Итальянский вулкан Этна, несмотря на репутацию относительно спокойного, в прошлом переживал мощные извержения, и механизмы этих событий могут сильно различаться. Группа исследователей под руководством Корнеллского университета восстановила два крупных извержения Этны и выяснила, что магма поднималась к поверхности разными путями и с неодинаковой скоростью. Понимание этих различий, а также применённые методы, по мнению учёных, помогут усовершенствовать модели оценки рисков будущих извержений. Результаты работы опубликованы в журнале Geochemistry, Geophysics, Geosystems, а первым автором выступил бывший постдокторант Максим Гавриленко.
Проект возглавил Эстебан Газель, профессор имени Чарльза Н. Меллоуза в департаменте наук о Земле и атмосфере Инженерного колледжа Даффилда Корнеллского университета. Его исследования посвящены тому, как работают вулканы, в частности причинам, по которым одни извержения становятся взрывными. Взрывной характер зависит от текучести магмы и количества летучих веществ — газов, способных отделяться от магмы при изменении давления. «Представьте бутылку газировки. Если открыть её, не взбалтывая, можно спокойно выпить, но если встряхнуть, все пузырьки отделяются очень быстро, и происходит взрыв, — пояснил Газель. — Вулканы работают похожим образом, и моя лаборатория пытается количественно описать эти процессы».
Ключевыми летучими компонентами считаются вода и углекислый газ. Долгое время главную роль в запуске извержений отводили воде, однако в 2023 году группа Газеля показала, что взрывную активность может провоцировать и CO2. Вывод был сделан с помощью метода, который учёные разработали на основе рамановской спектроскопии: он позволяет изучать кристаллы, сформировавшиеся внутри магмы, и измерять микроскопические газовые пузырьки толщиной всего 1–10% от человеческого волоса. «Этот метод даёт плотность CO2, и с помощью уравнения состояния мы превращаем плотность в давление, а давление — в глубину, — рассказал Гавриленко. — Затем мы применяем эти приёмы к взрывным извержениям и можем реконструировать подводящую систему с беспрецедентной точностью».
Для исследования выбрали Этну как относительно простую систему, где преобладают вулканические газы. Одно из крупнейших известных извержений произошло в 122 году до нашей эры: оно было одновременно мафическим и плинианским. Мафическая магма обладает низкой вязкостью и богата магнием и железом, а плинианские извержения относятся к самому взрывному классу и названы в честь Плиния Старшего, описавшего извержение Везувия в 79 году нашей эры. Соавторы Терри Планк из Колумбийского университета и Брюс Хаутон из Гавайского университета в Маноа отправились на Этну, чтобы систематически собрать образцы. Анализ кристаллов показал, что в 122 году до нашей эры магма начала подниматься с глубины около 22 км, но вместо стремительного рывка к поверхности замедлилась и задержалась на глубине 2–5 км. Там она оставалась несколько недель, постепенно теряя газ, и лишь затем произошло извержение.
Затем новые измерения сравнили с данными другого извержения Этны — события Fall Stratified, случившегося почти 4000 лет назад. Оно пошло по совершенно иному сценарию: магма быстро поднялась из мантии с глубины примерно 24–30 км и изверглась в течение нескольких часов, а не недель. Такой стремительный подъём сопровождался значительно более высокой концентрацией углекислого газа. «Некоторые вулканы связаны только с высоким содержанием CO2, в основном на океанических островах, а другие, например в зонах субдукции, контролируются в основном водой. Этна — один из немногих вулканов мира, где конкурируют оба летучих компонента, — отметил Газель. — Это показывает, что при определённом пороге CO2 извержение идёт из большой глубины и очень быстро, но при более высоком пороге воды процесс контролируется на малых глубинах». Таким образом, баланс между углекислым газом и водой сильно влияет на развитие извержения: повышенный уровень CO2 гонит магму вверх из глубин, а вода приобретает значение, когда магма дольше задерживается на небольших глубинах.
Сейчас команда Газеля применяет тот же подход к вулканам Чили, Гавайев и других регионов. «В идеале это нужно сделать для каждого вулкана планеты, — сказал он. — Эти данные необходимы для физических моделей извержений, которые лежат в основе оценки рисков». Определяя, где начинается подъём магмы, как быстро она движется и какие газы им управляют, исследователи смогут строить более реалистичные модели опасных извержений. Отдельный культурный пласт связан с мифологией: в греческих преданиях Этна ассоциировалась с погребением гигантов Тифона и Энцелада после их поражения от олимпийских богов. Газель видит параллель между этими историями и подземными структурами, выявленными его группой. «Под Этной могут находиться два мифологических монстра, — сказал он. — Если посмотреть на подводящую систему плинианского извержения, она похожа на Тифона — вытянутая и извилистая, а другая — на Энцелада, потому что она меньше. Работая на Этне, трудно не соприкоснуться с историей, классическими трудами и великолепной кухней». В числе соавторов — постдокторанты Кайл Дейтон и Эллин Хаггинс, а также Анна Барт из Калифорнийского университета в Беркли. Исследование поддержано Национальным научным фондом.