Во взрывных извержениях внутриплитного вулкана Фогу обвинили углекислый газ

Ученые обнаружили большое содержание летучих компонентов, особенно углекислого газа, в составе расплавных включений в продуктах извержений вулкана Фогу в архипелаге Зеленого Мыса. По мнению исследователей, именно диоксид углерода, который отделяется от мантийного расплава на глубине 20–30 километров, вызывает быстрый подъем магмы с последующей мощной декомпрессией, ответственной за взрывной характер извержений Фогу. По-видимому, этот внутриплитный вулкан, расположенный на «горячей точке», питается непосредственно от мантийного источника, а не от промежуточного магматического резервуара в пределах коры. Об исследовании сообщает статья в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Поведение летучих веществ в магме (воды, углекислого и угарного газов, серы и ее соединений, «кислых дымов», содержащих хлор и фтор) ― это ключевой фактор динамики вулканических процессов. На больших глубинах, в условиях высокого давления, они растворены в мантийном веществе, но с понижением давления ближе к поверхности отделяются ― происходит дегазация магмы. Если отделение газов, среди которых, как правило, больше всего воды, затруднено, рост внутреннего давления приводит к взрывному извержению. Однако для понимания процессов дегазации и того, как они влияют на характер извержений, необходимо учитывать роль второго главного компонента летучей фазы ― двуокиси углерода.

Численное моделирование показывает, что повышенное содержание углекислоты в смеси CO2—H2O способствует дегазации на глубинах 30–35 километров. Оно встречается у некоторых вулканов в зонах субдукции и особенно характерно для вулканов в районах внутриплитного магматизма, где массовая доля летучих превышает пять процентов. Оценить концентрацию CO2 в магматическом очаге или мантийном расплаве по продуктам извержений трудно, так как в большинстве случаев магма к моменту достижения поверхности оказывается уже сильно дегазирована. О ее первоначальном составе можно судить лишь по расплавным включениям ― микроскопическим карманам магмы, захваченным в ходе роста кристаллов. Такие включения могут выноситься при внутриплитных извержениях с глубин, близких к границе Мохо.

Исследовать процессы дегазации при другой форме внутриплитного магматизма ― извержениях вулканов океанических островов ― взялись американские, британские, испанские и канадские геологи во главе с Эстебаном Газелом (Esteban Gazel) из Корнеллского университета. В качестве объекта исследования ученые выбрали расплавные включения в кристаллах оливина из тефры Фогу ― островного вулкана в составе архипелага Зеленого Мыса. Эта группа океанических островов сформировалась в ходе перемещения Африканской плиты над «горячей точкой» (hotspot) ― областью интенсивного магматизма, которую питает восходящий поток мантийного вещества. Образцы тонкой (с размером частиц до 2,8 миллиметра) тефры, отобранные в трех пунктах, происходят из отложений двух взрывов, произошедших предположительно в XV веке, и извержения 1951 года. Из частиц тефры были отобраны кристаллы оливина со стеклообразными расплавными включениями размером от 10 до 30 микрометров.

Для измерения концентрации CO2 ученые применили метод рамановской спектроскопии, а чтобы учесть углекислоту, затраченную на образование карбоната магния на стенках газовых пузырьков внутри включений, образцы подвергали нагреву. Состав стеклообразной части включений определили с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов. Массовая доля летучих веществ оказалась высокой: до 2,0 процента двуокиси углерода, около 2,8 процента воды, а также 6,0 промилле серы, 1,9 промилле фтора и 1,1 промилле хлора. Газел и его коллеги предположили, что резервуар, в котором происходила дегазация, содержал почти не дифференцированный расплав, близкий по составу к примитивной мантии.

Исследователи промоделировали различные сценарии образования пузырьков ― выделение газа при стекловании расплавного включения и одновременный захват растущим кристаллом газа и расплава. Рассчитав условия дегазации, они получили давление в диапазоне от 600 до 900 мегапаскалей, что соответствует глубинам 20–30 километров, то есть ниже границы Мохо (9–13 километров под вулканом Фогу). Уже в пределах коры скорость декомпрессии, рассчитанная по размерам включений и потерям воды, колебалась в пределах 0,005–0,05 мегапаскалей в секунду для извержений XV века и 0,0005–0,005 мегапаскалей в секунду в 1951 году. В первом случае магма поднялась от уровня границы Мохо самое большее за 22 часа, во втором ― за время от одного до девяти дней, по-видимому, задержавшись на короткий срок в небольшом промежуточном резервуаре.

Действительно, событие 1951 года было относительно слабым: показатель его силы по шкале вулканической активности оценивается как пограничный между VEI-2 и VEI-3. Взрывные извержения XV века, судя по более крупным шлаковым конусам, были значительно сильнее. Но во всех трех случаях начальный, глубинный этап дегазации связан с выделением большого количества CO2, обусловившим быстрый подъем магмы. Пока Фогу ― единственный вулкан океанических островов, для которого выявлена такая особенность подготовки извержений. Однако не исключено, что будущие исследования обнаружат аналогичное поведение и у других вулканов, и понимание того, как CO2 провоцирует взрывные извержения, поможет оценить их опасность.

Источник: N+1

Фото: N + 1; Charlotte DeVitre et al. / Proceedings of the National Academy of Sciences, 2023