Землетрясение может стать фактором извержения вулканов, считает международный коллектив ученых, опубликовавший результаты исследования в Journal of Volcanology and Geothermal Research. Коротко о работе рассказывает Science.

Извержение вулканаУченые давно заметили, что некоторые вулканические извержения случались после землетрясений, но довольно далеко от их эпицентров. Еще Чарльз Дарвин размышлял, нет ли связи между чилийским землетрясением 1835 года и извержением вулкана Осорно, произошедшим месяц спустя. Сравнительно недавнему извержению Маунт Пинатубо в 1991 году на Филиппинах предшествовало землетрясение магнитудой 7,7, эпицентр которого располагался в ста км от вулкана. В 2009 году вулканологи из Оксфордского университета (Великобритания) выяснили, что частота извержений вулканов в Чили значительно вырастала в течение 12 месяцев, следующие за любым землетрясением магнитудой 8 и более.

Связи между землетрясениями и извержения объясняют разными причинами. То шоковыми волнами, которые вызывают размягчение магмы, а то и подземными толчками, ускоряющими рост пузырей в магме и усиливающими давление магмы. Но почему только некоторые вулканы откликаются на землетрясения? Почему их реакция следует через несколько дней и даже месяцев после толчков? И почему такое разнообразие вулканических событий — от небольших всплесков газа до полноценных извержений?

В новой работе вулканологи под руководством Атсуко Намики (Atsuko Namiki) из Университета Хиросимы(Япония) предложили еще один механизм связи — плескание кипящей магмы. Ученые решили выяснить, какой эффект на жидкий расплав будет оказывать землетрясение. Они смоделировали в лаборатории эффект шоковой волны землетрясения на магматический очаг, используя прямоугольный бак, прикрепленный к трясущемуся столу. Вместо магмы они взяли плотный сахарный сироп и добавляли туда куски пластика разной формы, чтобы смоделировать взвешенные кристаллы горных пород, которые осаждаются в расплаве.

В магматическом очаге расплав расслаивается, поэтому ученые испытали плескание магмы в трех разных состояния: однослойный расплав в открытом баке, слой пенистой магмы в открытом баке и расплав, расслоенный на два слоя, включая поверхностную пену, в закрытом баке.

Выяснилось, что сильное плескание появляется, когда сотрясение бака идет с частотой близкой к частоте, при которой объект вибрирует. В слое пены при этом деформируются пузырьки вплоть до слипания, и тогда пена опадает. Пена с большими пузырями более склонна к опадению. В реальном вулкане этот механизм может увеличить перенос тепла в окружающие породы, усилив давление магмы и даже запустив извержение.

В двухслойной системе пена не просто проваливается. Остатки пены смешиваются с нижележащим слоем жидкости. В реальном магматическом очаге это может вызвать усиление кипения и давления магмы, тем самым увеличивая магматическую активностью. Это объясняет, почему вулканы изливаются месяцы спустя после землетрясения.

Используя результаты моделирования, ученые изучили реальные случаи, когда после землетрясения следовали извержения. Они обнаружили, что для жерла размером более полуметра нужны низкочастотные землетрясения — это помогает объяснить, почему только большие землетрясения способны запустить вулканическую активность. Авторы работы утверждают, что для типичной магмы в трехметровом жерле землетрясение магнитудой 7,5 взывает плескание и опадение пены, даже если очаг расположен в сто км от эпицентра.

Кроме того ученые предложили, что сферические магматические очаги размером в километр под вулканами должны резонировать с сейсмическими волнами, до тех пор, пока плотный слой магмы не заполнит значительную часть резервуара.

Источник: Научная Россия

Группа американских геофизиков из Института научных исследований Карнеги в Вашингтон (Carnegie Institution for Science) во главе с Александром Гончаровым ( Alexander Goncharov) провела эксперимент, смоделировав условия, в которых находится магма рядом с земным ядром. По результатам моделирования они пришли к выводу, что магма играет роль проводника тепла из ядра планеты к ее поверхности, что и обусловливает вулканическую активность там, где, согласно современным представлениям, ее быть не должно. Об этом рассказывает Science.

Они использовали стекло, сделанное на основе соединение железа и силикатов, для имитации глубинных слоев магмы и зажали его двумя алмазами, чтобы воспроизвести высокое давление в слоях, близких к ядру земли. В результате выяснилось, во-первых, что под воздействием жара и давления стекло абсорбировало все больше света, и, как предположили исследователи, его атомная структура должна была измениться.

Кроме того, они сделали вывод, что магма, находящаяся в нижней части мантии земли под высоким давлением, впитывает жар, исходящий от земного ядра и становится своеобразным проводником этого жара на земную поверхность, так как в этих частях магмы начинается процесс конвекции. Именно по этой причине, возможно, происходят вулканические извержения в тех местах, где нет разломов тектонических плит, и вулканов, теоретически, быть не должно — например, на Гавайях или в Йеллоустоне.

Александр Гончаров отметил, что три основных способа передачи тепла — кондуктивный и конвективный теплообмен, а также радиация, сегодня являются объектами внимательного изучения.

Новые данные, полученные в результате эксперимента, могут помочь по-новому взглянуть на процесс конвекции, и, может быть, и на процесс формирования и изменения магнитного поля земли.

Впрочем, выводы ученых из команды Гончарова, пока что приняты далеко не всем научным сообществом. В частности, их оппоненты отмечают, что условия эксперимента далеко не полностью соответствовали условиям внешнего слоя земного ядра.

Источник: Научная Россия

Давно известно, что золотые жилы формируются в минеральных отложениях горячих жидкостей, проходящих через глубокие трещины в земной коре. По новым данным, этот процесс может протекать практически мгновенно — возможно, в несколько десятых долей секунды.

Золотая жила. Фото Shutterstock.Это происходит вдоль трещин (fault jogs), соединяющих основные линии геологических разломов, поясняют Дион Уэзерли из Квинслендского университета (Австралия) и Ричард Хенли из Австралийского национального университета.

Во время землетрясений бока разломов скользят и трутся друг о друга, и такие трещины просто открываются. Учёные заинтересовались тем, что происходит с жидкостью, циркулирующей через трещины. Оказалось, что возникает быстрая разгерметизация, то есть в области высокого давления глубоко под землёй давление резко приближается к тому, что мы испытываем на поверхности. Например, землетрясение магнитудой 4 на глубине 11 км приводит к тому, что давление во внезапно раскрывшейся трещине снижается с 290 до 0,2 МПа (для сравнения: давление на уровне моря равно 0,1 МПа).

Когда минерализованная вода с температурой около 390 °C испытывает подобный перепад давления, жидкость быстро испаряется и минералы кристаллизуются почти мгновенно. Со временем из окружающих пород в щель просачивается всё больше жидкости, и первоначальное давление восстанавливается. Это не происходит одномоментно, и в промежутке возникает крошечная золотая жила.

Чем мощнее землетрясение, тем сильнее упадёт давление, но для золотой жилы это будет уже перебор. Для большого перепада достаточно маленького толчка. Например, при магнитуде 2, которую производит скольжение на 130 мкм вдоль 90 см разлома, давление уже скачет на 50%.

Вот почему породы с отложениями золотосодержащего кварца часто «отделаны» паутиной крошечных золотых жил. «В каждой зоне разлома ежегодно происходят тысячи и сотни тысяч небольших землетрясений, — отмечает г-н Уэзерли. — За сотни тысяч лет крошечные золотые жилки складываются в нечто большее».

Теперь вы знаете, где искать золото, но Такааки Тайра из Калифорнийского университета в Беркли (США) полагает, что польза от исследования этим не ограничивается. Модели землетрясений практически не учитывают давления жидкости при прогнозировании афтершоков, и новые данные могут это исправить.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Geoscience.

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА

«Многие думают, что пришёл дьявол. Некоторые считают, что это начало конца света». Для Джорджа Генриха Криста, который написал это 23 января 1812 года, землетрясения, разорвавшие долину реки Миссисипи, были совершенно необъяснимым явлением.

Прошло два столетия. Можно ли говорить о том, что сейчас человечество приблизилось к пониманию подобных катаклизмов?

Гавайский вулканизм — нерешённая проблема традиционной теории тектоники плит. (Фото Richard A. Cooke III / Getty Images.)Разрушительные землетрясения, произошедшие на Среднем Западе США, где им, казалось бы, неоткуда было взяться, не единственная загадка из числа тех, что по сей день мучают геологов. «Ископаемый» ландшафт у западного побережья Шотландии, подводные вулканы в южной части Тихого океана, вспученная земля на юге Африки — повсюду мы видим примеры того, что одной теории тектоники плит явно недостаточно.

Новая серия исследований намекает на то, что ответ лежит гораздо глубже. Возможно, геология на пороге открытий, которые встряхнут науку так же, как теория тектоники плит сделала это полвека назад.

Главная идея этой теории заключается в том, что верхний слой Земли (группа пород, уходящая на глубину до 60–250 км) состоит из нескольких относительно жёстких частей, которые плавают на вершине вязкой мантии. Впервые эту мысль о литосфере высказал в 1912 году немецкий геофизик Альфред Вегенер. Опираясь на распределение окаменевших останков животных и растений, он предположил, что некогда на планете существовал единый континент Пангея, который распался на нынешние материки примерно 200 млн лет назад.

Учёный не смог описать механизм подобного движения, и его гипотеза подверглась осмеянию. Но постепенно накопился корпус доказательств правоты Вегенера, и в 1960-х исследователям пришлось наконец-то признать, что тектоника плит способна не только объяснить многие особенности рельефа Земли, но и тот факт, что сейсмическая и вулканическая деятельность планеты сосредоточена в основном вдоль определённых полос, которые резонно считать границами между литосферными плитами.

Кое-где плиты раздвигаются. На суше это приводит к образованию рифтовых долин, а на дне океана — к выходу мантийного материала, который, застывая, творит новую кору.

В других местах плиты давят друг на друга, порождая горные цепи или ныряя друг под друга в зонах субдукции. В последнем случае это приводит к появлению глубоких желобов в океане.

Теория оказалась настолько удачной, что к ней стали относится едва ли не с религиозным благоговением. «Все глаза устремились к горизонтальному движению, и учёные пропустили кое-что ещё более интересное», — отмечает геолог Ники Уайт из Кембриджского университета (Великобритания).

Речь идёт о том, что происходит глубоко внутри Земли, далеко за пределами стандартной тектонической теории. Американский геофизик Джейсон Морган , пионер современного взгляда на тектонику плит, в 1970-х годах одним из первых придрался к собственной теории, занявшись вулканизмом на Гавайских островах. Этот архипелаг расположен за тысячи километров от границ Тихоокеанской плиты, на которой он сидит. Теория тектоники плит объясняет местный вулканизм тем, что в этом месте плита почему-то тонка, из-за чего мантийный материал и вырывается наружу. Морган обратил внимание на идею, высказанную ранее канадским геофизиком Джоном Тузо Уилсоном, о струе мантийного материала, которая по неизвестным причинам прокладывает себе путь наверх.

Гипотеза шла против течения, поэтому с ней начали всерьёз работать только в середине 1980-х, когда сейсмические волны открыли нам много нового о внутренней части планеты. Дело в том, что эти волны распространяются с различной скоростью через материалы различной плотности и температуры.

Составленные на основании новых данных трёхмерные карты были грубыми и нечёткими, но они свидетельствовали о том, что динамика мантии намного сложнее, чем было принято считать. Со временем удалось обнаружить два огромных скопления очень горячего и плотного термохимического материала в нижней части мантии близ границы с расплавленным ядром. Один находится в южной части Тихого океана, а другой — под Африкой. Каждый имеет несколько тысяч километров в поперечнике, и над каждым возвышается столб горячего материала, который, кажется, растёт по направлению к поверхности.

Это могло бы объяснить, почему дно в центре южной части Тихого океана примерно на километр возвышается над окружающей местностью. То же самое можно сказать и об Африке. «Весь регион от Конго до Южной Африки, включая Мадагаскар, словно подпирается этим плюмом», — говорит г-н Уайт.

Затем удалось выявить мантийные столбы поменьше под Исландией и Гавайями, что объясняет и появление этих островов, и их вулканизм. В то же время у берегов Аргентины морское дно, напротив, уходит вниз почти на километр, за что, по новым данным, несёт ответственность холодный и нисходящий поток в мантии. Аналогичное явление происходит в Африке: на вершине огромного восходящего потока обнаружены восходящие и нисходящие струйки поменьше, которые соответствуют местным особенностям топографии.

Короче говоря, куда ни посмотри — всюду вертикальное движение, перестраивающее поверхность Земли.

Остаётся, правда, неясным, что за механизм лежит в основе этих процессов. Стандартная теория тектоники плит гласит, что материал, погружаясь в мантию в зонах субдукции, возвращается на поверхность благодаря вулканической активности вблизи той же зоны или дальше, на границах плит (см. инфографику выше; высокое разрешение здесь ). Однако, по новым данным, значительная часть материала той плиты, что подходит под другую, отправляется в нижнюю мантию. Как указывает Дитмар Мюллер из Сиднейского университета (Австралия), мантии необходимо сохранить баланс массы, поэтому этот материал или его эквивалент надо вернуть наверх.

Но как именно? Моделирование, проведённое в прошлом году Бернхардом Штайнбергером из Германского исследовательского центра наук о Земле и его коллегами, показало , как субдуцированная плита, продвигаясь к границе между мантией и ядром, раздвигает материал вокруг себя. Как только последний попадает в термохимическое скопление, начинают формироваться восходящие потоки. «Как видим, плюмы образуются более или менее в одних и тех же местах», — подчёркивает г-н Штайнбергер. Например, модель говорит о том, что погружение плиты под Алеутскими островами близ Аляски питает мантийный поток под Гавайями.

Тем временем Клинт Конрад из Гавайского университета в Маноа (США) и его коллеги смоделировали эффект движения тектонических плит, пока мантия движется в другом направлении. Они обнаружили: если подобный эффект имеет место в регионе, где плотность мантии варьируется или вышележащая плита имеет неодинаковую толщину, это может привести к тому, что мантийный материал будет плавиться и подниматься. Данная модель совершенно верно предсказала, что вулканы должны появиться на западе, а не на востоке Восточно-Тихоокеанского поднятия — срединно-океанического хребта, который идёт примерно параллельно западному побережью Южной Америки. Сейсмические измерения показывают, что мантия и часть плиты к западу от хребта движутся в противоположных направлениях, а мантия и часть плиты к востоку — нет. Модель также предсказывает, что этот эффект имеет наибольшую силу в западной части США, на юге Европы, в Восточной Австралии и Антарктиде, то есть в районах вулканической активности за пределами границ литосферных плит.

Если динамика глубинного строения Земли способна изменить рельеф поверхности сегодня, то это верно и для вчерашнего дня. Но в то время, как палеонтологическая и геологическая летописи способны рассказать нам о континентальном дрейфе далёкого прошлого, сейсмические измерения работают только здесь и сейчас.

Впрочем, г-н Уайт и его коллеги обнаружили некоторые намёки на историю у западного побережья Шотландии. Они устроили несколько взрывов и по сейсмическим волнам выявили «ископаемый» ландшафт, которому около 55 млн лет. Он изобилует холмами, долинами и речными руслами, залегая на глубине 2 км под морским дном.

Изучая изменения русла рек, учёные смогли показать, что когда-то этот ландшафт поднялся примерно на километр над уровнем моря, после чего был вновь погребён. Всё это произошло слишком быстро, чтобы уничтожение гор можно было списать на тектонику плит и эрозию. Скорее всего, дело в мантийной струйке, отклонившейся от того плюма, что питает исландские вулканы. «Представьте себе, что под ковром пробежала крыса: ковёр поднялся и опустился», — поясняет учёный.

Группа г-на Мюллера пришла к выводу, что аналогичное вертикальное движение имело место в Восточной Австралии в меловом периоде (65–145 млн лет назад).

Даже то, что раньше, казалось бы, полностью опиралось на теорию тектоники плит, теперь выглядит по-другому. Например, считается, что Гималаи сформировались 35 млн лет назад, когда Индийская плита врезалась в Евразийскую. Однако тектоника плит никак не объясняет того, что плита развила фантастическую скорость в 18 см в год (вместо обычных восьми).

Стивен Кейнд и Дейв Стегман из Института океанографии Скриппса (США) полагают , что и тут не обошлось без мантийного плюма. Кстати, именно он считается источником масштабного извержения, сформировавшего Деканские траппы около 67 млн лет назад.

Аномальная и временами разрушительная сейсмичность Среднего Запада США тем временем может объясняться как раз тектоникой плит и распространением поверхностного напряжения, но и здесь имела место вертикаль. В 2007 году Алессандро Форте из Университета Квебека (Канада) и его коллеги возложили ответственность на древнюю плиту Фараллон, которая начала опускаться в мантию вдоль западного побережья Северной Америки во время мелового периода. Моделирование показало, что к настоящему времени плита ушла достаточно глубоко, чтобы вызвать даунвеллинг долины реки Миссисипи и деформацию вышележащей литосферы, что и привело к катастрофическим землетрясениям двухсотлетней давности.

Не все согласны с новой теорией. Джиллиан Фулгер из Даремского университета (Великобритания) утверждает , что область вокруг Исландии, например, не горячее остальной части Срединно-Атлантического хребта. Топография Исландии и тамошняя вулканическая активность могут адекватно объясняться тектонической активностью на границе плит без привлечения плюмов. Она и её коллеги также отмечают, что, хотя сейсмические волны и впрямь медленнее путешествуют под Исландией, Гавайями и другими «горячими точками», эта аномалия не наблюдается на всём пути к нижней мантии.

Энтузиасты полагают, что со временем будут получены более чёткие сейсмические данные, которые подтвердят новую теорию. Например, в США разворачивается проект EarthScope , который покроет сейсмографами всю страну. Хорошо бы сделать что-то подобное в Африке и на дне Тихого океана. А ещё лучше — на всей планете!

Источник: КОМПЬЮЛЕНТА