«Исследование процессов внутри вулканов являются своего рода «триллером». Если в других геологических объектах изменения происходят в масштабах времени миллионов или даже миллиардов лет, то здесь всё может меняться чрезвычайно быстро — в течение года, месяца или даже дней. С помощью современных методов геофизики возможно наблюдать за происходящими под вулканом процессами в режиме реального времени, что является чрезвычайно увлекательной задачей, при решении которой скучать не приходится», — рассказывает заведующий лабораторией сейсмической томографии ИНГГ СО РАН доктор геолого-минералогических наук Иван Юрьевич Кулаков.

Экспедиционная деятельность ИНГГ СО РАН стартовала 3 года назад. До этого учёным приходилось работать с данными, предоставленными коллегами из других стран по различным вулканам мира, расположенных в Индонезии, Южной Америке и прочих местах. Первый экспедиционный сезон в 2012 году сибирские исследователи начали с относительно простой задачи — поставили сеть из 11-ти станций (вдобавок к 7-ми местным) на вулканах Авачинской группы, которые жители Петропавловска-Камчатского называют «домашними», поскольку те расположены в непосредственной близости от города.

Здесь геологи столкнулись с серьезной проблемой: вулканы до этого бывшие сейсмически активными, после установки станций вдруг притихли, и нужного объёма информации по землетрясениям набрать не удалось. К тому же из-за сильных морозов батареи стали отключаться, в результате некоторые станции завершили свою работу раньше, чем планировалось. Учёных выручил относительно новый метод шумовой томографии (предложенный нашим соотечественником из Парижа Николаем Шапиро), позволяющий выделять полезные сейсмические волны из анализа непрерывных записей природных шумов. Благодаря ему удалость построить трехмерную сейсмическую модель недр под вулканами Авачинский и Корякский. Так, оказалось, что первый находится на краю крупной низкоскоростной аномалии, которая, по-видимому, является следом кальдеры, образовавшейся в результате огромного взрыва 35-40 тысяч лет назад и в последствие заполненной продуктами извержений Авачинской Сопки. Это важные для геологии сведения, говорящие о серьезном взрывном потенциале вулканов, расположенных в непосредственной близости от Петропавловска-Камчатского.

Сейсмическая станция включает в себя сенсор — чувствительный микрофон, измеряющий происходящие в земле колебания в очень широком диапазоне частот от сотен герц до периодов десятков и даже сотен секунд.  С помощью регистратора они преобразуются в цифровую форму и записываются на обычную карту памяти. По этим сейсмограммам геофизики измеряют «пульс земли» и изучают глубинное строение недр. В настоящее время в распоряжении новосибирцев имеется сеть из двадцати станций, которые закапываются на один год; в каждом сезоне — на новом вулкане. В течение этого времени аппаратура работает автономно, данные можно анализировать только после снятия приборов.

Поскольку накопление энергии внутри активного вулкана происходит постепенно, ему даже полезно время от времени делать «разрядку». В этом плане Авачинская сопка, стоящая вблизи от Петропавловска-Камчатского, скорее всего, не представляет особой опасности для города благодаря достаточно регулярным извержениям умеренной мощности. Гораздо большие опасения вызывает соседний вулкан Корякский — он имеет почти идеальную форму, свидетельствующую об отсутствии взрывов в недавнем геологическом прошлом. При этом там периодически случаются выбросы газов и наблюдается сейсмическая активность. «Именно ему камчатские вулканологи сегодня должны уделять наиболее пристальное внимание», — считает Иван Юрьевич.

В 2013 году объектом исследований новосибирских учёных стал вулкан Горелый, расположенный в 70 км от Петропавловска. Он не имеет столь красивого конуса, как многие другие вулканы Камчатки, однако интересен с точки зрения геологии и современной активности. Прежде всего, тем, что находится в центре кальдеры диаметром порядка 20 км, образовавшейся примерно 33.6 тыс. лет назад в результате извержения, при котором было выброшено в воздух около 100 куб. км пород. «Если бы такое случилось сегодня где-нибудь на Земле, то это оказало бы существенное влияние на жизнедеятельность всего человечества, и большинство современных проблем отошло бы на второй план на фоне загрязнения атмосферы и изменения климата, вызванного извержением», — отмечает Иван Кулаков.

В недавней истории человеческой цивилизации есть примеры существенного влияния извержений на жизнь народов по всей планете. Например, в 1815 году взорвался вулкан Тамбора, опустошивший огромные территории в Индонезии. Событие имело страшные последствия: изменение климата по всей планете, результатом которого стали голод, эпидемии и беспорядки. Так, в первый год после извержения в Канаде и северной Европе летом лежал снег. Говорят, что именно Тамборе обязан своим появлением велосипед — большинство лошадей вымерло, и люди озаботились альтернативными способами передвижения. Другая катастрофа произошла в 1600 году, когда в Южной Америке взорвался вулкан Хуайнапути?на. В России из-за загрязнения атмосферы, вызванного этим извержением, в 1601-1603 годах случился неурожай и сильный голод, который, в конце концов, привёл к Смуте. Сегодня место расположения Хуайнапути?ны практически никак не выражается в мирном холмистом ландшафте южного Перу.

Сейчас Горелый представляет собой щитовой вулкан базальтового типа. Он достаточно активный, извержения умеренной интенсивности происходят примерно раз в 20-40 лет. Последнее было в 80-м году, так что в ближайшее время можно ожидать следующее. В кратере горы находится крупная фумарола — отверстие размером несколько метров, из которого под бешеным давлением выходят газы. По оценкам ученых, их масса —примерно 11 тысяч тонн в сутки (большей частью они состоят из воды (93.5%), но также там присутствует CO2 и прочие вещества).  Такая «фабрика» оказывает несоизмеримо больший эффект на экосистему, чем любой техногенный объект, созданный человеком.

В результате предварительного анализа сейсмограмм, записанных на Горелом, только за несколько дней было выделено более 200 землетрясений. Эту информацию учёные использовали для построения сейсмической модели недр под вулканом. Однако у них возникли проблемы с заданием исходной модели, которые не сразу удалось преодолеть. Решение было найдено благодаря случайности.

«В наших расчётах есть важный определяющий параметр, который надо задавать заранее, вручную — отношение скоростей продольных и поперечных волн. Обычно для вулканов его значение находится в пределах 1,7-1,85, но в случае с Горелым цифры в этом диапазоне не приводили к устойчивому результату. Один раз по ошибке вместо 1,75 я использовал абсолютно абсурдное, как мне тогда казалось, значение 1,5 — и вдруг всё встало на свои места. Последующее тестирование показало, что именно оно является наиболее подходящим для данного случая. В ходе литературного обзора мы выяснили, что такие аномально низкие значения Vp/Vs являются достаточно четким индикатором наличия газов в пористой горной породе. Этот эффект, например, активно используется в нефтеразведке для разделения газовых и нефтяных месторождений», — рассказывает Иван Кулаков.

Так сибирскими учеными было установлено, что вулканическая постройка Горелого является огромным паровым котлом, насыщенным газом под давлением, который не может выйти наружу, поскольку всё пространство горы покрыто толстой крышкой изверженных пород — базальтовых потоков. К счастью, наверху есть «предохранительный  клапан» — то самое отверстие в кратере величиной всего несколько метров, через него вулкан «выпускает пар». Если в результате какого-либо процесса эта дырочка чем-нибудь закупорится, может произойти взрыв огромной разрушительной силы.

Кстати, знаменитая Мутновская геотермальная электростанция находится на периферии этого парового котла.  Газ здесь выходит на поверхность через специально пробуренные скважины, под большим давлением поступает в турбины и преобразуется в электроэнергию.

В прошлом году новосибирские учёные приступили к исследованию Ключевской группы вулканов, расположенной на Камчатке. Уникальность её состоит в том, что на относительно небольшой территории размером всего около 80 км сосредоточены вулканы с принципиально различными составами и режимами извержений, некоторые из которых являются рекордсменами в отдельных категориях. Здесь находится высочайшая огнедышащая гора Евразии — Ключевская Сопка. Вулкан Безымянный в 1956 году пережил один из мощнейших в ХХ-м веке взрывов. Толбачинское извержение 1976 года стало одним из самых продуктивных в мире по объему излившейся базальтовой лавы. «Следует также отметить, что вулканы этой группы имеют тенденцию менять свои составы достаточно быстро — в течение десятилетий. Все это свидетельствует о сложнейшей питающей системе под Ключевской группой, что определяет огромный интерес мирового научного сообщества к изучению глубинной структуры под ней геофизическими методами», — говорит Иван Юрьевич.

Начать исследование учёные решили с вулкана Толбачика, где за год до проведения экспедиции произошло крупное извержение. С ноября 2012-го по август 2013-го из вулкана обильно изливалась лава, формируя огненные реки длиной 20-30 километров, покрывавшие огромные пространства. Такие массивные излияния должны приводить к деформациям в земной коре, которые, как предполагается, могут быть зарегистрированы сейсмографами. Летом прошлого года новосибирские учёные установили на Толбачике 20 сейсмических станций (вдобавок к 10-ти, принадлежащим местной геофизической службы). Также работы включали геологические исследования и отбор образцов для петрологических анализов, которые проводил академик Н.Л. Добрецов.

Эта экспедиция — своего рода репетиция к масштабному исследованию, которое планируется выполнить в наступившем году. «В 2015-м должен состояться беспрецедентный эксперимент со звучным названием KISS (Klyuchevskoy Investigation — Seismic Structure of Extraordinary Volcanic System). Он будет выполнен силами международной команды, куда помимо новосибирцев войдут немецкие, французские учёные, а также специалисты из Камчатского филиала геофизической службы РАН и Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН. По всей Ключевской группе расставят порядка 80-ти станций (60 из них привезут из Германии). Если они будут работать в течение одного года, это даст уникальные данные, которые позволят получить принципиально новые знания о глубинных механизмах питания вулканов. «Ключевская группа является уникальным геологическим объектом, и можно быть уверенным, что результаты, полученные в рамках планируемой экспедиции, привлекут внимание всего мирового научного сообщества», — утверждает Иван Кулаков.