Когда мы смотрим на фотографии извергающегося вулкана — огненные реки, столбы пепла, раскалённые брызги, летящие в ночное небо — первый вопрос, который возникает: откуда всё это берётся? Где хранится этот огненный материал между извержениями? Есть ли внутри каждого вулкана постоянный резервуар расплавленной породы — или лава появляется только тогда, когда приходит время? Ответы на эти вопросы устроены сложнее, чем кажется, и связаны с тем, как устроена наша планета на самых больших глубинах.
Земля снаружи и изнутри
Чтобы понять природу лавы, нужно сначала вспомнить, как устроена Земля. Планета состоит из нескольких слоёв. Самый верхний — земная кора — тонкий и твёрдый, как скорлупа яйца. Под ней располагается мантия — колоссальный слой толщиной около 2900 километров. И дальше — жидкое внешнее ядро и твёрдое внутреннее.
Большинство людей представляет мантию как море расплавленной магмы, в котором плавают континенты. Это распространённое заблуждение. Мантия в основном твёрдая — но твёрдая в особом смысле. Она состоит из горных пород, которые при огромном давлении и температурах от 500 до 3000 градусов Цельсия ведут себя как очень вязкая пластичная масса. Если ударить по ней молотком — она расколется. Но если давить медленно и долго — она потечёт, как стекло или смола. Именно это свойство называют пластичностью.
Так откуда же берётся расплавленная магма, если мантия — твёрдая?
Три способа рождения магмы
Магма — это расплавленная горная порода с растворёнными в ней газами. Она образуется в мантии тремя основными способами, и каждый из них связан с конкретным типом вулканической активности.
Первый способ — снижение давления. Горная порода плавится не только тогда, когда её нагревают, но и тогда, когда давление на неё резко падает. Это кажется нелогичным, но физика здесь проста: высокое давление удерживает молекулы породы в твёрдом состоянии даже при очень высоких температурах. Если давление снизить — порода начнёт плавиться при той же температуре. Именно это происходит в зонах срединно-океанических хребтов, где тектонические плиты расходятся. Мантийное вещество поднимается снизу, давление падает, и оно превращается в магму. Так устроены подводные вулканы, образующие новое океаническое дно.
Второй способ — добавление воды. Вода снижает температуру плавления горных пород. Там, где одна тектоническая плита уходит под другую — в так называемых зонах субдукции — океаническая плита погружается в мантию и несёт с собой воду, связанную в минералах. На глубине вода высвобождается и буквально «поджигает» окружающую породу — она начинает плавиться, образуя магму. Именно такие вулканы опоясывают Тихий океан, формируя знаменитое Огненное кольцо — самую вулканически активную зону планеты.
Третий способ — перегрев от горячих точек. Глубоко в мантии существуют места с аномально высокой температурой — мантийные плюмы, или горячие точки. Это своеобразные «факелы», поднимающиеся снизу и прожигающие земную кору сквозь тектонические плиты. Гавайские острова — классический пример: вся цепочка островов образована одной горячей точкой, над которой медленно двигается Тихоокеанская плита. Каждый остров — это след от прожжённой дыры в коре.
Магматический очаг: резервуар под вулканом
Когда магма образовалась в мантии, она начинает подниматься вверх. Причина проста: расплавленная порода легче окружающих твёрдых пород, поэтому она всплывает — точно так же, как масло всплывает в воде. Поднимаясь, магма собирается в магматическом очаге — полости или системе трещин в земной коре на глубине от 2 до 50 километров под поверхностью.
И вот здесь — ответ на главный вопрос: да, магма существует под вулканом постоянно, она никуда не исчезает между извержениями. Магматический очаг — это не временное явление, а постоянный резервуар, который медленно пополняется снизу. Его объём может составлять от нескольких кубических километров до сотен кубических километров для супервулканов.
Но есть важный нюанс. Магма в очаге не является полностью расплавленной. Как правило, это смесь жидкого расплава, кристаллов и растворённых газов — похожая на кашу или мокрый снег. Учёные называют этот материал «мушем» (от английского mush — кашица). Степень расплавленности варьируется: в некоторых очагах жидкой фазы совсем мало, в других — значительно больше.
Если магма находится под вулканом постоянно, почему же он не извергается непрерывно?
Всё дело в давлении и прочности пород. Магматический очаг — это не котёл с кипящей водой, крышку которого удерживают силой. Горные породы, окружающие очаг, создают колоссальное давление. Чтобы магма пробилась наверх, её давление должно превысить прочность этих пород. Это происходит в нескольких случаях.
- Первый — накопление новой магмы. Когда снизу поступает свежая порция расплава, давление в очаге растёт.
- Второй — выделение газов. Растворённые в магме газы — водяной пар, углекислый газ, сернистые соединения — начинают пузыриться при снижении давления, резко увеличивая объём и создавая дополнительное давление. Именно газы — главная взрывная сила вулкана.
- Третий — тектонические движения, которые могут открыть трещины и дать магме путь наверх.
Когда давление достигает критической точки — начинается извержение. Магма устремляется по жерлу вулкана вверх, теряет давление, газы вырываются из неё — и на поверхности мы видим лаву, пепел и вулканические бомбы.
Лава и магма — это одно и то же?
Технически — нет. Магма — это расплавленная порода, пока она находится под землёй. Как только она вырывается на поверхность — она становится лавой. Разница лишь в местоположении, но не в составе.
Состав лавы определяет характер извержения.
- Базальтовая лава — жидкая, текучая, бедная кремнезёмом. Она легко выпускает газы, поэтому извержения гавайского типа относительно спокойны: лава медленно течёт, давая людям время убраться с дороги.
- Андезитовая и риолитовая лавы — густые, вязкие, богатые кремнезёмом. Они закупоривают жерло вулкана как пробка, газы накапливаются под ней — и когда давление достигает предела, происходит катастрофический взрыв. Именно так извергался Везувий в 79 году нашей эры, уничтоживший Помпеи.
Можно ли предсказать извержение?
Поскольку магма существует под вулканом постоянно, учёные научились отслеживать изменения в её поведении. Перед извержением магматический очаг «оживает»: усиливаются землетрясения, поверхность вулкана вспухает из-за нарастающего давления, меняется температура и состав газов, выходящих из фумарол. Всё это позволяет современным вулканологам предсказывать крупные извержения за несколько дней или даже недель — и спасать тысячи жизней.