Извержение вулкана в Тонга в 2022 году помогло изучить недра Аляски

Вулкан Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай — один из 12 подтвержденных подводных вулканов вдоль сегмента более крупной вулканической дуги Тонга-Кермадек. Автор: Tonga Geological Services via the Smithsonian Institution's Global Volcanism Program

Атмосферные волны от мощного извержения вулкана в южной части Тихого океана в 2022 году создали сейсмические волны, которые проникли в недра Земли на глубину не менее 5 километров на Аляске. Это создало возможность использовать необычный метод изучения глубоких недр штата.

Кен Макферсон, учёный из Геофизического института Университета Аляски в Фэрбенксе, и другие исследователи проанализировали связь атмосферных волн давления с земной поверхностью, чтобы определить скорость распространения сейсмических волн через верхнюю кору Аляски.

Свойства подповерхностных материалов, такие как твёрдость, которая контролирует сейсмическую скорость, можно определить, изучая относительную силу входящих волн давления и результирующих сейсмических волн. Представьте, что вы дуете на поверхность миски с желе, а затем с той же силой — на противень с тестом для брауни: желе будет дрожать, а брауни почти не сдвинутся с места, потому что материал жёстче.

«Волны давления от Хунга-Тонга предоставили нам гораздо больше информации о том, как сейсмические волны распространяются на Аляске», — сказал Макферсон.

Исследование Макферсона о сейсмической скорости на глубинах 30 метров, 2 километров и 5 километров опубликовано в журнале Seismica.

Извержение

Взрывное извержение вулкана Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в Королевстве Тонга, примерно в 9600 километрах от Аляски, произошло 15 января 2022 года. Атмосферные волны от этого извержения стали крупнейшими, зарегистрированными от вулкана со времён извержения Кракатау в 1883 году.

«Хунга-Тонга стал беспрецедентным взрывом в эпоху инструментальных наблюдений, — отметил Макферсон из Технического центра Уилсона на Аляске. — Эти волны давления сотрясли Аляску на расстоянии 9600 километров, что само по себе поразительно. Многие из этих волн были длиннопериодными и, следовательно, проникли глубоко в недра Земли».

Сеть из 150 совместно расположенных барометров, инфразвуковых датчиков и сейсмометров на Аляске записала данные об извержении, которые использовались в исследовании Макферсона.

Получение информации посредством связи «воздух-земля» на глубине 5 километров — явление необычное. Это связано с тем, что сейсмические волны, создаваемые таким способом, обычно имеют более короткую длину волны — если только источник энергии не является чем-то действительно огромным.

«Поскольку взрыв Хунга был настолько колоссальным, волны давления, преодолевшие большое расстояние до Аляски, всё ещё оставались достаточно мощными, чтобы сотрясать Землю, и поэтому идеально подходили для исследования связи», — пояснил Макферсон.

Связь «воздух-земля»

Как атмосферная волна давления может сотрясать землю? И как она может достигать глубины 5 километров под поверхностью?

Мощные волны давления от вулканического изверчения или взрыва создают быстрые изменения атмосферного давления по мере распространения в атмосфере. Когда эти волны давления достигают земли, они толкают и тянут поверхность в процессе, называемом связью «воздух-земля», который передаёт энергию в недра Земли.

Передача энергии происходит через процесс, описываемый вторым законом Ньютона, который гласит, что приложенная сила заставляет частицы двигаться, преодолевая их инерцию. Это движение частиц создаёт сейсмические волны, содержащие механическую энергию в двух формах — кинетическую энергию от движущихся частиц и упругую энергию от временной деформации коры при прохождении волны.

Спутник NASA зафиксировал взрывное извержение Хунга-Тонга-Хунга-Хаапай в южной части Тихого океана. Изображение Joshua Stevens/NASA Earth Observatory с использованием GOES-17. Автор: National Oceanic and Atmospheric Administration and National Environmental Satellite, Data and Information Service

Волны информации

Исследование скорости может стать дополнительным инструментом для анализа сейсмической опасности, поскольку скорость волн влияет на уровень движения грунта.

«Если распространяющаяся волна находится в глубоком материале и движется быстро, но внезапно попадает в более мягкий материал, сохранение энергии требует: "Я движусь медленнее, но у меня остаётся та же энергия", — объяснил Макферсон. — Это означает, что амплитуды увеличиваются, вызывая более сильное сотрясение.

Просто знание этих скоростей в верхней коре полезно для анализа сейсмической опасности. Это также полезно для операторов сетей, таких как Аляскинский центр землетрясений, потому что они могут точно применять скорость коры под конкретной сейсмической станцией для потенциального повышения точности определения местоположения землетрясений».

Работа Макферсона также может быть особенно полезна в томографии — технике, которую сейсмологи используют для создания трёхмерных изображений недр Земли путём анализа того, как сейсмические волны проходят через различные материалы. Томография выявляет вариации таких свойств, как плотность или скорость, помогая учёным картировать глубокие недра.

«Чтобы правильно проводить томографию, необходимо делать так называемую коррекцию коры, потому что скорости в верхней коре сильно отличаются от тех глубинных скоростей, которые вы пытаетесь определить, — сказал он. — Если вы что-то знаете о коре, вы можете применить коррекцию, которая улучшает томографию на десятки и сотни километров».

Среди соавторов исследовательской работы — профессор Дэвид Фи, постдокторант Стефан Авендер, доцент Брайант Чоу и исследователи сейсмоакустики Джулианн Колуэлл и Сэм Деламер из Технического центра Уилсона Геофизического института UAF. Мэтью Хейни из Геологической службы США также является соавтором.

Больше информации: Kenneth Macpherson et al, Alaska Upper Crustal Velocities Revealed by Air-to-Ground Coupled Waves From the 2022 Hunga Tonga-Hunga Ha'apai Eruption, Seismica (2025). DOI: 10.26443/seismica.v4i2.1557

Источник: University of Alaska Fairbanks