Почему вулкан обрушивается внутрь себя: под ним заканчивается опора
Осенью 2014 года под ледником Ватнайёкюдль в Исландии земля начала проседать. За полгода образовалась чаша площадью 110 км² и глубиной до 65 метров. При этом на самой вершине Бардарбунги не было никакого извержения: ни взрыва, ни лавы, ни пепла. Вулкан просто уходил вниз. Лава в это время лилась в 48 километрах оттуда.
Так работает кальдера. И это не про взрыв.
Кратер и кальдера — разные вещи
Слова часто путают, но различие принципиальное. Кратер — воронка, которую извержение выкапывает наружу: породу выбрасывает, остаётся дырка. Размер кратера определяется силой выброса и редко превышает сотни метров.
Кальдера — то, что провалилось внутрь. Её размер задаёт не жерло, а площадь потолка магматической камеры, которая под ней опустела. Поэтому кальдеры на порядок больше кратеров: Крейтер-Лейк в Орегоне — 8 на 10 километров, и никакой взрыв такую дыру бы не выкопал.
Пара «взрыв — провал» вообще неточная. Взрыв здесь не причина, а сосед по времени.
Потолок над пустеющим залом
Схема простая, пока не начинаешь считать.
Под вулканом лежит магматическая камера — заполненный расплавом объём в нескольких километрах от поверхности. Пока она под давлением, она держит вес всего, что сверху. Когда извержение выносит магму наружу быстрее, чем камера успевает подпитаться снизу, давление внутри падает, а нагрузка сверху остаётся прежней.
Дальше порода делает то, что делает любая недостаточно подпёртая крыша. По краям камеры зарождаются разломы, они прорастают вверх к поверхности и смыкаются в кольцо — геологи называют их кольцевыми разломами. Как только кольцо замкнулось, блок внутри него теряет связь с окружающим массивом и начинает опускаться целиком, как поршень в цилиндре.
Критическая доля откачанной магмы, после которой кольцо смыкается, невелика. По аналоговым моделям и оценкам полевых случаев она составляет порядка нескольких процентов объёма камеры, максимум около 7%. Опустошать резервуар полностью не требуется — достаточно снять с потолка опору.
Как это выглядит, когда за этим следят приборы
В 2018 году Килауэа на Гавайях устроила первую в истории кальдеру, полностью снятую современной аппаратурой.
Лава ушла в Восточную рифтовую зону, и лавовое озеро на вершине слилось. Дальше два месяца повторялся один и тот же цикл: сейсмичность нарастала, потом дно кальдеры проседало разом на несколько метров, землетрясение отпускало напряжение, и всё начиналось заново. Таких эпизодов насчитали больше шестидесяти.
К июлю вершина опустилась примерно на 500 метров, а объём провала превысил 0,75 км³ — крупнейшее событие на Килауэа больше чем за две сотни лет. Двадцать GPS-приёмников писали смещения с точностью до миллиметра каждые пять секунд. Расчёты по этим данным дали геометрию, о которой раньше только спорили: блок опускался вдоль почти вертикального кольцевого разлома с наклоном около 85 градусов.
Кальдера, оказалось, проваливается не одним движением, а ступеньками, с ритмом, который задаёт трение о собственные стенки.
Магма не обязана выходить наверху
Бардарбунга показывает вторую версию того же механизма — и она объясняет, почему проседающая вершина может выглядеть беззвучно.
Магма ушла из-под кальдеры вбок, по 48-километровой дайке, и вышла на поверхность в Холухрауне: 1,4 км³ лавы за полгода, ещё 0,5 км³ осталось в самой дайке. Объём проседания составил 1,8 ± 0,2 км³ — в пределах погрешности это ровно столько же, сколько ушло магмы (1,9 ± 0,3 км³). Баланс сошёлся.
Обрушение началось, когда камера потеряла 12–20% от того, что в итоге ушло, и дальше поддерживалось обратной связью: вес проседающего блока подпирал давление в резервуаре и выталкивал магму дальше по каналу, а отток магмы позволял блоку опуститься ещё.
Вулкан, получается, сам себя выдавливал.
Что остаётся после
Пинатубо в 1991-м выбросил около 5 км³ магмы, и вершина просела с 1745 до 1485 метров, оставив кальдеру шириной 2,5 километра. Мазама 7700 лет назад выпустил больше 50 км³ и превратился из вулкана высотой в километры в дыру, которую заполнило озеро глубиной 592 метра.
Дальше сценарий обычно один. В провале копится вода, а магматическая система, если она не умерла, начинает строить внутри кальдеры новые конусы. Именно эти молодые островки в центре старого провала и говорят, что механизм не отработал своё, а просто взял паузу.