Смешение магм при извержении вулкана Унзен в 1991-1995 году

Статья представляет собой научно-популярное изложение моей недавно опубликованной научной статьи:

I.S. Fomin, P.Yu. Plechov "Exchange between Mafic Enclaves and Host Magma: Case of 1991-1995 Mount Unzen Eruption" // Journal of Earth Science and Engineering 2 (2012) 631-635

Фото с http://nides.bc.ca/Assignments/Rocks/Unzen.htm

Сначала несколько слов о самой статье. Сам материал довольно "старый" - он лежал года три неопубликованный. Когда-то не хватило времени довести статью до ума, а потом появились другие заботы. Однако в один прекрасный день мне пришло письмо из американского журнала, в котором мне редактор написала, что прочитала мои тезисы на одной из международных конференций и предлагает опубликовать у них материал. Пренебрегать таким предложением уже не хотелось, и за месяц я подготовил статью к публикации.

Вулкан Унзен находится в Японии. Печально знаменит он тем, что во время извержения 1792 года погибло около 15 000 человек, в первую очередь, от вызванного им цунами. Поэтому его извержение 1991-1995 года вызвало очень большое внимание учёных всего мира - ведь учёным надо иметь данные о вулкане, чтобы понять, когда будет катастрофа в следующий раз. Лава и пепел, вулканические газы - это источники прямых данных о содержимом вулканического очага.

Теперь же несколько слов общей теории. Сейчас для большинства вулканов предполагается, что под вулканом долго живёт магматический очаг, из которого периодически изливаются порции магмы. Считается, что магматическая камера - это лишь один фрагмент налаженного транспорта магмы из глубин Земли к поверхности. Из недр Земли по устоявшимся трещинным зонам приходит глубинная магма в очаг и "выдавливает" часть магмы на поверхность. Примерно как в задачке про бассейн и трубы. При этом магма "снизу" и магма в очаге будут взаимодействовать друг с другом - обменивать теплом и смешиваться.

Магма в очаге и магма с глубин разная по составу, по температуре и по прочим свойствам. В общем и целом, специалистов больше всего волнуют вопросы: (1) сколько магмы пришло и за какое время, (2) как изменилась температура очага (обычно он нагревается) - от этого зависит текучесть магмы, (3) сколько воды и других газов перешло в очаг - от этого зависит, будет ли взрыв, как в Помпеях, или вытекание лавы, как на Гавайях. Знание этого необходимо для предсказания последствий для людей. Поэтому изучение процессов смешения очень актуально и, соответственно, популярно.

Следует отметить, что процессы смешения магм (идея которых была впервые высказана более 150 лет назад в Bunsen R. (1851), Ueber die Processe der vulkanischen Gesteinsbildungen Islands) в СССР и России не признавались или признавались частично очень долго. Даже в 2007 году мне один из преподавателей кафедры петрологии МГУ (наука о горных породах) объяснял, что "такого быть не может, поскольку не может быть вообще" (дословно).

Считается, что при внедрении новой порции магмы в очаг она моментально начинает остывать. Параллельно она дробится на фрагменты, каждый из которых эволюционирует независимо. Соответственно, в остывшей горной породе мы имеем включения (анклавы) и вмещающую породу. Пока магмы жидкие, они могут обмениваться веществом.

Во многих современных работах, как ни странно, отсутствует последовательное доказательство смешения магм, в то время как аналогичные образования могут быть просто результатом захвата более древних твёрдых пород вокруг жерла вулкана. Кроме того, несмотря на обилие работ по продуктам смешения магм, практически нет описаний самого этого процесса, основанного на природных образцах (петрографического описания), а не "рассуждениях на тему".

 Вот так выглядит включение андезитобазальтов (тёмное в правой верхней части)

в дацитах (вокруг)

Одним из главных критериев смешения является наличие "закалочных краёв" у фрагментов более горячей магмы (т.н. анклавов). При попадании горячей магмы в холодную начинается резкая кристаллизация горячей. С края кристаллы не успевают вырасти вообще, а в центре они становятся всё более и более крупными. Что интересно, подобные закалочные края есть только около округлых краёв анклавов. Если же граница анклава угловатая по форме, то подобная граница отсутствует. Это признак того, что анклав дробился после частичной кристаллизации.

Понимание механизма и скорости кристаллизации границы очень важно, ведь после кристаллизации вещество магмы и анклава будут отделены друг от друга и не смогут смешиваться.

Схематическая обрисовка спила породы:

Схематическая обрисовка показывает исчезновение тонкозернистой границы около зоны дробения после частичной кристаллизации (вмещающая порода сверху, анклав снизу).

Обрисовка - это, конечно, замечательно, но мне всегда приятнее цифры. Есть метод, который позволяет количественно оценить распределение кристаллов по размеру. Это рентгеновская микротомография (X-RAY Microtomography), которая позволяет получить полную 3D реконструкцию того, что находится внутри образца. По картинкам можно провести математическую обработку, которая даст нам график зависимости количества зёрен от их размера. Есть иной метод, который основан на ручной обработке многих фотографий шлифов и математической коррекции результатов обрисовки зёрен - ведь зёрна трёхмерные, а на поверхности мы имеем некий случайный срез. Наши данные по томографии (this study) и данные по ручной обработке фотографий ([Noguchi et al., 2008]) показывают неплохую согласованность:

В общем и целом, такой график (он называется CSD, Crystal Size Distribution) показывает довольно быструю (закалочную) кристаллизацию анклава - больше всего мелких кристалликов, а с ростом размера их количество резко убывает. В противном случае, пик распределения был бы смещён вправо по оси абсцисс. Это полностью согласуется с гипотезой о смешении магм.

А вот этот разрез показывает сам процесс дробления анклава - порции частично закристаллизовавшейся магмы:

Реальная порода (анклав чёрный, вмещающая порода - красная) и её обрисовка.

И что самое прекрасное, этот срез прямо доказывает обмен веществом между двумя магмами в жидком состоянии. Вы видите, как внутрь анклава затекает расплав, затаскивая и вкрапленник (крупный кристалл плагиоклаза). А наружу вырывается пузырёк газов. Здесь уместно вернуться к второму рисунку и обратить внимание на огромные пузыри, отходящие прямо от границы анклава - а это прямое доказательство дегазации.

Следует отметить, что до этого я не видел ни одного упоминания о подобных взаимоотношениях между породами в литературе. То есть эти процессы принимались за существующие, но прямых доказательств им не было.

И, наконец, прямое доказательство воздействия новой магмы на минералы вмещающей:

На границе вмещающей породы (слева) и анклава (справа) биотит (коричневое зерно) разложен (масштаб 1 мм).

А биотит на удалении от анклава практически не разложен
(все коричневые зёрна, масштаб 1 мм).

То, что Вы видели в этом обзоре - это, казалось бы, базовые доказательства и свидетельства взаимодействия магм. Тем не менее, именно они крайне часто опускаются в литературе.

Теперь же главный вопрос о температурах магм до и после смешения. Температуры рассчитываются, исходя из состава минералов. Если мы видим, что два минерала росли одновременно (об этом см. тут), то мы можем применить уравнения, которые позволяют определить по составу минералов условия их образования.

Для данного вулкана получаются температуры около 800 градусов Цельсия для магматического очага до смешения, 1050 для внедрившейся магмы и около 900 для магмы после смешения. Исходя из этих температур, можно рассчитать количество внедрившейся магмы. Это около 16 об.%.

На основе такой доли магмы и максимального размера анклава около 20 см в поперечнике можно рассчитать время охлаждения. Охлаждение их, сообразно результатам нашей работы по математическому моделированию охлаждения анклавов, не может быть медленнее, чем 32 часа.

Возможно, количество внедрившейся магмы (16 %) покажется кому-то слишком большим. И действительно, согласно данным [Bindeman, 1993], объёмная доля внедрившейся магмы в очаге не может превышать 5 об.%. Мы предполагаем, что такая разница связана с тем, что не весь объём магматической камеры был вовлечён в термальное уравновешивание - процессы теплопереноса занимают некое конечное время. Это подтверждается очень быстрым временем переуравновешивания.