Природа и механизм резких изменений режима вулканических извержений (стр. 3 из 4)
1. Газовая эмиссия (умеренные взрывы) с резургентной пирокластикой - продолжительность от часов до дней.
2. Умеренная эксплозивная активность с выбросом ювенильной пирокластики - от часов до лет.
3. Интрузия магмы в тело конуса вулкана (рост "криптокупола") при ослаблении эксплозивной активности - от дней до месяцев.
4. Обвал склона вулкана и "направленный взрыв" - минуты.
5. Плинианская стадия - квазистационарное истечение газопирокластической струи - от десятков минут до нескольких дней.
6. Рост экструзивного купола - до десятков лет.
Полностью реализовалась эта последовательность на извержениях Безымянного 1956 г. и Сент Хеленса 1980 г., на некоторых других подобных извержениях третья, четвертая и (или) шестая стадии отсутствовали.
Основной, обычно полностью определяющей геологический эффект, фазой наиболее мощных КЭИ, является плинианская стадия. Переход от умеренной к катастрофической (плинианской) стадии всегда резкий со скачкообразным возрастанием расхода на несколько порядков (даже если стадия обвала и направленного взрыва отсутствует). Такой скачок интенсивности выглядит как взрыв, что и явилось причиной широко распространенного представления об аналогии КЭИ со взрывом парового котла, когда разрушение прочной оболочки освобождает внутреннее давление и приводит к выбросу.
Приведенные на рисунках зависимости расхода от управляющих параметров позволяют объяснить все перечисленные особенности развития КЭИ. Действительно, в период покоя между извержениями магма в канале остывает и дегазируется, канал запечатывается пробкой из остывших продуктов, и в начале извержения какая-то его часть должна возникать заново. Расход вначале невелик, падение избыточного давления в очаге незначительно, и состояние системы описывается точкой на нижней ветви одной из кривых рисунка 1А. Поток дегазирующейся магмы расширяет канал за счет эрозии и прогревает его стенки. В результате проводимость увеличивается, и изображающая точка движется по кривой вправо. Если она дойдет до точки поворота, она вынуждена будет перескочить на верхнюю ветвь - расход скачком возрастет. Относительная величина скачка достигает нескольких порядков. Извержение перейдет в катастрофическую стадию. Здесь уже падение давления в очаге станет существенным, однако, продолжающийся рост проводимости может еще некоторое время способствовать небольшому увеличению расхода. Затем проводимость канала стабилизируется, и расход начинает постепенно снижаться в результате падения давления в очаге - поведение системы описывается движением точки влево по верхней ветви одной из кривых рис.1В. По достижении поворота кривой изображающая точка соскакивает на нижнюю устойчивую ветвь - расход резко падает. Извержение переходит в экструзивную стадию или прекращается вообще. Осуществление того или иного варианта зависит от глубины очага - чем она меньше, тем больше временной интервал между окончанием плинианской и началом экструзивной стадии и вероятнее полная остановка извержения.
Условия возможности катастрофического скачка
 |
| Рис. 3 |
Из картинки сборки очевидно, что скачок возможен, если величина расщепляющего параметра меньше критической. Расчеты показывают, что, строго говоря, ни один из выбранных нами управляющих параметров не является расщепляющим в чистом виде, то есть не проводит изображающую точку строго по оси сборки. Наиболее близка к этому длина канала (глубина очага) и, кроме того, глубина очага - это наиболее стабильный, обычно почти не меняющийся в процессе извержения, параметр. Поэтому, в первом приближении его можно рассматривать как расщепляющий. Тогда критерием возможности катастрофического скачка будет условие:
Н0<Hкр (8)
Нормальным параметром в начале извержения, в соответствии с приведенными выше рассуждениями, следует считать проводимость канала.
Глубина очага Н0 для каждого конкретного вулкана может быть определена комплексом геофизических методов. Критическая глубина Нкр находится с помощью численных расчетов на основе приведенной модели. Расчеты показали, что Нкр зависит практически только от одного параметра - содержания летучих с0, причем линейно по закону [12]:
Нкр= Н*(с0-с*), (9)
Где Н*=356 и с*=0,01 - константы. График зависимости (9) показан на рис.3.
На рисунке хорошо видно, что, хотя катастрофический скачок возможен при различных глубинах очага, большая глубина очага требует для этого и большей массовой доли летучих. Поскольку и глубина очага, и содержание летучих в магме ограничены естественными рамками, область возможности катастрофических скачков оказалась довольно узкой.
Минимальная глубина устойчивого очага определяется условиями теплообмена (допустимыми потерями тепла через кровлю) и не может быть меньше 5-6 км. (На меньшей глубине возможны только нестабильные, кратковременно сохраняющие активность, небольшие близповерхностные интрузии.) Такой минимальной критической глубине соответствует содержание летучих примерно 2%. Близкое к этому (и меньшее) количество летучих содержится в магмах большинства базальтовых извержений. В этом причина того, что на базальтовых вулканах катастрофических скачков интенсивности не наблюдается.
Максимальная глубина очага, при которой возможны скачки, ограничивается содержанием летучих. Максимальная величина с0 в вулканических очагах, оцениваемая по фазово-минеральным равновесиям во вкрапленниках, составляет 5-6%. Такому содержанию растворенной воды соответствует критическая глубина очага около 20 км.
Таким образом, диапазон значений параметров, при которых возможны катастрофические скачки, составляет по содержанию летучих - от 2 до 6%, а по глубине очага - от 5 до 20 км. Реально диапазон уже, так как вблизи его границ скачок будет очень мал. Катастрофические скачки интенсивности практически исключены для базальтовых вулканов, так как магмы таких вулканов обычно содержат относительно мало летучих, и их очаги расположены относительно глубоко. Скачки должны быть свойственны вулканам с кислыми и средними магмами, очаги которых, как правило, расположены на глубинах меньших 20 км, а магмы содержат достаточно много летучих. Это мы и наблюдаем в действительности.
Скачкообразный переход от газопирокластического к экструзивному режиму также определяется соотношением фактической и критической глубин очага [14]. Чем больше фактическая глубина очага при той же критической, тем больше протяженность и полное сопротивление канала, тем больше давление на нижнем его конце и больше абсолютная и относительная протяженность зоны жидкостного потока, тем меньше процесс вспенивания магмы захватывает область очага. Когда перепад давления вследствие извержения уменьшается настолько, что начинается подъем уровня фрагментации, этот подъем, замедляясь, продолжается до тех пор, пока движущий перепад давления не скомпенсируется гидростатическим. Если это происходит до достижения этим уровнем верхнего конца канала, извержение прекращается, если движение продолжается - начинается экструзивная стадия. Последнее требует достаточно большой величины остаточного давления, для чего необходима соответствующая глубина очага. При неглубоком очаге уровень начала газоотделения погружается далеко в очаг, что приводит к значительному его опустошению. Когда давление на нижнем конце канала падает настолько, что начинается обратный подъем уровня фрагментации, запаса энергии в очаге может оказаться недостаточно, чтобы обеспечить подъем даже пористой магмы до поверхности. Извержение прекратится полностью.
Если очаг достаточно глубок и экструзивная стадия возможна, между ее началом и окончанием плинианской стадии в извержении должен быть перерыв, необходимый для подъема уровня фрагментации к поверхности, тем больший, чем меньше относительная глубина очага. Такой перерыв действительно наблюдался на извержениях, и продолжительность его качественно соответствует расчетной. Так, для Сент Хеленса глубина очага определена величиной 7,2 км и задержка экструзивной стадии составляла 3 недели [18]; для Безымянного глубина очага оценивается величиной 12 км [2], а задержка экструзивной стадии, по-видимому, была менее недели. Извержение вулкана Шивелуч 1964 года вообще не сопровождалось экструзивной стадией. Данных о глубине очага в этом случае не имеется, но, сравнивая с Сент Хеленсом и Безымянным, можно предположить, что она во всяком случае меньше 7 км.
Влияние некоторых внешних факторов, нарушающих идеализированную систему <извергающийся вулкан"
Все проделанные оценки основаны на идеализированной модели жесткой изолированной магматической системы. Неплохое качественное совпадение с наблюдениями говорит об адекватности такой модели в большинстве случаев. Однако, очевидно существование и отклонений от идеальной схемы. Достаточно надежно подтверждены наблюдениями следующие явления: 1 - оседание или обрушение кровли очага в конце плинианской стадии; 2 - боковые внедрения магмы из очага по трещинам; 3 - инъекции в очаг глубинного магматического вещества.
Оседание или обрушение кровли приводит к образованию кальдер. Описано множество четвертичных кальдер обрушения, сопровождавших КЭИ, современные извержения лишь очень редко сопровождались не очень значительными проседаниями. Образование кальдеры связано с частичным опустошением очага в результате вспенивания магмы в нем, которое может быть количественно описано для любого конкретного вулкана с помощью предложенной теории. В частности, теория позволяет найти максимальную возможную степень опустошения и, соответственно, глубину проседания. Это было проделано и получено удовлетворительное согласие с наблюдениями [11].