В начале 2018 года на Гавайях выпали необычно сильные дожди. Сейчас моделирование показывает, что давление грунтовых вод увеличилось в связи с выпадением осадков: это могло вызвать изменения в извержении островного вулкана Килауэа.
Последнее извержение вулкана Килауэа на Гавайях началось в 1983 году. В течение 35 лет большая часть его магмы возникала из множества трещин в вулкане, называемом верхневосточной рифтовой зоной. Но 3 мая 2018 года открылась нижневосточная зона раскола Килауэаского вулкана, уступив место массивному излиянию лавы, опустошившему юго-восточную часть острова. Важный вопрос, почему это изменение произошло в мае 2018 года, а не раньше или позже в ходе извержения. Авторы статей в журнале "Природа", Фаркхарсон и Амелунг предполагают, что рекордные уровни осадков в начале 2018 года повысили давление на грунтовые воды, что, в свою очередь, облегчило разрушение горных пород и, следовательно, поднятие магмы на поверхность в новых местах.
Процессы
Создание пути, который приносит магму на поверхность Земли, начинается с механического разрушения горных пород. Это разрушение может происходить двумя путями: могут открываться новые трещины, или могут проскальзывать уже существующие разломы. Оба процесса могут быть стимулированы изменением давления в грунтовых водах. В первом случае повышение давления жидкости снижает количество напряжений, необходимых для открытия новых трещин. Во втором случае, разломы могут соскользнуть, когда напряжения, действующие параллельно разлому (напряжения сдвига), преодолевают те, которые перпендикулярны разлому (нормальные напряжения). Эти нормальные напряжения действуют на то, чтобы закрепить замыкание в месте повреждения. Повышение давления жидкости в горных породах снижает нормальные напряжения без изменения сдвиговых напряжений, способствуя тем самым возникновению неисправности.
Сильные дожди повышают уровень воды под землей и, следовательно, давление в грунтовых водах. Вулканические породы на Гавайях очень проницаемы, что позволяет воде проникать, а изменения давления распространяются на глубину в несколько километров, недалеко от места хранения магмы. Изменения давления жидкости требуют времени для распространения с поверхности на эти глубины. Таким образом, нисходящая миграция обломков горных пород с течением времени, а также временной интервал между накоплением воды на поверхности и обломками на глубине3 будут основными показателями того, что причиной обломков горных пород в Килауэа были дожди.
Модель
Фаркварсон и Амелунг смоделировали изменения давления в Килауэа, вызванные осадками в месяцы, предшествующие извержению 3 мая 2018 года. Их модель показала увеличение давления от десятков до сотен паскалей на глубине нескольких километров. Основываясь на этих изменениях, наряду с четырьмя наблюдениями, указывающими на то, что извержения в Килауэа связаны с большим количеством осадков, авторы предполагают, что сильные дожди способствовали разрушению скал, что позволило магме впасть в нижнюю восточную зону разлома.
Является ли их гипотеза правдоподобной? Изменения давления, вычисленные их моделями, невелики - меньше, чем напряжения от приливов. Однако если горные породы уже близки к разрушению, таких изменений может быть достаточно, чтобы инициировать разрушение. Извержение 2018 г. сопровождалось землетрясением магнитудой-6.9, и примеров землетрясений такого масштаба, вызванных изменениями давления, достаточно4. Например, широкомасштабное увеличение частоты землетрясений в центральной и восточной частях Соединенных Штатов Америки в последнее десятилетие является результатом закачки сточных вод в проницаемые породы, что увеличивает давление воды и изменяет стресс.
Плодородные поля для сейсмичности
Геологическая запись также подтверждает, что изменение напряжений на поверхности Земли может модулировать вулканическую активность. На суше вулканизму способствует отступление ледников. Изменения уровня моря между ледниковыми и межледниковыми периодами могут модулировать скорость извержения на срединно-океанических хребтах. Нагрузка от крупных землетрясений увеличивает вероятность вулканических извержений и может изменять активность на уже действующих вулканах.
Хотя хорошо известно, что изменения давления воды способствуют землетрясениям, они не обязательно являются прямой причиной извержений магмы. Чтобы начать движение через земную кору, магма должна создавать в окружающих породах достаточно большие напряжения, чтобы открыть путь. Землетрясения, вызванные в коре вокруг этой хранимой магмы, однако, могут фактически снять напряжение - таким образом, они могут затруднить извержение магмы.
В конечном счете, может ли провал разлома в результате изменения давления воды может произойти близко к хранимой магмы, как предполагают Фаркхарсон и Амелунг, остается неопределенным. Первая магма, извергнутая из нижневосточной зоны разлома в 2018 г., была старой, возможно, оставшейся от более раннего извержения 1955 г., что означает, что зона разлома уже была горячей. В результате подземные воды в зоне разлома могли быть парами на небольших глубинах, а на больших глубинах это мог быть сверхкритический флюид (вещество, которое не находится в отдельной жидкой или газовой фазе, но обладает свойствами и того, и другого). Высокая сжимаемость как паров, так и сверхкритических флюидов могла бы смягчить величину изменения давления в авторской модели, делая неудачу менее вероятной.
