Новосибирские ученые в лабораторном эксперименте смогли создать условия, повторяющие вулканическую активность внутри Земли. Благодаря этому в перспективе возможно усовершенствовать методы прогнозирования сейсмической активности и научиться предотвращать разрушения и гибель тысяч людей.
Процессы, проходящие в недрах Земли в областях активного вулканизма и сейсмичности, исследованы даже менее детально, чем космос или глубины океана. Причина в том, что способов «посмотреть» вглубь недр — нет. И выводы о происходящих там процессах можно сделать только на основе изучения обломков глубинных пород, вынесенных на поверхность лавами при вулканических извержениях.Вулканическая деятельность имитируется в специально разработанной новосибирцами установке. Ученые СО РАН заявляют, что благодаря этой установке, изучая ксенолиты Авачинского вулкана, за год они существенно продвинулись в понимании физики процессов в литосфере.
Уникальный эксперимент
Белые перчатки, блестящая металлическая поверхность установки для электро-лучевой сварки. В такой парадной обстановке научный сотрудник Института ядерной физики (ИЯФ) СО РАН Юрий Семенов, создавая вакуум, готовит аппарат к закладке зеленоватого невзрачного камня — ксенолита. Этот обломок глубинных пород был вынесен лавами при вулканических извержениях на Авачинской сопке на Камчатке.
«Белые перчатки нужны потому что руки никогда не бывают идеально чистыми, а это делает хуже условия вакуума. Вакуум здесь будет 10 в минус четвертой степени бар (единица измерения). Здесь частицы пролетают меньше метра, поэтому такой большой вакуум, как в космосе и не нужен», — сказал Семенов.
После того, как в камере появился вакуум, ученые запустили мощный электронный пучок диаметром 3-4 сантиметра для «расплавления» ксенолита. Температура плавления на поверхности составляла примерно 2,5 тысячи градусов, что примерно в два раза больше, чем в лаве самого горячего вулкана на Гавайях. Это позволяет за нескольких минут смоделировать процессы, длящиеся в природе несколько суток.
«Наша установка формирует сфокусированный пучок электронов. При этом для электронов с энергией 60 кэВ можно создать плотность потока мощности порядка 10 МВт/квадратный сантиметр при диаметре пучка около 1 миллиметра. Для снижения прямого попадания паров и капель обрабатываемых материалов на катод и высоковольтные элементы в нашей установке перед попаданием на материал электронный пучок совершает поворот на 270 градусов, что существенно повышает надёжность и ресурс источника электронов», — описал процесс ученый.
Такие эксперименты не проводит никто в мире, так как подобную установку создали только в ИЯФе. «Я эксперимент начинал с плазмотрона в Институте механики. Там был плевок энергии такой, что на стенки размазало наш образец. Поэтому подобный эксперимент при высоких температурах возможен именно в этой установке», — сказал главный научный сотрудник Института геологии и минералогии (ИГМ) СО РАН Виктор Шарапов.
Установка позволяет «варить» металлические поверхности до 10 сантиметров толщиной и плавить при температуре 3,3 тысячи градусов самый тугоплавкий металл вольфрам. Сейчас на ней проводят эксперименты различные институты СО РАН по созданию нанопорошков, новых материалов.
Внутри вулкана и метеорита
Ученые в данном эксперименте моделируют процессы, происходящие в верхней мантии Земли на глубине 40-70 километрах.
«На этих глубинах находятся области "питания" вулканов, из которых происходят извержения. Потоки газа — корни формирования расплавов, воздействующих на более высокие горизонты литосферы, где появляются магматические очаги, из которых исходят флюиды, формирующие месторождения», — рассказал Шарапов.
По его словам, исследования позволят строить математические модели формирования всех классов месторождений, но до точных прогнозов достаточно далеко. «Сейчас работают только экспертные системы — комбинация интуитивных методов, дискретной математики, статистики, общих соображений геологов», — объяснил собеседник.
Через 45 минут Семенов аккуратно достает из камеры установки щипцами обуглившийся образец. Ксенолит очень горячий и на нем видны следы расплавления.
«Образец разрезается алмазной пилой на части. Верхняя поверхность изучается на электронном микроскопе, разрезы тоже исследуем во всех точках и получаем информацию о том, что произошло. У нас фиксируется время каждого процесса, и мы можем сопоставить теоретическую оценку процесса и того, что происходит на самом деле», — сказал Шарапов.
Больше года расплавляя ксенолиты, ученые заметили удивительные процессы, которые никак иначе не открыть, поскольку заглянуть вглубь Земли нельзя.
В подобных экспериментах при нагревании образца в вакууме получалось стекло. А использование мощного электронного пучка с более высокими температурами позволило найти связь между подземными процессами в вулканах и космическими — в метеоритах.
«Здесь процесс стеклования не происходит, а идет образование дендритовидных (древовидных) палочек оливина (минерал), которые формируются также в хондрах (образования) метеоритов. Подобные есть в Чебаркульском каменном метеорите», — отметил ученый.
Изучать открытое явление в метеоритах физикам еще только предстоит, также как и процессы, происходящие внутри Земли. Это позволит совершенствовать прогноз времени и места возможной сейсмической активности, чтобы минимизировать опасности для населения этих районов.
«Наши физики объяснили, что наиболее активно проходят сейсмические процессы там, где содержатся в горных породах подвижные субстанции газа и жидкости. Они иногда инициируют области развития интенсивной сейсмичности. Чтобы строить прогнозы о том, где и как могут протекать интенсивные и иногда наиболее сильные события, элементы, которые устанавливаются в такого рода экспериментах, полезны», — рассказал Шарапов.
Например, для спасения от разрушения американского города Сан-Франциско от извержения в разломе Сан-Андреас в трещины закачивали воду, чтобы раньше начались слабенькие сейсмические события и не произошло сильное землетрясение. Но для таких действий необходимо знать происходящие внутри процессы и их природу.
Шарапов добавляет, что экспериментальные результаты хорошо согласуются с данными численного моделирования процесса формирования месторождений во время сейсмических процессов в мантии под вулканами. Эти результаты опубликованы в авторитетном журнале Geochemistry International.
Но исследования породили новые вопросы, в том числе к устоявшейся в мире модели происхождения сейсмических событий и извержений вулканов — из-за движения тектонических плит. Эти загадки предстоит разгадывать ученым в ходе новых экспериментов и исследований.
