Расплавленная порода, питающая вулканы, может храниться в земной коре до тысячи лет, что может помочь в управлении вулканическими опасностями и более точном прогнозировании возможных извержений.
Исследователи из Кембриджского университета использовали вулканические минералы, известные как «хрустальные часы», чтобы рассчитать, как долго магма может храниться в самых глубоких частях вулканических систем. Это первая оценка времени хранения магмы вблизи границы земной коры и мантии, называемой Мохо. Результаты опубликованы в журнале Science.
«Это похоже на работу геологического детектива», - сказал доктор Юан Матч из Кембриджского отделения наук о Земле и первый автор статьи. «Изучая то, что мы видим в горных породах, чтобы реконструировать характер извержения, мы также можем узнать, в каких условиях хранится магма, но трудно понять, что происходит в более глубоких частях вулканических систем».
«Определение того, как долго магма может храниться в земной коре, может помочь улучшить модели процессов, вызывающих извержения вулканов», - сказал соавтор исследования доктор Джон Макленнан, также из Департамента наук о Земле. «Скорость подъема и накопления магмы тесно связана с переносом тепла и химических веществ в коре вулканических регионов, что важно для геотермальной энергетики и выброса вулканических газов в атмосферу».
Исследователи изучили извержение Боргархраун вулкана Тейстарейкир в северной Исландии, которое произошло примерно 10 000 лет назад и питалось непосредственно от Мохо. Эта пограничная область играет важную роль в переработке расплавов, когда они движутся из своих источников в мантии к поверхности Земли. Чтобы рассчитать, как долго магма хранилась в этой граничной области, исследователи использовали вулканический минерал, известный как шпинель, как крошечный секундомер или хрустальные часы..
Используя метод кристаллических часов, исследователи смогли смоделировать, как состав кристаллов шпинели менялся с течением времени во время хранения магмы. В частности, они рассмотрели скорость диффузии алюминия и хрома в кристаллах и то, как эти элементы «зонированы».
«Диффузия элементов работает, чтобы привести кристалл в химическое равновесие с окружающей средой», - сказал Макленнан. «Если мы узнаем, как быстро они диффундируют, мы сможем вычислить, как долго минералы хранились в магме».
Исследователи посмотрели на то, как алюминий и хром были зонированы в кристаллах, и поняли, что этот узор говорит им что-то интересное и новое о времени хранения магмы. Скорости диффузии были оценены с использованием результатов предыдущих лабораторных экспериментов. Затем исследователи использовали новый метод, сочетающий моделирование методом конечных элементов и байесовскую вложенную выборку, чтобы оценить масштабы времени хранения.
«Теперь у нас есть действительно хорошие оценки того, откуда берется магма с точки зрения глубины», - сказал Матч. «Никто никогда не получал такую информацию о шкале времени из более глубоких слоев земной коры».
Расчет времени хранения магмы также помог исследователям определить, как магма может переноситься на поверхность. Исследователи говорят, что вместо классической модели вулкана с большим магматическим очагом под ним это больше похоже на вулканическую «водопроводную систему», проходящую через кору с множеством маленьких «носиков», через которые магма может быстро перемещаться на поверхность..
Вторая статья той же группы, недавно опубликованная в Nature Geoscience, обнаружила, что существует связь между скоростью подъема магмы и выбросом CO2, что имеет значение для мониторинга вулканов.
Исследователи заметили, что достаточное количество CO2 было переведено из магмы в газ за несколько дней до извержения, что указывает на то, что мониторинг CO2 может быть полезным способом обнаружения предшественников извержений в Исландии. Основываясь на том же наборе кристаллов из Боргархрауна, исследователи обнаружили, что магма может подняться из очага глубиной 20 километров на поверхность всего за четыре дня..
Исследование проводилось при поддержке Совета по исследованию окружающей среды (NERC).