Йеллоустоунский супервулкан. Мифы и реальность

Познания большинства о "Йеллоустоунском супервулкане" ограничиваются примерно следующим: "Есть где-то в Америке такой супервулкан, каждое извержение которого являлось мировой катастрофой, и срок нового извержения уже вот-вот подойдет". На этом обычно все.

Рассмотрим, насколько это соответствует реальности, изученной реальной же наукой.

Открытие "супервулкана" Йеллоустоун

До 1959 года на Йеллоустоун не обращали серьезного внимания, потому что там ничего, кроме гейзеров, видно не было. Специалисты, разумеется, давно знали, что Йеллоустон имеет вулканическое происхождение — этим объяснялись все его гейзеры и другие горячие источники, но полагали, что под ним просто есть некий магматический очаг, который медленно остывает. Но в 1959 году в Йеллоустоуне произошло землетрясение с магнитудой 7,5 баллов, погибли 28 человек. То есть, вулкан оказался вполне действующим. Вот только... вулкана-то там и не было. Точнее, он не бросался в глаза...

Большинство, думая о вулканах, представляют классические конусообразные очертания, которые возникают, когда извергающаяся магма образует симметричную насыпь.

Но существуют вулканы другого, менее известного типа, которые не приводят к образованию гор. Эти вулканы образуются в результате мощных взрывов и вырываются наружу одним сокрушительным ударом, оставляя после себя огромный провал — кальдеру (от латинского слова, означающего 'котел'). При этом стоит уточнить, что кальдера не является кратером вулкана — это лишь остаток произошедшего в прошлом эксплозивного (взрывного) извержения. Новое извержение может произойти совсем в другом месте.

Йеллоустон принадлежит к этому типу вулканов, но его кальдер долгое время не замечали.

В 1965 году Геологическая служба США сформировала научную группу, перед которой была поставлена задача создать комплексную геологическую карту Йеллоустоунского плато; в состав группы вошёл Боб Кристиансен. Его вместе с коллегами, в частности, попросили составить карту вулканических пород, извергаемых в Йеллоустоуне в течение четвертичного периода. Сегодня эти породы оценены возрастом вплоть до 2,6 миллионов лет. Исследование было профинансировано несколькими федеральными агентствами, включая NASA, Управление национальными парками, и Геологическую службу. На тот момент NASA вело разработку приборов дистанционного зондирования, и нуждалось в областях с хорошо составленными геологическими картами, чтобы протестировать на них свои изобретения, а после сопоставить снимки, полученные из космоса, с упомянутыми геологическими картами.

С 1966 по 1971 годы научная группа вела интенсивную деятельность, каждое лето отправляясь на полевые работы в удалённые районы Йеллоустоуна. В другие времена года группа проводила анализы аэрофотоснимков, использовала микроскопы для изучения срезов, взятых с образцов горных пород, порой бывших не шире человеческого волоса (т.н. прозрачные шлифы), и измеряла химический состав камней и их относительный возраст.

И вот, в результате исследования снимков из космоса, предоставленных НАСА, и были обнаружены три кальдеры — самая молодая из них составляла примерно 72 на 55 км — слишком большая, чтобы различить ее, находясь на поверхности земли. Когда-то в прошлом Йеллоустон должен был взорваться с силой, намного превосходящей все ведомое человеческому роду — и неоднократно.

К 1972 году большая часть геологического картирования Йеллоустоуна была выполнена, и Кристиансен вместе со своим коллегой, Диком Блэнком опубликовал первый доклад, описывающий вулканическую историю Йеллоустоунского плато. Находки, сделанные учёными за шесть лет работы, пролили свет на многие прежде неизвестные детали о взрывном вулканическом прошлом Йеллоустоуна. Они установили, что следы трёх крупных эксплозивных извержений, найденных ими в Йеллоустоуне, были связаны с формированием найденных там кальдер. Воспользовавшись датированием калиево-аргоновым методом — работой, выполненной их коллегой из Геологической службы Джоном Обрадовичем — Кристиансен и Блэнк заключили, что три кальдерообразующих извержения крупного масштаба в Йеллоустоуне произошли 2 миллиона, 1.2 миллиона, и 0.6 миллиона лет назад соответственно. Позже с помощью более точных методов датировки были скорректированы до 2.08, 1.30, и 0.63 миллионов лет.

Впрочем, поначалу все это представляло чисто научный интерес, никто не думал о близком новом извержении. Но в 1973 году произошло одно необычное явление: озеро, расположенное посередине парка, стало выходить из берегов с южной стороны, затопив прилегающий луг, а противоположный край озера таинственным образом обмелел. Геологи спешно провели съемку местности и обнаружили, что большой участок парка зловеще вспучился. Вздутием подняло один край озера, и вода стала переливаться через другой. К 1984 году вся центральная часть парка — больше 100 км2 — поднялась на метр по сравнению с уровнем 1924 года, когда в парке последний раз официально производилась съемка. Затем в 1985 году центральная часть парка опустилась на 20 сантиметров, после чего снова начался медленный подъем. Все это показывало, что местный вулкан отнюдь не "заснул". Но представляет ли он реальную опасность для людей?..

Структура и эволюция "супервулкана"

Деятельность в глубинах Земли, результатом которой являются тектоника и вулканизм Йеллоустоуна, началась, как минимум, 16,5 миллионов лет назад, и следы ее можно обнаружить не только на территории парка, но и на протяжении всей равнины реки Снейк. Ныне под парком всегда присутствует аномально высокий тепловой поток, который по своим показателям превышает среднюю норму по североамериканскому континенту в 40 раз (а местами и в 2000 раз!). Именно этот тепловой поток подпитывает крупнейшую в мире гидротермальную систему гейзеров, фумарол и горячих источников. Все эти феномены имеют один источник — горячую точку.

Горячие точки являются неотъемлемым элементом структуры нашей планеты; на текущий момент обнаружено всего 30 таких активных точек под поверхностью Земли, включая Йеллоустоунскую. Многие из них расположены под дном мировых океанов. Гигантские плиты земной коры образуют морское дно, и по мере дрейфа эти плиты медленно проходят над статичными горячими точками, которые в процессе извержений создали такие острова, как Гавайи, Галапагоссы, Азорские острова и Исландия.

Самые древние обнаруженные следы Йеллоустоунской горячей точки находятся на землях штата Невада, на границе со штатами Айдахо и Орегон — там горячая точка действовала около 16,5 миллионов лет назад. По мере дрейфа североамериканского континента в направлении юго-запада со скоростью около 2,7 сантиметров в год, активная горячая точка смещалась на северо-восток, сперва оказавшись под юго-восточным углом границы Орегона, после чего пересекла весь штат Айдахо, оставив за собой впечатляющий след — равнину реки Снейк. Ныне же горячая точка расположилась под сочленением границ штатов Вайоминг, Монтана и Айдахо, породив одно из крупнейших наземных активных кремниевых вулканических полей в мире и сопутствующую ему активную гидротермальную систему, для защиты которой в XIX веке был основан Йеллоустоунский национальный парк.

Этот путь североамериканской тектонической плиты над Йеллоустоунской горячей точкой никогда не был спокойным. За прошедшие 16,5 миллионов лет произошли десятки катастрофических взрывных извержений, каждое из которых оставляло после себя кальдеру диаметром вплоть до нескольких десятков миль. Из-за дрейфа тектонической плиты на юго-запад, извержения горячей точки образовали прогрессирующую по возрасту цепочку кальдер, тянущихся от границ штатов Айдахо-Орегон-Невада на 500 миль в сторону северо-востока вплоть до Йеллоустоуна. Многие из этих кальдер наложены друг на друга.

Громадное тепло, выделяемое горячей точкой, породило гигантскую выпуклость в земной коре шириной в 480 километров и высотой около 450 метров. Движение тектонической плиты над горячей точкой приводило к движению этой выпуклости. В хвосте этого перемещения земля опускалась на целых 600 метров и затапливалась сериями базальтовых лавовых потоков. Как результат, все старые кальдеры, каждая из которых существовала на протяжении от 2 до 2,5 миллионов лет, ныне похоронены под лавовыми полями равнины реки Снейк.

В районе Йеллоустоуна горячая точка проявляет активность вот уже в течении двух миллионов лет. За этот цикл вулканическое поле Йеллоустоунского плато испытало три катастрофических кальдерообразующих извержения, между которыми на плато происходило множество меньших по размеру извержений лавы.

Первое среди этих суперизвержений, случившееся около 2,08 миллионов лет назад, породило кальдеру Айленд-Парк и ассоциируемый с ней туф Хаклберри-Ридж — обильные отложения пепла.

Следующее кальдерообразующее извержение случилось около 1,2 миллионов лет назад на современной восточной границе штата Айдахо. Оно было не в пример слабее предыдущего суперизвержения и оставило после себя кальдеру Хенрис-Форк и ассоциируемые с ней туфовые отложения Меса-Фоллз.

Наконец, 630 000 лет назад третье извержение сформировало Йеллоустоунскую кальдеру и туф Лава-крик. Общие исследования вулканического поля на Йеллоустоунском плато позволили установить, что катастрофическому извержению 630 000 лет назад предшествовали излияния лавы, начавшиеся около 1,2 миллионов лет назад, то есть вскоре после образования кальдеры Хенрис-Форк. Само суперизвержение Йеллоустоунской кальдеры произошло в виде двух отдельных эпизодов, разделённых очень коротким временным промежутком (возможно, днями или неделями) из двух независимых вулканических отверстий. Провал поверхности и образование кальдеры случились как раз после этих двух извержений.

Эти три крупнейших извержения Йеллоустоунского плато были в 2500, 280, и 1000 раз соответственно сильнее извержения вулкана Сент-Хеленс в 1980 году в штате Вашингтон.

За последним извержением последовал очередной период лавовых излияний, в течении которого потоки лавы заполнили Йеллоустоунскую кальдеру, в значительной степени скрыв её от непосредственного наблюдения. Эта стадия извержений подразделяется на две фазы. Первая фаза началась сразу после формации кальдеры, излияния лавы на данном этапе прекратились около 450 000 лет назад, после чего в Йеллоустоуне наступил период спокойствия. Затем, около 250 000 лет назад, началась вторая фаза лавовых извержений, характеризующаяся прерывистостью — излияния лавы в это время происходили в виде ряда событий, разделённых периодами затишья, длившимися сотни и даже тысячи лет. Последнее лавовое извержение на Йеллоустоунском плато произошло около 70 000 лет назад, и в отличие от более ранних лавовых извержений было единичным. Получившиеся в результате лавовые потоки порой по объёму превышают несколько десятков кубических километров, тянутся на расстояние 30 километров от своих источников, а их толщина составляет свыше 100 метров.

Состояние магматической системы Йеллоустоуна в настоящее время

Геологические находки следов предыдущих извержений доказывают наличие хранилища магмы под поверхностью, а сведения о его размерах, форме и температуре способна дать геофизика.

Получить такую информацию позволяет сейсмотомография, использующая сейсмические волны, создаваемые как местными, так и весьма удалёнными землетрясениями, и записываемые сетью сейсмических станций. Подобно медицинской томографии, помогающей врачам всесторонне изучить человеческий организм, сейсмотомография позволяет выявлять свойства всей магматической системы от верхней мантии до приповерхностных слоёв.

Эти исследования в конце концов выявили под парком несколько областей с низкой скоростью распространения сейсмических волн, расположенных на разной глубине. Такие сигналы часто подразумевают высокие температуры и, весьма вероятно, наличие расплавленного материала. На созданной научной карте приповерхностных слоёв есть верхушка горячей точки, она находится в 70 километрах под землёй. Горячая точка поставляет тепло в достаточно крупный базальтовый магматический резервуар на ориентировочной глубине 20-50 километров, однако сейсмические волны указывают на то, что из всего объёма этого резервуара доля расплавленного материала составляет всего 2-5%; весь остальной материал находится в разогретом пластичном состоянии. В свою очередь базальтовый магматический резервуар транслирует тепло в расположенный над ним низкотемпературный риолитовый магматический резервуар, залегающий на глубине 4-14 километров от поверхности. В нём доля расплавленной магмы составляет 5-15% от общего объёма. Именно этот риолитовый резервуар является источником подпитки всей гидротермальной системы Йеллоустоуна, нагревая грунтовую воду до кондиции, при которой она возвращается на поверхность и выходит в виде гейзеров и горячих источников.

Текущие сейсмические исследования выявили, что объём базальтового магматического тела под Йеллоустоуном составляет порядка 46 000 кубических километров, что в 4-5 раз больше объёма более мелкого риолитового резервуара.

Угрожает ли нам сейчас Йеллоустоунский "супервулкан"?

Вероятность вулканических извержений в Йеллоустоуне напрямую зависит от состояния его магматической системы, но та в настоящий момент находится в преимущественно кристаллизованном состоянии с небольшой примесью расплавленной магмы. Есть признаки того, что большая часть магмы в этом очаге сейчас остывает и кристаллизуется. При этом она выделяет летучие вещества, а для взрывного извержения требуется, наоборот, их захватывать.

Так что, если говорить именно об извержениях вулканов, то на сегодняшний день Йеллоустоун безопасен и будет оставаться таким до тех пор, пока по горячей точке не начнётся поступление избыточного расплава в совокупности с усилением теплового потока и внутреннего давления, которые приведут к 'расконсервации' магматической системы. Сила и тип извержения в таком случае будут зависеть от объёма освободившегося материала.

Учёные полагают, что в обозримой перспективе (вполне допустимо, что даже в ближайшую сотню лет) в Йеллоустоуне все же есть вероятность "спокойного" лавового извержения с участием магмы, происходящей или из риолитового, или из базальтового очага — подобное тому, что произошло там 70 тысяч лет назад. Потоки лавы будет медленно течь по территории парка в течение месяцев и лет, дав достаточно времени, чтобы оценить ситуацию и спасти людей.

Правда, участие риолитовых лав может привести и к взрывным извержениям с образованием пепла, но это все же не будет взрывным суперизвержением, подобным тем, что образовали на территории парка три кальдеры. Основываясь на объёме риолитового магматического очага, учёные прогнозируют силу таких извержений в достаточно широком диапазоне: они могут оказаться как слабее извержения вулкана Сент-Хеленс 1980 года, так и сильнее извержения вулкана Пинатубо в 1991 году. Однако к глобальному катаклизму такое извержение не приведет.

Лишь наихудший сценарий вулканического извержения в Йеллоустоуне предполагает кальдерообразующий катаклизм, подобный тому, который случался в этом месте трижды: 2.08 миллионов, 1.2 миллионов, и 630 000 лет назад. Такое извержение выбросит объёмы пепла, достаточные, чтобы покрыть им большую часть континентальной части США, образовав новые туфовые отложения, и окажет существенное воздействие на глобальный климат при выбросе частиц пепла в совокупности с диоксидом серы в стратосферу. Однако по теории вероятности такое событие в ближайшие столетия и тысячелетия остаётся практически невозможным