Активизация крупнейшего гейзера Йеллоустона не говорит о пробуждении супервулкана
Учитывая, что Йеллоустонский супервулкан извергается с периодичностью примерно раз в полмиллиона лет, а после последнего извержения прошло уже более шестисот тысяч лет, понять беспокойство ученых можно. Извержение вулкана такого масштаба может привести к изменению климата на планете и катастрофическим последствиям для всего живого. Однако недавнее исследование показывает, что активизация «Парохода» скорее всего связана не с масштабными вулканическими процессами, а с изменениями в гидротермальной системе самого гейзера.
Гейзер «Пароход» (см. Steamboat Geyser) расположен в северной части Йеллоустонского национального парка в пределах бассейна гейзеров Норрис (см. Norris Geyser Basin), недалеко от северо-западного края Йеллоустонской кальдеры — котловины, образовавшейся в результате обрушения стенок кратера во время последнего извержения супервулкана 640 тыс. лет назад. Извержение было настолько мощным, что слой пепла, выброшенного вулканом, покрыл две трети территории США.
Гейзер «Пароход» во время мощного извержения, 2018 год. Фото с сайта en.wikipedia.org
Бассейн гейзеров Норрис — чрезвычайно динамичная и горячая зона, возникшая на пересечении двух глубинных разломов, уходящих корнями в магматический очаг, с кольцевым разломом, ограничивающим кальдеру.
Геологическая карта бассейна гейзеров Норрис (на врезке показан стрелкой), расположенного на северо-западной окраине Йеллоустонской кальдеры. Красными кружочками на основной карте отмечены термальные источники; белыми звездочками — гейзеры, в том числе гейзер «Пароход» (Steamboat); белым изображены вулканические шлаки; желтым — аллювиальные отложения, коричневым — ледниковые отложения; сиреневым — туфовая формация Лава-Крик, образовавшаяся 640 тыс. лет назад во время последнего извержения Йеллоустонского супервулкана. Зеленый кружочек на врезке — GPS-станция Невадского университета NRWY, зеленый пятиугольник на основной карте — сейсмическая станция YNM. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в PNAS
15 марта 2018 года, после трех с половиной лет полного бездействия и 34 лет относительного спокойствия, гейзер «Пароход» снова активно заработал. С тех пор он извергался уже более ста раз — больше, чем в любой предыдущей фазе активности за всю историю наблюдений. Высота горячих водяных фонтанов в нынешнюю фазу также больше, чем когда-либо ранее. Все эти факты привлекают внимание ученых и общественности, широко освещаются в прессе, порождая слухи и беспокойства.
Накопительная кривая извержений гейзера «Пароход», начиная с 1960 года. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в журнале PNAS
Американские ученые под руководством Майкла Манга (Michael Manga) и Мары Рид (Mara H. Reed) из Калифорнийского университета в Беркли решили выяснить, почему «Пароход» снова стал активным, какие тектонические или термодинамические процессы определяют интервалы между его извержениями и почему фонтаны в этот раз рекордно высокие. Они проанализировали данные 109 извержений последней фазы и сравнили их с периодами активности 1960-х и 1980-х годов, а также с девятью другими гейзерами Йеллоустона.
Авторы использовали сейсмические, гидрологические, геохимические и спутниковые данные теплового инфракрасного излучения, а также данные о деформации грунта. Оказалось, что непосредственно перед началом активизации гейзера в марте 2018 года геофизические приборы зафиксировали эпизоды поднятия территории, повышения сейсмичности и увеличения фона инфракрасного излучения в бассейне Норрис, что может указывать на потенциальную связь с глубинной магматической активностью.
В то же время после периода высокой сейсмической активности, температура геотермального резервуара бассейна Норрис в целом не изменилась. Не возобновили свою работу и другие спящие гейзеры (кроме «Парохода»), хотя все они находятся в единой зоне разломов озера Хебген (см. Hebgen Lake). К этой зоне приурочено большинство землетрясений Йеллоустона, в том числе знаменитое землетрясение 1959 года (см. 1959 Hebgen Lake earthquake) магнитудой 7,2, последствия которого ощущались от Пуэрто-Рико до Гавайев.
Почему же стал активным именно «Пароход»? Авторы по очереди проанализировали главные потенциальные причины: изменение режима осадков, сейсмичность, процессы, связанные с поднятием в бассейне Норрис, деформация грунта и выбросы геотермальной энергии.
Для оценки общего количества атмосферных осадков ученые использовали наблюдения за уровнем воды в реке Йеллоустон за период с 1960 по 2020 год. Никакой корреляции между количеством извержений гейзера «Пароход» и годовыми нормами осадков установить не удалось.
Реактивизации гейзера предшествовала серия небольших землетрясений у северного края Йеллоустоунской кальдеры в июне — августе 2017 года и феврале 2018 года, но пиковая скорость волн в грунте, замеренная сейсмической станцией YNM в бассейне Норрис, ни разу не превысила критическое значение 10−2 м/с, при котором обычно начинается активизация гейзеров. Так что предположение о связи гейзерной активности с сейсмичностью также не подтвердилось.
С двумя другими факторами — вертикальными тектоническими подвижками и глубинным тепловым потоком — связь оказалась более определенной. Анализ геофизических данных показал, что в конце 2017 года произошел резкий скачок геотермального тепла и начался подъем территории. Для оценки потока геотермального тепла авторы использовали данные инфракрасной съемки спектрорадиометра MODIS (см. Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer), установленного на борту научно-исследовательского спутника «Терра», одного из элементов программы НАСА по наблюдениям за земной поверхностью Earth Observing System, а для оценки подъема грунта —данные GPS-станции Невадского университета NRWY, расположенной в непосредственной близости от бассейна Норрис.
Изменение трех основных геофизических параметров в бассейне Норрис за период с 2004 по 2020 годы: черные точки — вертикальные подвижки территории (в метрах), синие столбики — количество землетрясений в месяц, красная кривая — аномалии геотермального потока (в градусах Цельсия по сравнению с эталонной областью без гидротермальной активности). Вертикальные серые линии — эпизоды извержения гейзера «Пароход». Иллюстрация из обсуждаемой статьи в журнале PNAS
Исследователи пришли к выводу, что реактивизация гейзера «Пароход», начавшаяся в 2018 году, связана с прогрессивным подъемом территории бассейна Норрис и поступлением к поверхности горячих глубинных флюидов (газово-жидких растворов), что вызвало повышение геотермального фона: с 2013 по 2018 год его температура увеличилась на 0,8°C. Рост же сейсмической активности накануне начала массовых извержений гейзера, по мнению авторов, был следствием вертикальных тектонических подвижек.
При этом связь с магматическим процессами остается неоднозначной. С одной стороны, подъем летучих компонентов из глубинного магматического очага и повышение давления поровых флюидов могли привести к увеличению энтальпии гидротермальной системы, что спровоцировало начало извержений. С другой стороны, в реке Гиббон, которая берет начало в бассейне Норрис, ученые не зафиксировали аномального увеличения хлоридов или сульфатов гидротермального происхождения, обычно указывающих на поступление глубинных магматогенных флюидов.
Отсюда авторы делают вывод, что активизация гейзера связана исключительно с процессами, происходящими в самой гидротермальной системе «Парохода», которая отличается от других гейзеров большей глубинностью и температурой.
Проведенный анализ данных по гейзерам из разных регионов мира показал, что именно от этих двух параметров зависит высота фонтана, поэтому неудивительно, что гейзер «Пароход» отличается самой высокой в мире струей (90–120 метров) — резервуар его гидротермальной системы расположен глубже других и температура его выше, чем у остальных.
Температура (А) и глубина (В) резервуаров гидротермальных систем гейзеров Йеллоустонского национального парка (a) и мира (b). По вертикали — максимальная высота струи, в метрах. NGB — гейзеры бассейна Норрис, в том числе «Пароход» (Steamboat), UGB и LGB — два других гейзерных бассейна Йеллоустонского парка. Иллюстрация из обсуждаемой статьи в журнале PNAS
Интервалы между извержениями, по мнению ученых, контролируются сезонным гидрологическим циклом и объемом стока — они короче летом и длиннее зимой.