Учёные выяснили, почему одни извержения Этны длятся недели, а другие — часы

Вулканы питаются огромными подземными сетями магмы и газа, но эти системы не всегда работают одинаково. Даже один вулкан может извергаться по совершенно разным сценариям.

Исследовательская группа под руководством Корнеллского университета показала, насколько сильно могут различаться эти пути на примере вулкана Этна в Италии. Реконструировав два крупных извержения из прошлого вулкана, учёные обнаружили, что магма следовала совершенно разными маршрутами и двигалась к поверхности с очень разной скоростью.

Понимание этих различий, а также методов, использованных для их выявления, может помочь учёным улучшить модели для оценки рисков будущих извержений. Результаты недавно были опубликованы в журнале Geochemistry, Geophysics, Geosystems. Первый автор — бывший постдокторант Максим Гавриленко.

Проектом руководил Эстебан Газель, профессор имени Чарльза Н. Меллоуза на кафедре наук о Земле и атмосфере Инженерного колледжа Даффилда Корнеллского университета.

Взрывной характер вулкана зависит от нескольких факторов, включая текучесть магмы и количество летучих веществ, заключённых в ней. Эти летучие вещества — газы, которые могут отделяться от магмы при изменении давления.

«Представьте бутылку газировки. Если открыть её, не взбалтывая, можно выпить, но если встряхнуть, все пузырьки отделяются очень быстро, и происходит взрыв, — сказал Газель. — Вулканы работают похожим образом, и моя лаборатория пытается количественно оценить эти процессы».

Два важнейших вулканических летучих вещества — вода и углекислый газ. Долгое время учёные считали воду главным летучим веществом, ответственным за извержения. Однако в 2023 году группа Газеля показала, что углекислый газ также может вызывать взрывную вулканическую активность.

Исследователи пришли к этому выводу, используя метод, который они разработали с помощью рамановской спектроскопии. Метод позволяет изучать кристаллы, образовавшиеся внутри магмы, и измерять микроскопические пузырьки газа, заключённые в них. Эти пузырьки составляют всего 1–10% толщины человеческого волоса.

«Этот метод даёт нам плотность CO₂, и, используя уравнение состояния, мы можем преобразовать эту плотность в давление, а давление — в глубину, — сказал Гавриленко. — Затем мы применяем эти методы к этим взрывным извержениям и можем реконструировать подводящую систему с беспрецедентной точностью».

Команда выбрала Этну, потому что это относительно простая система, в которой доминируют вулканические газы. Хотя Этна считается относительно спокойным вулканом по сравнению со многими другими, в её истории есть несколько крайне violent извержений.

Одно из крупнейших известных извержений произошло в 122 году до н. э. Это событие было одновременно «мафическим» и плинианским. Мафическая магма имеет относительно низкую вязкость и богата магнием и железом. Плинианские извержения представляют собой наиболее взрывной класс вулканических извержений и названы в честь Плиния Старшего, описавшего извержение Везувия в 79 году н. э.

Соавторы Терри Планк из Колумбийского университета и Брюс Хафтон из Гавайского университета в Маноа отправились на Этну для систематического сбора образцов.

Секвенируя и измеряя кристаллы, образовавшиеся в магме, исследователи реконструировали события извержения 122 года до н. э. Анализ показал, что магма начала подниматься с глубины около 22 км.

Однако вместо того чтобы устремиться прямо к поверхности, магма двигалась вверх медленно, а затем остановилась на гораздо меньшей глубине — 2–5 км. Она оставалась там несколько недель, постепенно выделяя газ, прежде чем наконец извергнуться.

Затем исследователи сравнили свои новые измерения с данными другого извержения Этны, известного как событие Fall Stratified, которое произошло почти 4000 лет назад. Это извержение пошло по совершенно иному пути.

В этом случае магма быстро поднималась из гораздо более глубоких слоёв мантии, начиная примерно с 24–30 км ниже поверхности. Вместо того чтобы задерживаться на недели, она поднялась и изверглась в течение нескольких часов. Исследователи обнаружили, что этот быстрый подъём был связан с гораздо более высокой концентрацией углекислого газа.

«Некоторые вулканы связаны только с высоким содержанием CO₂, в основном на океанических островах, а некоторые вулканы в основном контролируются водой, например, в зонах субдукции. Этна — один из немногих вулканов в мире, где конкурируют два летучих вещества, — сказал Газель. — Это показывает, что при определённом пороге CO₂ извержение происходит из очень глубоких слоёв и очень быстро, но когда порог воды выше, процесс контролируется на малых глубинах».

Результаты показывают, что баланс между углекислым газом и водой может сильно влиять на развитие извержения. Высокий уровень CO₂ может быстро поднимать магму из глубоких слоёв, тогда как вода становится важнее, когда магма проводит больше времени на меньших глубинах.

Команда Газеля теперь использует тот же подход для изучения вулканов в Чили, на Гавайях и во многих других регионах.

«В идеале это нужно сделать для каждого вулкана на планете, — сказал он. — Это данные, которые нам нужны для физических моделей извержений, лежащих в основе оценки рисков».

Определяя, где магма начинает подъём, как быстро она движется и какие газы управляют этим движением, исследователи смогут строить более реалистичные модели того, как развиваются опасные извержения.

Этна также несёт культурную историю, выходящую далеко за пределы современной вулканологии. В греческой мифологии вулкан связывали с погребением гигантов Тифона и Энцелада после их поражения от олимпийских богов. Газель видит интригующую параллель между этими древними историями и подземными структурами, выявленными его командой.

«Возможно, под Этной находятся два мифических гигантских монстра, — сказал Газель. — И если посмотреть на подводящую систему плинианского извержения, она похожа на Тифона, потому что вытянутая и змеевидная, а другая — на Энцелада, потому что она как бы меньше. Если работаешь на Этне, трудно не быть связанным с историей, классическими трудами и великолепной едой».

Соавторами также выступили постдокторанты Кайл Дейтон и Эллин Хаггинс, а также Анна Барт из Калифорнийского университета в Беркли. Исследование поддерживалось Национальным научным фондом.

Источники:

Материалы предоставлены Корнеллским университетом. Оригинал написан Дэвидом Наттом.

M. Gavrilenko, E. Gazel, K. Dayton, A. Barth, T. Plank, E. G. Huggins, B. Houghton. Deep Origin and Shallow Launch for the Etna 122 B.C. Mafic Plinian Eruption. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2026; 27 (6) DOI: 10.1029/2026GC012924