуара частичного расплава магмы. Его объем превышает 5000 кубических километров, что ставит эту подземную систему в один ряд с крупнейшими вулканами планеты — такими как Йеллоустон в США, Тоба в Индонезии или Таупо в Новой Зеландии.

Проблема геотермального градиента и отсутствие извержений

С научной точки зрения регион Лардерелло выглядит довольно странно. Огромные магматические резервуары такого объема обычно оставляют явные следы на поверхности земли. Когда магма прорывается наружу, происходят массивные извержения, после которых порода проседает, образуя обширные впадины — кальдеры. Именно так выглядят все известные супервулканы. Только вот в Тосканской магматической провинции подобных структур нет. Вулканическая активность здесь исторически минимальная: последнее извержение небольшой горы Амиата произошло более 200 тысяч лет назад и сопровождалось лишь незначительными выбросами породы.

При этом данные, полученные при бурении геотермальных скважин, показывают на то, что там проходят экстремальные термические процессы. Геотермальный градиент — показатель того, насколько повышается температура при углублении в землю, — в зоне Лардерелло составляет более 150 градусов Цельсия на каждый километр. Для сравнения, в геологически стабильных регионах этот показатель редко превышает 30 градусов на километр.

В ходе бурения исследовательской скважины Venelle-2 геологи зафиксировали самые высокие показатели. На глубине 2,8 километра температура горных пород достигла 512 градусов Цельсия, а давление составило 42,5 мегапаскаля. При таких физических условиях вода больше не может существовать ни в жидком, ни в газообразном состоянии. Она переходит в так называемое суперкритическое состояние. В этой фазе вещество приобретает плотность жидкости, но при этом способно расширяться и заполнять пространство как газ. Суперкритические жидкости обладают высокой химической агрессивностью и способны эффективно растворять минералы в горных породах. Поддержание таких условий на глубине всего трех километров невозможно без прямого теплового воздействия крупного магматического тела.

Сейсмическая томография: как исследовать недоступные глубины

Исследовать магматические резервуары напрямую с помощью бурения невозможно: при температурах выше 500 градусов Цельсия металлическое оборудование начинает деформироваться и плавиться. Поэтому для изучения глубинных структур геологи используют методы сейсмологии.

В данном исследовании ученые применили метод сейсмической томографии по фоновому шуму. В период с сентября 2020 года по сентябрь 2021 года в регионе была развернута сеть из более чем 60 широкополосных сейсмометров. В отличие от классической сейсмологии, которая регистрирует волны от крупных землетрясений, этот метод анализирует постоянный низкочастотный гул планеты. Этот микросейсмический шум создается океанскими волнами, атмосферными перепадами давления и антропогенной деятельностью.

Суть метода заключается в том, что скорость распространения сейсмических волн напрямую зависит от физических свойств среды, через которую они проходят. Поперечные сейсмические волны быстро распространяются в твердой, холодной и плотной горной породе. Однако, если порода нагрета или содержит жидкие включения, скорость волны резко падает. Если же среда становится полностью жидкой, поперечные волны перестают проходить через нее совсем.

Компьютерный анализ того, как микросейсмический шум проходит между различными датчиками на поверхности, позволил ученым вычислить скорость волн на разных глубинах и построить трехмерную модель коры до глубины 15 километров.

Структура и масштабы тосканской аномалии

Построенная модель выявила обширную зону аномально низких скоростей сейсмических волн (менее 1.25 километра в секунду), начинающуюся на глубине около 8 километров. Дальнейшие расчеты показали, что эта аномалия представляет собой гигантскую многоуровневую систему расплавленной породы.

Ученые выделили внутреннее ядро резервуара объемом около 3000 кубических километров. В этой зоне температурные условия такие, что доля жидкого расплава превышает 80%. Ядро окружено более обширной внешней оболочкой (так называемой кристаллической кашей) объемом еще около 5000 кубических километров. В этой зоне магма уже начала остывать, и жидкая фаза составляет лишь около 20% от общего объема, перемежаясь с твердыми кристаллами.

Верхняя граница этой термической аномалии поднимается довольно высоко, формируя структуру, которую геологи называют К-горизонтом. Она располагается на глубине всего 3-4 километров под геотермальным полем Лардерелло. Именно близость этой магматической структуры к поверхности земли нагревает подземные воды, обеспечивая работу геотермальных электростанций.

Химический состав и механика стабилизации

Главный вопрос, на который нужно было ответить исследователям: почему резервуар, сопоставимый по размерам с Йеллоустоном, не приводит к катастрофическим извержениям на территории Италии? Все дело кроется в химическом составе горной породы и ее физических свойствах.

Процесс образования магмы в Тосканской провинции отличается от того, что происходит на стыках литосферных плит или над глубинными мантийными плюмами. Магма здесь образуется в результате плавления древних осадочных пород земной коры. Этот процесс, называемый анатексисом, приводит к формированию пералюминиевых гранитоидов — расплава, содержащего очень высокий процент кремнезема и алюминия.

Высокая концентрация кремнезема формирует прочные молекулярные связи внутри расплава, что делает такую магму особенно вязкой. Из-за своей вязкости она теряет способность быстро продвигаться вверх сквозь трещины в земной коре. Поднимаясь из глубины, эта магма сталкивается с более холодными верхними слоями коры, теряет температуру и останавливается.

Постепенно остывая, верхний слой магмы кристаллизуется и превращается в твердый массив горной породы — плутон. Этот твердый слой физически блокирует путь для новых порций расплава, поднимающихся снизу. Происходит процесс нисходящей аккреции: магматический резервуар растет не вверх, пробивая поверхность, а накапливается под уже застывшей породой, увеличиваясь вглубь коры.

Вместо того чтобы высвободить геологическое напряжение через извержение, система работает в режиме непрерывного рассеивания энергии. Тепло от глубинной магмы передается циркулирующим вокруг подземным водам. Формируются региональные потоки горячих жидкостей, которые выходят на поверхность по краям магматической аномалии. Именно эти химические реакции и гидротермальная активность приводят к постоянным выбросам углекислого газа и образованию масштабных отложений травертина (известкового туфа) по всей южной Тоскане.

Научное значение результатов

Долгое время наличие масштабных объемов частичного расплава в земной коре считалось индикатором высокой вероятности извержений. Но данные из Италии демонстрируют, что при определенных геохимических условиях — в частности, при высокой вязкости расплава — даже самые крупные магматические системы могут оставаться стабильными на протяжении сотен тысяч лет.

Такие запертые системы не накапливают критическое давление, а функционируют как стабильные геотермальные источники, сбрасывающие энергию через циркуляцию перегретой воды. Детальное картирование границ и структуры тосканского магматического резервуара не только решает давний геологический вопрос этого региона, но и предоставляет специалистам точные данные для оценки потенциала глубинной геотермальной энергетики в будущем.

Источник:Communications Earth & Environment