Услышать подземного джинна

Новую модификацию алгоритма томографии земных структур разработали в Институте нефтегазовой геологии и геофизики (ИНГГ) Сибирского отделения РАН, сообщает пресс-служба института. Результаты исследований опубликованы в журналах Geophysical Research Letters и Scientific Reports, входящем в группу Nature. Инструмент применили для анализа данных по двум крупным вулканам — Галерас в Колумбии и Спурр на Аляске.

«Крайне интересно наблюдать за процессами внутри вулканов, — рассказал “Стимулу” заведующий лабораторией сейсмической томографии, заместитель директора ИНГГ член-корреспондент РАН Иван Кулаков. — Ведь это, пожалуй, единственная геологическая структура, которая настолько сильно и быстро меняется во времени. Геологические процессы обычно протекают в течение миллионов и даже миллиардов лет. В случае вулканической деятельности существенные подвижки в земной коре могут происходить буквально за месяцы, дни и даже часы».

Один из наиболее популярных методов для изучения внутреннего строения вулканов — пассивная сейсмическая томография. В таких исследованиях источниками сигнала являются землетрясения, происходящие внутри вулкана. Однако для изучения вариаций во времени этот метод не подходит, поскольку землетрясения случаются крайне неравномерно в пространстве и времени. Новосибирские ученые разработали новую модификацию алгоритма томографии, основанную на построении идентичных систем лучей в разные периоды времени, которая позволяет выявлять даже небольшие изменения структуры внутри Земли.

В России все действующие вулканы находятся на Камчатке и на Курильских островах. И, пожалуй, самый опасный для людей и инфраструктуры — вулкан Авачинский, потому что возле него стоит крупнейший город региона Петропавловск-Камчатский. В районе Авачинского вулкана постоянно находятся семь станций, и эти станции передают в режиме реального времени информацию в Камчатскую геофизическую службу. В 2018 году силами сотрудников ИНГГ эта сеть была дополнена 18 переносными станциями, которые будут работать на вулкане до лета 2019 года. В дальнейшем данные этой сети можно будет использовать для построения детальных изображений внутренностей вулкана методом сейсмической томографии.

«Томография земли — это не то же самое, что томография человека, — поясняет Иван Кулаков. — В случае компьютерной томографии источником сигнала выступает рентгеновское излучение, а приемники — чувствительные матрицы. При изучении Земли источником сигнала являются землетрясения, которые излучают упругие колебания и, подобно лампочкам, освещают объекты, расположенные внутри Земли. Сейсмические станции — это своего рода чувствительные микрофоны, установленные на поверхности Земли, которые улавливают эти колебания». Задача ученых состоит в том, чтобы расшифровать эти сигналы и построить модель строения земных недр.

«Надо учитывать, что сейсмостанция — это довольно дорогая штука, стоит примерно как хорошая машина, — отметил Иван Кулаков. — А если станция передает информацию в город, то это уже больше, чем машина. В течение года для нее необходимо обеспечить источники питания, а добраться до станции в некоторых случаях можно только на вертолете. Устройства передачи информации тоже очень сложные. То есть на сейсмические работы требуются большие средства».

Сейсмостанция — это комплекс приборов: датчик, своего рода очень чувствительный микрофон; регистратор, который преобразует аналоговый сигнал колебаний в цифру и записывает на флеш-память; GPS-устройство; устройства передачи данных; батареи. Всё это закапывают в землю, чтобы не повредили люди или звери и чтобы избежать помех от осадков. Антенна GPS нужна для постоянной синхронизации со спутником: данные, которые передает сейсмостанция, должны быть точно привязаны к абсолютному времени. 

Сейсмостанция — это довольно дорогая штука, а добраться до станции в некоторых случаях можно только на вертолете

Предоставлено И. Кулаковым

Моделирование подземной стихии

С помощью модифицированного алгоритма ученые выявили, что в период максимальной активности вулкана Галерас в Южной Америке под ним сформировалось тело грибообразной формы с магматической камерой. При этом, когда извержения были менее интенсивными, грибообразное тело уменьшалось или исчезало. При анализе данных крупнейшего на Аляске вулкана Спурр удалось выяснить, почему его магматическая камера при активизации в 2002 году поднялась с глубины пять километров на два километра, что сопровождалось множеством микроземлетрясений.

«Причиной может быть выброс перегретой воды из магматического очага, под большим давлением она проникла в хрупкую верхнюю часть земной коры. На глубине двух километров вода превратилась в пар и продолжила подъем уже в газообразном состоянии. Это привело к разрыву пород и образованию все новых и новых трещин. Возникший при этом “хруст” и был зафиксирован приборами в виде тысяч микроземлетрясений», — пояснил Иван Кулаков.

Три гиганта: вулканы Безымянный, Камень и Ключевской

Предоставлено И. Кулаковым

Чтобы спасать жизни

Камчатский полуостров заселен достаточно слабо. И вулканы здесь, помимо Авачинского, хоть и очень активные, не причиняют существенного ущерба человеку. Но их извержения, которые происходят довольно часто, представляют серьезную опасность для авиационных перевозок.

«Во время извержения облако пепла выходит в атмосферу, начинает мигрировать. И если мы прозевали это событие и в облако попал самолет, то велик риск, что он просто выйдет из строя», — говорит Иван Кулаков.

Самый известный случай такого рода произошел в 1989 году на Аляске. Авиалайнер Boeing 747, выполнявший полет по маршруту Амстердам—Токио, готовился к промежуточной посадке в международном аэропорту Анкориджа на Аляске. Снижаясь, самолет пролетел сквозь плотное облако вулканического пепла, изверженного вулканом Редаут. Отказали все четыре двигателя, машина осталась на резервном электропитании. После потери более четырех тысяч метров высоты пилотам все же удалось запустить двигатели и благополучно приземлиться.

«Этот инцидент показал, насколько опасны такие ситуации. Ведь что такое вулканический пепел? Это мельчайшие частички, они очень острые, очень прочные. А двигатель вращается с огромной скоростью, и, когда в него попадают эти частички, они выводят его из строя. Лопатки полностью стираются», — рассказал Иван Кулаков.

Сейсмология, вулканология — интернациональные науки. Эффективное изучение вулканов возможно только при условии постоянного обмена опытом и информацией, полученной в разных странах. В качестве примера заместитель директора ИНГГ приводит результат полевых работ, которые проводились в 2017–2018 годах на вулкане Безымянный на Камчатке. В то время когда на нем стояли десять сейсмических станций, произошел мощный взрыв, вынесший облако пепла на высоту около 18 км.

«Безымянный находится далеко от населенных пунктов, и этот взрыв напрямую не оказал влияния на жизнедеятельность человека. Однако с помощью наших высококачественных записей, которые сделаны в течение года, можно детально отследить, как этот взрыв формировался, на какой глубине, как он развивался с точностью до долей секунды. В мире существует несколько вулканов схожего типа, к примеру Сент-Хеленс в США и Мерапи в Индонезии. Наши уникальные данные о развитии взрыва на вулкане Безымянный помогут выявить предвестники взрывных извержений для других мест, в том числе для тех, которые населены весьма плотно. А это, в свою очередь, может спасти жизни многих людей, если их удастся вовремя эвакуировать», — пояснил исследователь.