Как «работает» вулкан? Чем вулканы отличаются друг от друга? Почему крайне важно их изучать? Что мы сегодня знаем о вулканах, а что остается загадкой? Можно ли «приручить» вулканы и как это сделать? Об этом рассуждает директор Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН член-корреспондент РАН Алексей Юрьевич Озеров.
Алексей Юрьевич Озеров. Фото Ольги Мерзляковой
― Алексей Юрьевич, вы нередко приезжаете в Москву, и это второй город после Петропавловска-Камчатского, который вы любите. Почему Москва? Ведь здесь нет вулканов.
― Я родился и вырос в этом замечательном городе. Здесь ходил в детский сад, в школу. Учился в Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова. Москва ― это цитадель знаний, средоточие интеллекта. Здесь можно многому научиться, попытаться решить базовые и очень важные задачи, которые в дальнейшем лягут в основу самых глубоких и сложных исследований. Вулкан в процессе своей деятельности предлагает ученому широчайший спектр ребусов и задач, которые могут на первый взгляд показаться простыми, но, взявшись за их решение, ты понимаешь, что они намного сложнее, чем можно представить.
― Приведите пример такой задачи.
― Когда я был студентом МГУ (спасибо всем преподавателям, это божественные люди, которые дарят нам знания, заставляют нас их впитывать, иногда даже вопреки нашему желанию), мы работали с Иваном Терентьевичем Кирсановым, прекрасным вулканологом, моим первым учителем в профессии. Шел 1980 г. Иван Терентьевич работал начальником Ключевской вулканологической станции. Он был веселым, всегда улыбающимся человеком.
Но однажды во время маршрута по склону извергающегося вулкана Горелый я спросил его, почему шлаковые конусы имеют слоистую структуру. Вместо того чтобы, как обычно, улыбаться, Кирсанов снял очки, протер их, посмотрел на меня очень недобро и сказал жестко, чтобы я больше никогда не задавал такого вопроса. На мое удивление ответил, что на этом вопросе многие вулканологи «сломали зубы», а ему бы хотелось, чтобы Озеров остался живым и здоровым.
― И вы послушались?
― Вулканология ― наука дисциплинированных. Тогда я «взял под козырек» и временно не занимался этим вопросом. Но потом по распределению устроился работать в Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН. Я снова учился у лучших вулканологов, набирался опыта. Начал руководить полевыми отрядами, стал ощущать себя настоящим вулканологом. Было много экспедиционных выездов на вулканы. Я изучал разные извержения, стремился понять их механизмы, изучить их сходства и различия.
И вдруг во время извержения Ключевского вулкана я увидел, как над ним поднимается мощная огненная колонна высотой с Останкинскую телебашню. Она вся состояла из раскаленных бомб! И такая колонна высотой 500–700 м стояла вертикально в течение часа. А потом ее резко, как мечом, срезало, и наступила тишина на четыре часа. Затем снова подъем огненно-бомбовой колонны на час, и снова резкий обрыв и «молчание».
Теперь это называется «периодический процесс в динамике извержения Ключевского вулкана». Меня сильно заинтересовало это явление. Я всех спрашивал, что это было, в чем причина. Казалось бы, все просто: один час вулкан работает, четыре ― не работает. На мои вопросы коллеги только разводили руками и советовали найти себе помощника, поехать на полевой стационар «Апахончич», расположенный на склоне Ключевского вулкана, и там изучать это явление. Считать взрывы, отмечать особенности извержения, изучать динамику процесса.
― И вы поехали?
― Поехал, конечно. Два месяца считал взрывы. Но периодичность исчезла, исчезла совсем. Как будто ее никогда и не было. С того самого момента, с этих огненных колонн, началось мое исследование периодических процессов в динамике извержения базальтовых и андезибазальтовых вулканов. Это яркий, необычный процесс. Прекрасный и очень опасный.
― А в чем опасность?
― Представьте, летит самолет. Пилот видит чистое небо, все хорошо, вулкан, над которым он пролетает, спокоен. И вдруг ― раскаленная бомбовая колонна высотой с Останкинскую башню. Из нее летит вулканический пепел на огромные расстояния. Сотни километров. Турбины самолетов страшно не любят острые и твердые пепловые частицы.
То есть, во-первых, это красивое, интересное явление. Во-вторых, это увлекательная загадка для фундаментальных исследований. В-третьих, этот феномен связан с вопросами безопасности, с прикладными составляющими науки. И в-четвертых ― это подсказка. Природа показывает нам, что существует некий процесс, который переключает вулкан в такой режим работы. И ставит задачи: разобраться в секретах деятельности вулкана, понять этот процесс, разгадать его механизм.
― И вы его расшифровали?
― Механизм невозможно расшифровать мгновенно. В ходе исследований выявляются другие периодичности, новые особенности и параметры процесса. Увеличивается количество периодов между взрывами: часовые, минутные, секундные. В какой-то момент мы приходим к заключению, что вулкан ― это широкополосный генератор периодических процессов. И понять это явление чрезвычайно трудно.
― Почему?
― Потому что пока мы к одному периоду пытаемся найти ключик, уже возникает новый, и еще, и еще! И здесь начинается самое интересное ― охота за периодичностями в динамике извержений. Мы находим их на Ключевском вулкане, пытаемся найти на Толбачинском, на других вулканах Камчатки. Применяем различные методы и разрабатываем новые подходы — например, исследование вулканического дрожания, которое непрерывно регистрируется в процессе извержения вулкана Ключевской.
Дальше мы стараемся выяснить, что происходит на вулканах в других странах, работаем с публикациями, сравниваем, выезжаем в экспедиции, делаем доклады на международных конференциях, общаемся с коллегами. Они признают, что мы выявили очень интересный процесс, но не могут объяснить его природу. Я обращался к нашим ведущим физикам, показывал графики. Физики говорили, что графики очень красивые, с четкими периодичностями. Однако ясности и понимания это не добавило. Стало грустно, ведь я думал, что нашел физический процесс, описал его, определил его природу, решил задачу, и дальше, уже с целым ансамблем этих периодичностей, опираясь на полученные знания, мы начнем работать в фундаментальном и прикладном направлениях. Природа явления оставалась загадкой.
В итоге в какой-то момент я написал в своем дневнике: «Проведенные мной 15-летние поиски причин периодических явлений в динамике извержения вулканов в таких направлениях, как физика, химия, геология, вулканология, объяснений не дали».
― Как же быть?
― Пришлось углубиться в процесс исследования, расширить границы поиска.
― «Хочешь сделать хорошо ― сделай сам». Сделали?
― Мне посоветовали начать проводить эксперименты и попробовать получить модель, описывающую работу извергающегося вулкана. Но я же геолог! Я не по моделям. Я не знал даже, с чего начинать экспериментировать. Но двигаться вперед было необходимо. И в конце концов я начал работать в направлении моделирования.
― Это как?
― Начал экспериментировать в Москве, в ванной комнате своей квартиры. Обошел все аптеки в округе, купил капельницы, катетеры, клистиры, грелки… Купил четыре литра пива в киоске. Собрал первый модельный вулкан. Залил пиво в систему и запустил ее. Но система не работала. Шли некоторые процессы, но не те, которых я ожидал. Я не знал, что делать дальше.
― Что же сделали? Решили все выпить с горя?
― Да все уже вылилось в ванну! Нет, конечно, выпивать нельзя. Когда человек занимается экспериментом, у него должен быть чистый мозг. Он не может ни на что отвлекаться. Сознание должно работать четко. Поэтому я просто лег спать. Проснулся в два часа ночи и понял, что делать. Изменил конфигурацию «установки». Купил опять пива, теперь уже восемь литров.
― Интересно, как на вас смотрела продавщица…
― Меня весь микрорайон через месяц считал суперчеловеком, потому что я два раза в день покупал восемь литров пива и куда-то уходил. С интервалом в 12 часов.
В ходе этих экспериментов обнаружилось огромное количество интересных эффектов, свойств и проявлений гидродинамики, но все было немного не то.
Через полтора месяца моя терпеливая мама Нина Александровна Озерова стала беспокоиться из-за невозможности попасть в ванную комнату… Кроме того, закончился отпуск. Я сел в самолет и полетел на Камчатку. Знаете, почему в самолете хорошо думать?
― Интуиция лучше работает?
― Самолет ― это телепортация. Это состояние надо использовать. Поэтому в самолете я написал план своих дальнейших действий. Вернулся в родной Институт вулканологии, собрал свою команду — и мы начали интеллектуальный штурм. Придумали, как сделать «магматический очаг» для нашего экспериментального вулкана, поняли, что понадобится имитировать подводящие каналы. И еще поняли, что было не совсем правильно работать с пивом, параметры этой жидкости сложно воспроизводить в эксперименте.
Алексей Юрьевич Озеров. Фото Ольги Мерзляковой
― А вообще это вы придумали ― работать с пивом? Это чисто русская идея?
― Однажды на конференции в Японии я присутствовал на докладе американских исследователей. Они работали с пивом. В журнале Nature это исследование было опубликовано, иллюстрация ― бокалы с пивом…
На начальных стадиях экспериментов мы испробовали разные жидкости ― спирт и раствор спирта с водой, глицерин и раствор глицерина с водой, различные жидкие масла. Но лучше всего показала себя вода. В процессе выбора модельной жидкости мы пришли к выводу, что нужна воспроизводимая газонасыщенная жидкость, чтобы при определенном давлении, определенных параметрах все свойства и процессы можно было отследить и вернуться к ним в любой момент. Поэтому мы начали использовать воду, насыщенную растворенным газом СО2.
В дополнение к нашему «очагу» мы сделали «подводящие каналы вулкана» разного диаметра, «кратер» в виде аквариума, где отслеживали выход модельной жидкости на поверхность. Для наблюдения процессов, протекающих по мере подъема жидкости в каналах, в режиме реального времени создали оригинальную систему динамического видеослежения. Камера перемещается вдоль «канала» с той же скоростью, с которой движутся пузырьки газа, образующиеся в модельной жидкости. Они увеличиваются в размерах, начинают двигаться быстрее или, наоборот, замедляться. Соответственно, должна меняться и скорость движения камеры.
― Получается, вы создали новую установку, которой больше нигде нет?
— Да. В результате под моим руководством разработано и сконструировано новое исследовательское экспериментальное оборудование для изучения механизмов извержений ― комплекс аппаратуры моделирования базальтовых извержений (КАМБИ), не имеющий аналогов в мире. Это лабораторный вулкан высотой 18 м, предназначенный для исследования движения газожидкостных смесей в протяженных прозрачных вертикальных колоннах, служащих экспериментальными аналогами вулканических магмоподводящих каналов.
В ходе экспериментальных работ выделено три типа потоков (пенный, снарядный и открытых кластеров); четыре вида режимов течения (пенный, пенных кластеров, блокированных кластеров и открытых кластеров); разработана новая схема режимов течения газожидкостных смесей, включающая 11 режимов; установлены механизмы трех групп периодичностей (пульсирующее фонтанирование, стромболианские взрывы и периодическое фонтанирование). Синтез этих данных позволил впервые получить системные представления о физических процессах, происходящих в питающих системах вулканов.
Итогом этих исследований стала новая область научных знаний ― газогидродинамика вертикальных потоков. Результаты газогидродинамических исследований, полученные для объяснения вулканических явлений, с успехом могут использоваться для моделирования работы нефтяных скважин, геотермальных скважин и охлаждающих систем атомных реакторов. На все это ушло около 12 лет.
— Какие конкретно вулканы вы изучали?
— Мною изучалась динамика извержений многих камчатских вулканов: Ключевского, Безымянного, Шивелуча, Карымского, Авачинского, Горелого, Мутновского, Камбального, а также извержения вулканов, находящихся в других регионах мира, таких как Эребус (Антарктида), Стромболи (Италия), Килауэа (Гавайи), Эйяфьядлайекюдль (Исландия). Изучалось движение лавовых потоков, огненные фонтаны, пепловые шлейфы, пути их распространения, характеристики, скорости, опасность вершинных и побочных извержений. То есть проводился весь комплекс исследований, связанных с процессом извержений. Но главным объектом исследований для меня всегда был часто извергающийся сверхактивный красавец-гигант Ключевской.
Параллельно проводились комплексные петрологические исследования. Петрология ― это наука, связанная в том числе с изучением эволюции магматических расплавов вулканов. В моем случае это был вулкан Ключевской. Необходимо было ответить на целый ряд вопросов. Как работает его магматическая система и почему она состоит из разных пород ― высокомагнезиальных, с крупными кристаллами оливина и клинопироксена, которые образуются на глубинах более 30 км? Почему на поверхности находятся высокоглиноземистые андезибазальты, в которых этих кристаллов почти нет? Куда они исчезают? Почему изменилось вещество? Почему из побочных прорывов выносятся высокомагнезиальные породы, а из вершинных ― нет? Почему разные вулканы демонстрируют разные типы извержений? В своей петрологической работе я как использовал классические подходы, так и создавал новые методики, которые ранее в петрологии не применялись.
— О чем конкретно речь?
— Мною был разработан новый подход, который называется «Метод исследования твердофазных включений в породообразующих минералах». Эта методика оказалась весьма информативной для решения вопроса о составе ликвидусной ассоциации и порядке кристаллизации минералов из расплава. Удалось установить составы всех одновременно сокристаллизующихся минеральных фаз на всех стадиях формирования магматического расплава. Это позволило определить минералогические и динамические факторы, отвечающие за формирование всей эволюционной серии пород Ключевского вулкана от высокомагнезиальных базальтов до высокоглиноземистых андезибазальтов. В результате была создана модель формирования всего разнообразия пород этого крупнейшего базальт-андезибазальтового вулкана.
— Ваши исследования довольно разнонаправлены. Как они объединяются?
Алексей Юрьевич Озеров. Фото Ольги Мерзляковой
— Все очень просто. Первое ― мы работаем с динамикой извержений и строением вулканических аппаратов, второе ― исследуем геогидродинамические процессы в питающих каналах, третье ― изучаем эволюцию магматического вещества в подводящих системах вулканов. Иначе говоря, мы показали поведение главных составляющих компонентов магматической системы и их взаимодействие на разных этапах. В итоге была создана многопараметрическая модель деятельности базальтовых-андезибазальтовых вулканов. Фактически было предложено новое научное направление: генетическая вулканология ― наука, изучающая объекты, явления и процессы, располагающиеся и происходящие в недрах (магмогенерирующие и магмоподводящие системы) и на поверхности (формирование вулканов и извержения), их происхождение, существование, наследственность и изменчивость, а также механизмы, определяющие природу образования и функционирования вулканических систем.
― Алексей Юрьевич, что вы еще не поняли про вулканы, но хотели бы понять?
― Сегодня, по моему мнению, главная задача мировой вулканологии ― постичь механизмы деятельности вулканов. «Истинные знания ― это знания природы явления», — сказал 500 лет назад Коперник. И сейчас мы должны познать природу вулканов, чтобы уметь прогнозировать их поведение в будущем. Трудность в том, что вулканы разные.
― Но их можно разделить на типы?
― Конечно. Можно отталкиваться от общей классификации: базальтовые, андезитовые, дацитовые и риолитовые вулканы. Но вулканы отличаются по возрасту ― молодые, зрелые, древние; по нахождению в разных геодинамических обстановках; по временному интервалу, отделяющему конкретное извержение от предыдущего, и т.д. И они в этих системах тоже будут работать по-разному.
― То есть двух абсолютно одинаковых вулканов не существует?
― Нет! Мало того, они еще бывают смешанных типов, переходят из одного в другой во времени. Все очень непросто. Но мы продолжаем вести поиски базовых закономерностей и главных механизмов извержения.
Я уже рассказал, как создавалась феноменологическая модель базальт-андезибазальтовых извержений. Они продуцируются магмой низкой вязкости, в которой газовые пузырьки поднимаются значительно быстрее заключающего их магматического расплава. Газовая фаза формирует свои собственные структуры, которые взрывообразно реализуются на поверхности.
Сейчас мы приступаем к моделированию андезитовых и дацитовых извержений, которые генерируются вязкими и высоковязкими магмами. Выделившиеся из расплава пузыри газа находятся в запечатанном состоянии, они не имеют возможности самостоятельно двигаться. Ведущая роль принадлежит силам трения расплава со стенками канала, что создает условия для накопления упругой энергии и последующей ее взрывной реализации. Мы, надеюсь, нашли подходы к созданию принципиально иной экспериментальной установки, которая поможет моделировать процессы в питающих системах вулканов этого типа. На очереди риолитовый вулканизм. Подходы к его механизму еще находятся в стадии теоретической проработки.
Когда появятся все три модели деятельности вулканов, надо будет переходить от феноменологического моделирования к параметрическому. И тогда, надеюсь, мы приблизимся к надежному, воспроизводимому прогнозированию извержений вулканов всех типов.
― И тогда ученые смогут контролировать деятельность вулканов и делать прогнозы?
— Да. Комплексный подход к изучению вулканических объектов, которые, помимо научного интереса, представляют прямую угрозу всем сферам жизнедеятельности населения, крайне важен. Наряду с фундаментальными исследованиями необходимо решать практические задачи, вопросы обеспечения безопасности, ответы на которые используются для принятия стратегических решений на всех уровнях власти.
Руководителей районных администраций, представителей МЧС, правительства Камчатского края мало заботят такие научные подробности, как движущиеся в двухфазном потоке пузырьки, кристаллы, микровключения, эволюция магматических расплавов и те открытия, которые никто в мире еще не сделал. При наступлении конкретной ситуации им нужен четкий ответ здесь и сейчас. То есть, например, эвакуировать поселок/город/край или нет, будет извержение вулкана усиливаться или нет. И это правильные вопросы. Вся наша наука в значительной степени существует для того, чтобы давать ясные ответы на эти вопросы.
― Можем ли мы научиться управлять мощью и энергией вулканов?
― Конечно! И.Т. Кирсанов, сотрудник Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, открыл термальные источники «Дачные». Просто пришел туда с группой коллег. Они возвращались из тяжелейшего маршрута ― уставшие, обессилевшие, измученные борьбой с кровососущими насекомыми. И вдруг ― пар из-под земли и водоемы с теплой водой. Все сбросили с себя одежду, погрузились в эти чудотворные лужи ― жизнь удалась!
А затем Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН начал проводить там буровые работы, выяснять глубины залегания теплоносителя, его объемы, температуры, площадное распространение, устойчивость во времени. Потом на этих местах вырос поселок. И вот уже стоит геотермальная электростанция. Сейчас каждая третья лампочка на Камчатке питается от Мутновского геотермального месторождения, открытого сотрудниками нашего института.
— Как вы себе представляете будущее вулканологии?
— В будущем мы, конечно, должны надежно предсказывать извержения вулканов, землетрясения, цунами, расширять площади для геотермальной энергетики, открывать месторождения полезных ископаемых. Задачи важные, амбициозные, социально значимые и чрезвычайно тяжелые. Но воодушевляет то, что нам удается генерировать тот поток открытий, который нам достался от наших предшественников и который мы постараемся передать следующим поколениям исследователей.
― Вулканы получили свое название в честь античного бога огня. Что они для вас?
― Для меня вулкан всегда остается своеобразным божеством ― это нечто сверхъестественное, не вполне понятное, способное влиять на нашу жизнь. Его размеры, глубины, мощь, тайны ― все это вызывает восхищение, интерес, влечет и манит. Господь сказал: «Познай творение мое, сын мой!» И мы это делаем.
Вообще любой ученый ― неважно, каков объект его исследований: маленькая бактерия в окуляре микроскопа или огромная звезда в миллионах километрах от Земли, ― должен относиться к предмету своего исследования как к наиважнейшей, почти божественной субстанции.
Что касается вулканологии, для себя я назвал третье тысячелетие «эрой механизмов». Вулканы невозможно понять быстро. Приходится спешить, ведь у всех есть лимит времени. Нам надо успеть. Успеть увидеть, описать, разобраться. Нам, всему человечеству, которое в один день может подвергнуться жесткому воздействию вулкана, нужно постараться успеть понять механизм его деятельности, чтобы мы могли научиться прогнозировать извержения и минимизировать их воздействие.
Я отношусь к науке как к надстройке над обществом, которая должна приносить пользу. Фундаментальная наука ― это крайне важно, без нее никуда. Но еще есть люди, дороги, самолеты, машины, заводы, города. Ответственность за все это лежит и на нас тоже. Я часто показываю на лекциях изображение трех кругов ― трех составляющих научной деятельности: один ― «фундаментальный», другой ― «прикладной», третий ― «безопасность». Только сочетание всех этих аспектов можно считать полноценной реализацией науки.