Міжнародна команда вулканологів з Університету Манчестера з’ясувала, що прихований ефект екстремального нагрівання всередині магми може пояснити, чому одні вулкани викидають у небо вражаючі фонтани лави, а інші вивергаються значно спокійніше. Як повідомляє ScienceDaily, експерименти показали, що перегріта магма здатна відкладати початок кристалізації більш ніж на вісім годин, тоді як у неперегрітій магмі кристали з’являються вже приблизно за 20 хвилин.
Що таке перегрів магми і чому він важливий
Магма — це суміш розплавленої породи, газів і часто твердих кристалів під поверхнею Землі. Коли вона виливається назовні, її називають лавою. Зазвичай поведінку магми пояснюють її температурою та хімічним складом, але нове дослідження додає ще один ключовий чинник — «температурну історію» перед виверженням.
Команда досліджувала зразки вулканічного матеріалу з виверження Тахогаїте 2021 року на острові Ла-Пальма (Іспанія). Вони виявили, що процес «перегріву» може істотно сповільнювати утворення кристалів у магмі під час її підйому до поверхні.
Перегрів виникає, коли магма досягає температур, вищих за ті, за яких її кристали зазвичай залишаються стабільними. За таких умов мікроскопічні «зародки» кристалів розчиняються, а внутрішня структура розплаву стає більш однорідною і менш сприятливою для зародження нових кристалів.
Ці зміни мають значення, оскільки кристали сильно впливають на в’язкість магми, тобто на те, наскільки легко вона тече. Чим більше кристалів, тим густішою і «тяжчою» стає магма, а це визначає швидкість її підйому та шлях, яким виходять вулканічні гази.
За словами провідної авторки, дослідниці Барбари Бонеккі (Barbara Bonechi), історія росту кристалів і бульбашок у магмі може суттєво контролювати характер виверження саме через вплив на в’язкість. Раніше динаміка кристалізації у магмах, що отримали порцію перегріву безпосередньо перед підйомом, була вивчена недостатньо.
Експерименти, що показали восьмигодинну затримку
Щоб з’ясувати, що відбувається всередині перегрітої магми, науковці відтворили умови, подібні до вулканічних, у лабораторії, використовуючи матеріал з Ла-Пальми. Є підстави вважати, що магма під час того виверження зазнала перегріву ще до виходу на поверхню і вже під час підйому через земну кору.
Експерименти проводили за суворо контрольованих температур і тисків, що відповідають умовам глибоко під землею. На установці Diamond Light Source дослідники застосували синхротронну рентгенівську мікротомографію, щоб у режимі реального часу відстежувати формування кристалів усередині зразків. Потужне рентгенівське випромінювання дозволило отримувати тривимірні зображення внутрішньої будови магми без її руйнування.
Це стало можливим завдяки спеціально створеному «прозорому» для рентгену високотисковому контейнеру, який витримує вулканічні умови, але не блокує промені. Додаткові експерименти у Празі дали змогу спостерігати за зразками протягом триваліших періодів поза установкою для безперервної візуалізації.
Поєднання цих методів показало разючу різницю: магма без перегріву починала кристалізуватися приблизно через 20 хвилин, а за сильного перегріву поява нових кристалів відкладалася більш ніж на вісім годин. Така затримка означає, що перегріта магма може довго залишатися відносно «чистою» від нових кристалів і, відповідно, рідшою, ніж очікувалося.
Як перегріта магма створює лавові фонтани
Наступний крок дослідження — моделювання того, як ці лабораторні результати впливають на поведінку реальних вулканів. Вчені заклали виміряну затримку кристалізації в комп’ютерні моделі підйому магми крізь земну кору, де поступово змінюються її властивості.
Моделювання показало два контрастні сценарії. Якщо через перегрів кристали з’являються пізніше, магма довше зберігає рухливість, може підніматися швидше і легше виносити гази. У таких умовах зростає ймовірність утворення вражаючих лавових фонтанів, коли гази виштовхують розплавлену породу високо над жерлом.
Якщо ж кристалізація починається раніше, магма густішає, рухається повільніше, а вулканічні гази встигають поступово вийти. Тоді замість фонтанів відбуваються переважно спокійні, ефузивні виверження, коли лава просто витікає назовні і розтікається по схилах.
Результати свідчать, що навіть за схожого складу магми та подібних газових умов два вулкани можуть демонструвати кардинально різну картину вивержень саме через відмінності у попередньому нагріванні магматичної системи.
Нове уявлення про оцінку вулканічних ризиків
Для оцінки вулканічних небезпек критично важливо розуміти, що відбувається з магмою до того, як вона досягне поверхні. Науковці відстежують землетруси, деформації ґрунту та склад газів, щоб заздалегідь виявляти зміни в активних вулканах. Проте передбачити точний характер майбутнього виверження досі непросто.
Нове дослідження показує, що вплив перегріву та момент початку кристалізації варто активніше враховувати у прогнозних моделях. Знання того, наскільки сильно і коли саме нагрівалася магма, може допомогти краще інтерпретувати сигнали моніторингу та оцінити, чи схиляється система до потужних фонтанів лави, чи до відносно спокійних потоків.
Автори підкреслюють, що температура сама по собі не визначає вибуховість виверження. Йдеться про ще один важливий елемент складної фізичної мозаїки, яка формує вулканічну активність. Співавторка Маргеріта Полаччі (Margherita Polacci) зазначає, що нинішні моделі ризиків зазвичай зосереджені на хімії магми, вмісті газів та змінах тиску. Нові результати свідчать, що попередня теплова історія і кінетика кристалізації також можуть суттєво впливати на швидкість підйому магми і тип виверження, що має безпосереднє значення для оцінки небезпеки вулканів.