Ученые из Манчестерского университета вместе с коллегами из других стран выяснили, почему похожие по составу вулканы извергаются по-разному – одни спокойно изливают лаву, а другие выбрасывают ее фонтанами высоко в небо. Оказалось, что на сценарий извержения влияет сильный перегрев магмы до того, как она начинает подниматься к поверхности: избыточное тепло на много часов тормозит рост кристаллов и сохраняет расплав жидким. Статью об этом опубликовал журнал Nature Communications.
Чтобы изучить этот механизм, исследователи взяли образцы породы после извержения вулкана Тахогайте на испанском острове Ла-Пальма в 2021 году. По оценкам ученых, перед выходом на поверхность магма там могла сильно перегреться, пока двигалась сквозь земную кору.
Обычная магма состоит из расплавленной породы, газов и твердых включений. Когда она остывает, вокруг крошечных исходных зерен – так называемых зародышей – растут новые кристаллы. Из-за этого масса густеет и поднимается медленнее, а газы успевают уйти из нее без взрыва, поэтому лава просто вытекает наружу. Если же магма нагревается выше порога, при котором эти кристаллы сохраняют устойчивость, микроскопические зародыши растворяются, а сам расплав становится однороднее и теряет способность быстро кристаллизоваться.
Авторы работы воспроизвели подземные условия в лаборатории. На британском синхротроне Diamond Light Source они поместили расплав в новую рентгенопрозрачную камеру высокого давления. Мощное рентгеновское излучение позволило получить трехмерные снимки и проследить, как внутри породы меняются кристаллы и пузырьки газа, не разрезая сам образец. Дополнительные и более продолжительные опыты команда поставила в Праге.
«То, как в магме растут кристаллы и пузырьки, во многом задает ход извержения, ведь избыток кристаллов резко повышает ее вязкость, – пояснила ведущий автор исследования Барбара Бонечи из Манчестерского университета. – До сих пор мы плохо понимали, как именно ведут себя кристаллы в магме, которая получила дополнительный нагрев прямо перед подъемом». В опытах обычный расплав начинал кристаллизоваться примерно через 20 минут, тогда как после сильного перегрева процесс задерживался более чем на восемь часов.
Полученные замеры ученые встроили в компьютерные модели, которые рассчитывают, как магма поднимается сквозь земную кору. Расчеты показали два противоположных варианта. Когда перегрев замедляет кристаллизацию, жидкая магма встречает меньше сопротивления и быстрее устремляется вверх – в таких условиях вулканические газы выталкивают раскаленную породу высоко над кратером, создавая фонтаны лавы. Если же кристаллы появляются рано, вязкий расплав движется медленно, газы постепенно выходят, и лава спокойно растекается по склонам.
Наблюдая за активными вулканами, специалисты фиксируют землетрясения, смещение почвы и выбросы газов, а в прогностических моделях обычно учитывают химический состав магмы, объем газа в ней и перепады давления. По словам соавтора работы Маргериты Полаччи, на движение расплава и характер извержения также влияют то, как сильно магма нагревалась раньше, и как быстро в ней образуются кристаллы. Сама по себе температура не определяет силу взрыва, но если учитывать эти процессы в расчетах, специалисты смогут точнее толковать данные наблюдений и определять, даст ли поднимающаяся магма высокие лавовые фонтаны или спокойно разольется по поверхности.
