Томограф для спящего гиганта: как вулканологам помогают ядерные технологии

В августе Камчатка отмечает День вулкана. Самый известный на полуострове праздник начинается с массового восхождения на вулкан Авачинский. Участвуют тысячи желающих, специальной подготовки не требуется. О чем говорить восемь часов, пока вы идете к вершине? Например, о том, сколько в России действующих вулканов, почему важно изучать эти древние образования и как вулканологам помогают ядерные технологии.

По последним данным, в мире около 1,5 тыс. действующих вулканов — ​тех, что хотя бы раз извергались за последние 10 тыс. лет. В России известно около 170, действующих — ​70, они расположены в наиболее сейсмически активных областях — ​на Камчатке и Курильских островах. Вулканы в других регионах относятся к спящим и потухшим.

Изучение вулканов позволяет добыть больше данных о строении и происхождении Земли и предсказывать извержения. Вулканологи расширяют инструментарий исследований и прибегают к климатологии, петрологии, сейсмологии, биои даже ядерным технологиям.

Из космоса в недра

Один из наиболее эффективных способов изучить вулкан — ​мюонная томография. Частицы, образующиеся при попадании космических лучей в верхние слои атмосферы Земли, обладают высокой проникающей способностью и, проходя через исследуемый объект, позволяют получить снимок его внутреннего строения.

К примеру, в 2011 году участники французской коллаборации Tomuvol устанавливали портативный мюонный детектор в разных точках вулкана Пюи-де-Дом и, регистрируя потоки мюонов, строили 3D-модель вулкана. Таким же образом визуализировали структуру Везувия (2013 год, международный проект Mu­Ray) и Этны (2015 год, проект Diaphane).

Основная задача исследователей сегодня — ​не просто изучить строение вулкана, но и изобрести методы постоянного мониторинга его активности и предсказания извержения. Ежегодно на планете происходит от 50 до 70 извержений. По данным Смитсоновского института, с начала этого года зафиксировано уже 57.

МЕТОД МЮОННОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Дело в изотопах

Японские ученые сделали вывод, что прогнозировать извержение можно по изотопному составу газа, выделяющегося из трещин возле вулкана — ​фумарол. Газ расскажет, что происходит под земной корой, в мантии, где образуется магма.

В течение семи лет японцы изучали фумаролы вокруг активного вулкана Сиране на острове Хонсю и собирали образцы газа. Проанализировав их изотопный состав на масс-спектрометре, обнаружили изменения в соотношении аргона‑40 и гелия‑3. Оба элемента входят в магму и связаны с пробуждением вулкана, соотношение характеризует, насколько сильно вспенивается магма. Чем больше магматического газа, тем быстрее поднимается магма и выше вероятность извержения.

Синхротрон в МИФИ

Идеальный метод прогнозирования ищут и российские исследователи. Ученые МИФИ совместно с коллегами из Национального института ядерной физики (Италия) выбрали объектом наблюдения вулкан Монте­Нуово близ Неаполя. Последний раз он извергался в 1538 году.

Физики исследовали образцы застывшей лавы рентгеном, для подтверждения результатов применили синхротронное излучение. Рентгенограммы и томограммы помогли увидеть внутренние особенности пород и получить трехмерную модель с высоким разрешением. Такие 3D-модели позволяют лучше изучить процессы, происходившие в магме во время ее подъема к поверхности земли, скорость выделения магматического газа и ее влияние на скорость извержения. Сравнение показателей с данными о недавних извержениях поможет точнее предсказывать их и описать возможные сценарии.

Кстати

Крупнейшие действующие вулканы у нас находятся на Камчатке. Но вулканы есть и на Чукотке. Самый известный — ​Анюйский, он же самый северный потухший вулкан в России. Его обнаружили в 1952 году при аэрофотосъемке. В 1953 году экспедиция геолога Евгения Устиева прошла вдоль потока застывшей лавы протяженностью 56 км и детально описала это образование. Тогда ученые предположили, что Анюйский вулкан совсем молодой — ​появился в результате извержения 500 лет назад, однако, согласно более поздним исследованиям, ему около 250 тыс. лет.