Когда мы говорим о вулканических извержениях, мы видим на поверхности много лавы, которая вытекает либо выбрасывается из жерла вулкана. Достаточно давно у ученых возник вопрос: откуда лава берется? Дискуссия зародилась примерно в начале XIX или в конце XVIII века, к ней имел отношение Рене Декарт, который много думал о причинах вулканизма. В самом конце XVIII — начале XIX века был такой естествоиспытатель Деода де Доломьё, который ввел понятие «магма». У него очень интересная судьба, которая заслуживает отдельного рассмотрения. Он единственный личный друг Наполеона, и они с Наполеоном много времени провели в Африке: Наполеон возглавлял военную часть экспедиции, а де Доломьё — научную. Кроме того, что он ввел понятие «магма», в честь него был назван минерал доломит, а в честь минерала доломита — Доломитовые Альпы.

Он был первым из ученых (по крайней мере, в нашей области), который ввел действительно современный научный подход, когда наблюдение должно было быть всегда количественным, всегда предметным. Он экспериментировал с растворами, и слово «магма» пришло к нам из фармацевтики — это загустившийся раствор, то, что может давать кристаллы, и то, что могло бы давать лаву. Он предположил, что Земля внутри состоит из магмы и нужна какая-то трещинка, чтобы это показалось на поверхности. Слово «магма» закрепилось в обиходе, а его представления о том, что Земля внутри жидкая, сейчас несостоятельны.

Под срединно-океаническими хребтами, где очень активный вулканизм, магма образуется таким способом: большие объемы мантии поднимаются с приличных глубин — 450–600 километров — и начинают частично плавиться. Но мало чуть-чуть расплавить мантию — надо отделить расплав от того, что осталось, так называемого рестита. Магма постепенно отделяется и собирается в магматические очаги, которые обеспечивают вулканизм. Этот процесс — фабрика: мантия поднимается, плавится, дает магматические очаги, магматические очаги дают подводные извержения (поскольку это срединно-океанические хребты), и дальше они расползаются в стороны, остывают и дают место следующей порции поднимающейся мантии. Сам по себе мантийный диапир обеспечивается конвекцией мантии, и срединно-океанические хребты образуются не просто так, не на пустом месте, а на восходящих потоках мантийных конвекционных ячеек.

Мы помним, что мантия твердая, и это трудно представить, но конвекция происходит в твердом виде, ее скорость — сантиметры в год. Это сравнимо с деформацией в твердом состоянии. Например, опоры мостов, несмотря на то что твердые, тоже могут деформироваться и даже течь, но с малыми скоростями. Это самый простой механизм мантии, который можно объяснить с помощью простых формул школьной физики.

Другой механизм плавления тоже просто объясняется, но не так просто реализуется. Если человеку сказать, что надо что-то расплавить, он представит, что надо нагреть какую-нибудь горелку. Но Земля и так нагрета, и, чтобы нагреть ее еще больше, надо подвести что-то еще более горячее. А где взять в Земле что-то еще более горячее? Это очень сложно. Был предложен механизм плюмов — очень горячих струек, которые поднимаются с очень больших глубин на малые. Соответственно, если очень горячее вещество поднимается на малые глубины, оно способно прогревать вмещающие породы, которые начинают плавиться. Такие области, например, существуют на океанических островах. Гавайи — классический пример действия такого мантийного плюма. Это горячее вещество может подниматься с гораздо больших глубин, чем 600 километров. Считается, что оно может подниматься от границы ядра и мантии, то есть с глубины порядка 2900 километров.

Рекомендуем по этой теме:
6125
Образование айсбергов
Естественно, на границе ядра и мантии гораздо больше температура, чем даже в верхней мантии. Поднимаясь, эта струя, естественно, остывает, но все равно она намного горячее, чем вмещающие породы, — так достигается оптимум для плавления вмещающих пород. Начиная с плавления вмещающих пород, образуется магма, она формирует магматические очаги, которые потом реализуются в вулканизме или магматизме. Что характерно, плюм привязан к точке или какой-то области на границе ядра мантии, но ведь есть тектоника плит. Тихоокеанская плита, допустим, движется со скоростью 10–12 сантиметров в год, и она не привязана к границе ядра мантии, поэтому получается, что эта конфорка прожигает плиту в разных местах. Если бывший магматический очаг, который был активен, переместился за счет движения Тихоокеанской плиты, то его уже ничто не подпитывает, он начинает постепенно остывать, и вулканизм заканчивается. Более того, поскольку остывает еще и связанная область мантии, она уплотняется, и эта область погружается под поверхность океана, формируется подводный хребет. То есть магматические очаги живы, только пока их подпитывает какое-то тепло снизу.

Третий механизм присутствует на окраинах континентов или на островных дугах. Если говорить про окраины континента, то классический пример — это Анды или Скалистые горы, а если говорить об островных дугах, то типичный пример — это Курильские или Алеутские острова. Камчатка, например, не очень типична, потому что, конечно, это вулканическая дуга, но она находится не на островах, а на полуострове. То есть там очень много вулканических дуг, которые слеплены вместе. Плавление и формирование магматических очагов там происходит за счет того, что холодная Тихоокеанская плита, если мы говорим про Курилы и Камчатку, погружается под островодужную кору или островодужную литосферу, и она несет с собой достаточно много водных минералов, которые образовались за счет взаимодействия магматических или осадочных пород с океаном.

По мере погружения эта плита начинает прогреваться, вода начинает поступать в вышележащую мантию, и вода приводит к понижению температуры плавления. Если стандартная мантия при давлении порядка 20 или 10 килобар и температуре 1350 градусов не плавится, то при добавлении воды она начинает плавиться. То есть вода в данном случае играет роль флюса, который вызывает плавление при гораздо меньших температурах. Поэтому у нас и вулканы, которые есть в островных дугах или на активных континентальных окраинах, трассируют эту зону, где достигаются условия плавления, поэтому вулканы и вытянуты цепочкой. Это то место, где погружающаяся плита высвобождает достаточное количество воды, чтобы и вышележащая мантия была достаточно горячая, чтобы сформировать магму и магматические очаги.

Рекомендуем по этой теме:
4899
Изучение вещества планетных недр
Если говорить о магматических очагах, то для них нужно пространство — пространства не так много. Например, в срединно-океанических хребтах магматические очаги формируются в земной коре. Толщина земной коры в срединно-океанических хребтах может быть нулевой или максимум несколько километров, например пять километров. Места для магматических очагов не так много, поэтому под срединно-океаническими хребтами магматические очаги обычно имеют мощность 300–400 метров — очень небольшую. Тут же они кристаллизуются и при этом еще раздвигаются в разные стороны за счет процесса спрединга. На океанических островах больше места, толщина земной коры порядка 15–20, иногда 25 километров, поэтому там могут быть серии очагов, и, соответственно, магма проходит через них, постепенно эволюционирует, и на поверхности появляется уже не совсем та магма, которая пришла в нижний магматический очаг.

На островных дугах толщина коры еще больше — примерно 30–35 километров, поэтому магматических очагов может быть еще больше. Они все взаимодействуют между собой. Должно быть тепло, должна быть подпитка свежей магмой, тогда система будет живая. Как только эта подпитка закончится, постепенно магматические очаги начнут застывать и превратятся в интрузивные тела. Например, граниты или габбро — это продукт застывших очагов. Это интрузивные породы, которые сформировались, когда магматический очаг перестал подпитываться свежей магмой. Пока свежая магма есть, очаг или система очагов тоже существует. Есть очень много моделей, которые рассматривают простые случаи, но понятно, что природа всегда богаче. Это очень сложные модели, которые могут связать между собой все то, что я сейчас рассказал. И конечно, наша мечта — построить какую-то общую модель, которая позволяла бы проследить эволюцию магмы от момента зарождения до того куска лавы, который мы можем подержать в руках.