Тихоокеанское огненное кольцо: геологическая машина сверхвулканической активности

Тихоокеанское Кольцо Огня — самый вулканически и сейсмически активный регион на Земле, 40 000-километровая (25 000 миль) подкова тектонических потрясений, которая окружает Тихий океан. Эта зона определяется зонами субдукции, где океанические плиты погружаются под континентальные или другие океанические плиты, генерируя интенсивное тепло, давление и производство магмы. На регион приходится около 75% активных вулканов в мире и 90% его землетрясений. В этом динамическом поясе лежат некоторые из самых мощных вулканических систем планеты: супервулканы — гигантские кальдеры, способные извержения в масштабе, который может изменить глобальный климат и разрушить цивилизацию. Понимание геологии Кольца Огня имеет важное значение для оценки рисков, которые эти супервулканы представляют.

Огненное кольцо тянется от западного побережья Южной Америки, вверх через Центральную Америку и Северную Америку (Каскадия, Аляска), через Берингово море к Камчатке, Японии, Филиппинам, Индонезии, Новой Зеландии и вниз по тихоокеанскому побережью Южной Америки. Зона — это не единая линия разлома, а сеть конвергентных границ плит, вулканических дуг и океанических траншей. Наиболее мощные геологические силы возникают там, где Тихоокеанская плита, плита Хуан-де-Фука, плита Наска и другие вынуждены находиться под более светлыми континентальными плитами. Этот процесс, называемый субдукцией, создает глубокие океанские траншеи (самая глубокая Марианская впадина) и заносит в мантию богатую водой кору. Вода опускает точку плавления породы, генерируя огромные объемы магмы, которые поднимаются к питающим цепям вулканов.

Огненное кольцо является причиной некоторых из самых известных извержений вулканов в истории, в том числе извержения вулкана Сент-Хеленс в 1980 году, извержения вулкана Пинатубо в 1991 году и продолжающейся деятельности в Килауэа. Но за пределами этих известных стратовулканов в регионе находятся самые изученные и опасные супервулканы в мире.

Что такое супервулкан?

Супервулкан — это не отдельная геологическая структура, а скорее вулкан, который произвел извержение с индексом вулканической взрывоопасности (VEI) 8 или более, высшей категории. Извержение VEI 8 выбрасывает в атмосферу более 1000 кубических километров (240 кубических миль) материала — пемзы и лавы. Такие события редки, происходят в среднем раз в 50 000 — 100 000 лет, но их воздействия катастрофические. Супервулканы обычно образуют большие, чашеобразные впадины, называемые кальдерами, часто много десятков километров в ширину, а не классическую конусную форму горы Фудзи или горы Ренье.

Супервулканы в Кольце Огня связаны с генерацией магмы, связанной с субдукцией, хотя некоторые (например, Йеллоустоун) связаны с горячими точками, которые были переопределены движущимися пластинами. Общая характеристика - большая, неглубокая магматическая камера, которая может производить катастрофические извержения, когда она становится избыточным давлением. Поскольку эти камеры огромны, магма может оставаться расплавленной в течение миллионов лет, производя периодические большие извержения, которые оставляют кальдеры.

Кольцо Огня содержит несколько самых известных супервулканов в мире:

  • Йеллоустонская кальдера (США):] Расположенная в Вайоминге Йеллоустонская вулкана является одним из самых известных супервулканов. Она произвела три гигантских извержения за последние 2,1 миллиона лет: Туфф Хекльберри-Ридж (2,1 миллиона лет назад), Туфф Меза-Фолс (1,3 миллиона лет назад) и Туфф Лава-Крик (640,000 лет назад). Последнее извержение сформировало текущую 70-на-45-километровую кальдеру. Магматическая камера Йеллоустоуна по-прежнему активна, с продолжающейся деформацией земли, гидротермальной активностью и роями землетрясений. Она интенсивно контролируется Обсерваторией Йеллоустонского вулкана USGS.
  • Озеро Тоба (Индонезия):] Тоба, на Суматре, произвела крупнейшее известное извержение вулкана за последние 2,5 миллиона лет, произошедшее примерно 74 000 лет назад. Извержение выбросило около 2800 кубических километров материала и создало кальдеру длиной 100 километров, теперь заполненную озером Тоба. Считается, что это событие вызвало глобальную вулканическую зиму, продолжающуюся от шести до десяти лет, возможно, способствуя серьезному генетическому узкому месту в человеческой популяции. Тоба остается активным, с вулканизмом посткальдеры, образующим острова в озере.
  • Таупо Вулканическая зона (Новая Зеландия):] В этом регионе находятся несколько вулканов кальдеры, в том числе вулкан Таупо и вулканический центр Окатана. Извержение вулкана Оруануи в Таупо около 26 500 лет назад произвело 1170 кубических километров материала, что делает его самым последним извержением VEI 8. Вулканическая зона Таупо продолжает производить извержения, включая огромное извержение Хатепе (AD 232), событие VEI 7. Область контролируется GeoNet.
  • Долгосрочная кальдера (Соединенные Штаты):] В восточной Калифорнии кальдера Лонг-Вэлли была сформирована извержением 760 000 лет назад, которое произвело епископа Туффа. Кальдера по-прежнему активна, с продолжающимися беспорядками, такими как землетрясения и поднятие грунта. Она контролируется USGS.
  • [[ФЛТ:0]]Камчатский полуостров (Россия):[ФЛТ:1]] Курильско-Камчатская дуга входит в состав Огненного кольца и содержит крупные системы кальдеры, в том числе Карымскую вулканическую группу и массивную Узон-Гейзерную кальдеру.В регионе произошло крупное взрывное извержение вулкана Ксудач около 1700 лет назад.

Другие известные супервулканы за пределами Кольца Огня включают Кампи Флегрей в Италии (кандидат на VEI 7) и Кальдера Ла Гарита в Колорадо (разрушенный 5000 кубических километров 28 миллионов лет назад), но Кольцо Огня содержит самую высокую концентрацию активных или потенциально активных систем супервулканов.

Формирование супервулканических магматических камер

Огромные магматические камеры, необходимые для сверхизвержения, образуются в течение десятков-сот тысяч лет. В зонах субдукции вода, выделяющаяся из нисходящей плиты, вызывает частичное таяние в мантийном клине. Эта плавучая магма поднимается и может попасть в ловушку континентальной коры, где она объединена и дифференцируется. Со временем камера растет по мере того, как вторгается больше магмы. Магма часто представляет собой кремниевый состав (риолит), который очень вязкий, захватывает газы и увеличивает взрывоопасность. Когда давление превышает силу вышележащей породы, трещины крыши и вентиляционные отверстия катастрофически.

В Йеллоустоне источником магмы является мантийный шлейф (горячая точка), который был неподвижен, в то время как Североамериканская плита двигалась на юго-запад над ним. Это произвело цепь кальдер по ландшафту Айдахо и Вайоминга. В Тоба и Таупо субдукция Индо-Австралийской плиты под Евразийской плитой и Тихоокеанской плиты под Индо-Австралийской плитой соответственно создает магму.

Влияние суперизвержений

Сверхизвержение будет иметь разрушительные последствия в глобальном масштабе. Немедленные последствия включают:

  • Пирокластические потоки и падение пепла:] В окрестностях извержения (сотни километров) пирокластические потоки горячего газа и горных пород сожгут все. Толстые отложения пепла разрушат здания, загрязнят водоснабжение и уничтожат сельское хозяйство на территории континентального масштаба. Даже далеко вниз по ветру падение пепла нарушит транспорт, электрические сети и воздушные перевозки.
  • Вулканическая зима:] Впрыск диоксида серы в стратосферу отражает солнечный свет, снижая глобальные температуры на 5-10 °C в течение нескольких лет. Это может привести к неурожаям, голоду и социальному коллапсу, подобно 1816 году «Год без лета» после извержения Тамборы в 1815 году (VEI 7), но увеличенному во много раз. Извержение Тоба, как предполагается, вызвало глобальное похолодание, которое могло вызвать резкое сокращение населения.
  • Климат и разрушение экосистем: Кислотные дожди из диоксида серы, истощение озона от инъекций галогена и длительный холод сильно напрягают экосистемы, потенциально вызывая массовые вымирания. Однако жизнь устойчива; прошлые суперизвержения не вызвали глобальные массовые вымирания (последний VEI 8 был 26 500 лет назад), но они могут усугубить продолжающееся давление окружающей среды.

Важно отметить, что вероятность извержения в любом данном столетии низка — около 1 на 10 000.

Мониторинг супервулканов в огненном кольце

Учитывая катастрофический потенциал, вулканологи используют множество методов мониторинга для обнаружения признаков надвигающегося извержения на супервулканах.

  • Сейсмический мониторинг: Сети сейсмометров отслеживают рои землетрясений, гармонический тремор и изменения движения магмы.В Йеллоустоне ежегодно регистрируются тысячи землетрясений, хотя большинство из них небольшие.
  • Наземная деформация: GPS-станции и спутник InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) измеряют инфляцию и дефляцию пола кальдеры. Например, кальдера Йеллоустоуна поднимается и опускается на сантиметры в год из-за изменения давления в магматической камере.
  • Выбросы газа: Изменения состава и объема вулканических газов (CO2, SO2, H2S) могут указывать на движение магмы.В Таупо и Йеллоустоуне ученые измеряют выход газа из фумаролов и горячих источников.
  • Тепловой поток и гидротермальная активность: Повышенный тепловой поток, новые горячие источники или изменения в активности гейзера могут сигнализировать о вторжении магмы.
  • Спутниковый мониторинг:] Тепловизионное изображение, обнаружение пепла и атмосферный мониторинг со спутников, таких как Sentinel и MODIS, обеспечивают наблюдение в широких областях.

Такие организации, как USGS (включая Йеллоустонскую вулканическую обсерваторию), GeoNet в Новой Зеландии и Индонезийское метеорологическое, климатологическое и геофизическое агентство (BMKG), постоянно наблюдают за этими системами.Глобальная сеть мониторинга значительно улучшилась с 1980-х годов, но многие крупные системы кальдеры в отдаленных районах, таких как Камчатка или Алеутские острова, остаются под контролем.

Оценка рисков и готовность

Хотя извержение неизбежно в геологических масштабах времени, оно не является неизбежным. Ключ должен понимать предупреждающие знаки. Типичные волнения в кальдерах включают поднятие грунта, повышение сейсмичности и выбросы газа, но не все волнения приводят к извержению. Например, кальдера Долгой долины испытывала волнения с 1980 по 1990-е годы, но не прогрессировала до извержения. Различие между предизверженным подъемом магмы и более доброкачественными вторжениями остается серьезной научной проблемой.

Готовность включает в себя:

  • Системы раннего предупреждения: Усиление станций мониторинга, передача данных в режиме реального времени и автоматические оповещения гражданских органов.
  • Картографирование опасности: Моделирование рассеивания пепла, пирокластической протяженности потока и лахаров для различных сценариев извержения. Геологическая служба США подготовила подробные карты опасности для Йеллоустоуна.
  • Планирование на случай чрезвычайных ситуаций: Планы эвакуации, накопление масок и запасов, а также стратегии защиты инфраструктуры, такой как водопровод и энергосистемы. Прошлые извержения VEI 7 (например, Тамбора) могут информировать о планировании более крупных событий.
  • Общественное образование: Информирование сообществ в районах с высоким риском о протоколах и природе супервулканов, чтобы избежать паники.

Программа глобального вулканизма Смитсоновского института поддерживает базу данных о вулканах голоцена и их извержениях.Совместные усилия, такие как IAVCEI (Международная ассоциация вулканологии и химии недр Земли), способствуют обмену информацией.

Будущие направления исследований

Вулканологи изучают супервулканы с использованием самых разных передовых методов: сейсмической томографии для изображения магматических камер, геохимии для определения состава и эволюции магмы и численного моделирования для моделирования физики извержения. Ключевые вопросы включают: Как быстро большая магматическая камера может стать готовой к извержению? Что вызывает окончательный отказ крыши? Можем ли мы предсказать суперизвержение с достаточным временем (от недель до месяцев) для смягчения ущерба?

Недавние исследования извержения Оруануи в Таупо предполагают, что извержение началось с небольшой фазы фреатики, а затем резко обострилось в течение нескольких дней. Такие результаты подчеркивают необходимость надежного мониторинга. Достижения в глубоком бурении (например, испытательный стенд Krafla Magma в Исландии, хотя и за пределами Кольца огня) могут обеспечить прямые образцы тел коры магмы.

В Йеллоустоуне исследователи используют магнитотеллурические исследования для картирования степени горячей, частично расплавленной породы в коре. Текущие модели указывают на магматическую камеру около 2000 кубических километров в основном твердой породы с фракцией расплава 5-15% - этого недостаточно для предстоящего извержения. Система, вероятно, даст десятилетия к векам предупреждения.

Заключение

Тихоокеанское Кольцо Огня является главной естественной лабораторией для изучения вулканизма и активности супервулканов, связанных с субдукцией. Его супервулканы — Желтоустон, Тоба, Таупо, Лонг-Вэлли и другие — представляют собой маловероятные, но высокопоследственные опасности. Понимание их поведения требует тщательного мониторинга, международного сотрудничества и постоянного совершенствования моделей. Хотя возможность суперизвержения может показаться тревожной, фактический риск для любого человека мизерен, а научные усилия предоставляют инструменты, необходимые для управления им. Огненное кольцо будет оставаться в центре внимания исследований в течение десятилетий, помогая человечеству лучше понять одну из самых мощных и разрушительных природных сил Земли.

Для дальнейшего чтения, обратитесь к подробным ресурсам из Обсерватории вулканов Йеллоустоуна и Научного центра вулканов Таупо .