Характеристики магмы помогут предсказать обрушение вулканического купола

Российские ученые установили закономерности извержения вулканов, выявив влияние вязкости магмы на форму вулканических куполов и опасность их обрушения. Это позволит спрогнозировать такие обрушения и оценить риск образования горящего облака — смеси высокотемпературных вулканических газов, пепла и обломков пород. Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (РНФ). Результаты исследования опубликованы в журнале Geophysical Journal International, кратко о них сообщается на сайте РНФ.

Извержение вулкана — это процесс излияния магмы и выброса вулканом раскаленных обломков и пепла. Освобождаясь от воды и других летучих веществ при выходе на поверхность, магма становится лавой. Если в магме содержится мало кристаллов и много растворенных газов, она относительно маловязкая и взрывоопасная. Лавы средней вязкости формируют пологие вулканические купола. Если же вязкость лавы при ее выжимании из жерла в миллиард раз больше, чем вязкость меда, то образуется неустойчивый объект, который выглядит как обелиск. Лавовые купола обычно имеют твердую поверхность — панцирь, но остаются подвижными и деформируются в течение дней или даже месяцев. Обрушение таких объектов может вызвать взрывное извержение магмы, камнепад, обвалы и излияние пирокластических потоков — смеси высокотемпературных вулканических газов, пепла и обломков пород. Например, в 2018 году пришлось эвакуировать 5,8 тысяч жителей Филиппин, которые жили в зоне риска обрушения вулканического купола. Обрушение лавового купола на вулкане Монтань-Пеле (остров Мартиника) в 1902 году унесло жизни более 26 тысяч местных жителей, практически полностью уничтожив столицу острова, город Сент-Пьер. Уметь максимально точно прогнозировать такие извержения, вовремя защитить людей и инфраструктуру — важная задача вулканологии.

В науке накоплен богатый опыт мониторинга лавовых куполов для предсказания опасности их разрушения. Оцениваются такие показатели, как динамика роста, строение куполов, их дегазация, деформация поверхности и вулканические землетрясения. В лабораторных условиях сложно воссоздать модель купола, достаточно похожую на оригинал, а на вулканах удается получить только косвенные сигналы. Из-за этих ограничений влияние кристаллизации магмы и ее охлаждения на динамику экструзии лавовых куполов изучено недостаточно.

Ученые из Института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН (Москва), Института математики и механики имени Н. Н. Красовского УрО РАН (Екатеринбург) и Института механики МГУ имени М. В. Ломоносова поставили перед собой задачу установить связь таких наблюдаемых величин, как высота, диаметр и температура поверхности куполов с изменениями внутри них. Удалось создать двумерную модель динамики и устойчивости вулканических куполов при помощи программной системы Ансис, основанной на методе конечных объемов. Этот метод позволяет разбить рассчитываемый объем лавы на подобласти и, составив для них системы дифференциальных уравнений, затем найти нужные параметры путем интегрирования. Исследователи выяснили, что строение купола зависит от скорости кристаллизации магмы, тогда как ранее считалось, что основное влияние исходит от охлаждения. Чем быстрее выжимается лава, тем меньше она успевает закристаллизоваться и тем ниже ее вязкость. По рассчитанному распределению напряжений внутри купола можно оценить возможность его обрушения, приводящего к образованию пирокластических потоков, которые и являются основной причиной разрушений и человеческих жертв при подобного рода извержениях.

«Данное исследование позволило оценить вязкость магмы. Также можно восстанавливать историю развития куполов, замеряя формы лавовых куполов с использованием методов компьютерного зрения и теории обработки изображений. Если мы будем знать, насколько прочен купол и его панцирь, то сможем спрогнозировать его обрушение и оценить опасность образования пирокластических потоков», — говорит Али Исмаил-Заде, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН.