Фреатическое извержение

Фреатическое извержение — это тип вулканического извержения, при котором взрыв происходит исключительно за счёт нагрева подземных вод или льда магмой, горячими вулканическими газами или свежими вулканическими породами. В отличие от магматических или фреатомагматических извержений, при фреатическом взрыве на поверхность не выбрасывается свежая магма. Основным механизмом является резкое вскипание воды при контакте с высокотемпературным источником, что приводит к мгновенному расширению объёма (в 1600—1700 раз) и образованию ударной волны, разрушающей вмещающие породы.

Механизм и физические основы

Фреатическое извержение относится к гидровулканическим явлениям. Для его возникновения необходимо одновременное наличие трёх условий: источника тепла (магматический очаг, интрузия или горячие породы), воды (грунтовые воды, озёрная, морская или ледниковая) и системы трещин или пористых пород, обеспечивающих контакт между ними.

Процесс начинается с проникновения воды в зону повышенных температур. При нагреве выше точки кипения (при данном давлении) вода переходит в пар, но из-за геологического давления (литостатического или гидростатического) фазовый переход может происходить при температуре существенно выше 100 °C (перегретая жидкость). Когда давление пара превышает предел прочности вмещающих пород, происходит взрыв. Взрывная волна дробит породу на обломки различного размера — от вулканического пепла до глыб.

Ключевое отличие от фреатомагматического извержения состоит в том, что при фреатическом процессе магма не достигает поверхности. Взрыв происходит в толще пород, и на поверхность выбрасываются только обломки старых, уже остывших пород, а также, возможно, пар и горячая вода. Если же в выбросах появляется свежая магма (в виде лапилли, шлака или бомб), извержение классифицируется как фреатомагматическое.

Характерные признаки

Фреатические извержения обладают рядом отличительных особенностей:

• Внезапность начала. Часто не имеют предвестников в виде сейсмической активности, характерной для подъёма магмы. Первым признаком может быть мощный взрыв.
• Отсутствие свежей магмы. Выбрасываемый материал состоит из обломков вмещающих пород (ксенолитов) и продуктов дробления старой вулканической постройки. Химический состав пепла соответствует составу пород, через которые прошёл взрыв.
• Высокая доля пара. Облако извержения обычно насыщено водяным паром, что может приводить к образованию грязевых дождей и селей (лахаров).
• Образование кратера. Взрыв часто формирует новый кратер (маар) или расширяет существующий. Кратер может быть окружён невысоким валом из выброшенных обломков (туфовое кольцо).
• Короткая продолжительность. Отдельные взрывы длятся от секунд до нескольких минут, хотя серии взрывов могут растягиваться на часы или дни.

Классификация и разновидности

В современной вулканологии фреатические извержения выделяют в отдельную категорию наряду с магматическими и фреатомагматическими. В зависимости от среды, в которой происходит нагрев воды, различают:

• Гидротермальные взрывы. Происходят в районах активной гидротермальной деятельности, где перегретая вода и пар находятся под давлением в пористых породах. Пример — взрывы в гейзерных полях.
• Ледниково-вулканические взаимодействия. Взрыв при контакте магмы с ледником или снежником. Типичны для Исландии, Камчатки, Антарктиды. Вода от таяния льда может просачиваться к магматическому очагу и инициировать фреатический взрыв даже без прямого излияния лавы.
• Озёрные фреатические взрывы. Происходят в кратерных озёрах, когда горячие вулканические газы или магма нагревают придонные слои воды. Взрыв может выбросить значительную часть озёрной воды и вызвать цунами в пределах озера.

Опасность и последствия

Фреатические извержения представляют серьёзную угрозу, прежде всего из-за своей внезапности и отсутствия надёжных методов прогнозирования.

• Баллистические бомбы. Обломки породы могут разлетаться на расстояние до нескольких километров от эпицентра взрыва со скоростью, превышающей скорость звука. Крупные глыбы способны разрушать здания и наносить смертельные травмы.
• Пепел и пар. Облако пара и пепла может достигать высоты в несколько километров, создавая угрозу для авиации. Вдыхание горячего пара и мелкодисперсного пепла вызывает ожоги дыхательных путей.
• Лахары. Обильное выделение пара и дожди, вызванные конденсацией, могут спровоцировать сход грязевых потоков, особенно на склонах, покрытых рыхлыми отложениями.
• Вторичные взрывы. Фреатические взрывы могут происходить на склонах действующих вулканов, где скопились горячие пирокластические отложения. Дождь или таяние снега над такими отложениями вызывает повторное вскипание воды.

Примеры известных фреатических извержений

• Вулкан Таравера (Новая Зеландия), 1886 год. Одно из самых смертоносных фреатических извержений. Взрыв разрушил несколько деревень маори, погибло более 150 человек. Извержение произошло без предшествующей сейсмической активности, что сделало его полной неожиданностью.
• Вулкан Онтакэ (Япония), 2014 год. Внезапный фреатический взрыв на популярном туристическом маршруте унёс жизни 63 человек. Извержение началось без предварительного усиления сейсмичности, что привело к трагедии, так как люди находились на склоне в момент взрыва.
• Вулкан Сент-Хеленс (США), 1980 год. Хотя основное извержение 18 мая было магматическим, ему предшествовала серия фреатических взрывов в марте-апреле. Эти взрывы образовали кратер на северном склоне и ослабили структуру купола, что способствовало последующему катастрофическому обрушению.
• Вулкан Суфриер-Хиллз (Монтсеррат), 1995 год. Первые признаки пробуждения вулкана после длительного покоя были фреатическими. Взрывы выбрасывали пепел и пар, предшествуя началу магматической активности.
• Камчатка, вулкан Карымский. В районе Карымского озера неоднократно фиксировались фреатические взрывы, связанные с взаимодействием магматического тепла с водами озера. В 1996 году мощный взрыв выбросил воду и обломки пород на высоту до 1 км.

Прогнозирование и мониторинг

Прогнозирование фреатических извержений остаётся одной из сложнейших задач вулканологии. В отличие от магматических извержений, которым предшествует чёткая сейсмическая подготовка (рои вулканических землетрясений), фреатические взрывы могут начинаться без заметных предвестников или с минимальными сигналами.

Современные методы мониторинга включают:

• Сейсмический мониторинг. Регистрация высокочастотных событий, которые могут указывать на движение флюидов в трещинах. Однако амплитуда таких сигналов часто мала.
• Геодезические измерения. Наблюдение за деформацией земной поверхности с помощью GPS и спутниковой радарной интерферометрии (InSAR). Вздутие склона может указывать на рост давления в гидротермальной системе.
• Геохимический мониторинг. Анализ состава фумарольных газов и термальных вод. Увеличение содержания водорода, углекислого газа или сероводорода может быть признаком активизации гидротермальной системы.
• Тепловая съёмка. Спутниковые и наземные тепловизоры позволяют фиксировать аномальный нагрев поверхности, который может предшествовать взрыву.

Несмотря на развитие методов, случаи успешного прогноза фреатических извержений единичны. Наиболее эффективной мерой защиты является ограничение доступа в зоны с высокой вероятностью таких взрывов — кратеры, фумарольные поля и склоны с активной гидротермальной деятельностью.

Источники

• Сигурдссон Х. (ред.) «Энциклопедия вулканов». Academic Press, 2015.
• Влодавец В. И. «Вулканы Земли». Недра, 1973.
• Материалы Камчатской группы реагирования на вулканические извержения (KVERT).
• Отчёты Геологической службы США (USGS) по извержениям вулканов Сент-Хеленс и Онтакэ.
• Данные Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН.