Недавно на совместной телеконференции СО РАН и Национального научного совета Тайваня были утверждены 5 новых совместных проектов на 2012-2015 годы. Один из них посвящен исследованиям структуры коры и мантии в районе Тайваня методом сейсмической томографии. Комментирует руководитель проекта с российской стороны, заведующий лабораторией прямых и обратных задач сейсмики Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука СО РАН доктор геолого-минералогических наук Иван Юрьевич Кулаков:
- Есть много областей применения наших методик и алгоритмов, но лично моя главная страсть – это зоны субдукции, где происходит погружение океанической литосферы в мантию. Обычно такое наблюдается на окраинах континентов – например, в Японии, Индонезии, в Андах…Это самые активные зоны на Земле, и если геолог, геофизик любит экшн, он должен заниматься зонами субдукции. Здесь на наших глазах творится современная история планеты, происходят максимально активные тектонические процессы, сопровождаемые землетрясениями, извержениями вулканов, другими быстрыми и опасными явлениями. Эти процессы, пусть это немного цинично звучит, делают жизнь учёных интересной, напряженной; мы ощущаем себя подобием пожарной команды. Мне посчастливилось работать с разными зонами субдукции, "трогать их руками" – в Южной Америке, Индонезии, на Курило-Камчатской дуге, а также исследовать небольшие зоны субдукции в Европе: Калабрию и Критскую дугу.
Благодаря совместному проекту появилась возможность исследовать еще одну интересную зону субдукции в районе острова Тайвань. У этой зоны, как и у любой другой, есть своё "лицо". Тайвань в этом отношении удивительное место, где в одной точке встречаются сразу две плиты, погружающиеся в разных направлениях. Сам остров – как раз в области соприкосновения этих плит, что делает его уникально интересным местом. Там очень сложная геология, и чтобы развязать этот узел, надо показать трехмерную структуру недр. Наиболее эффективный метод для решения этой задачи – сейсмическая томография.
Термин "томография" здесь имеет достаточно широкое толкование. Речь идет об обработке больших массивов зарегистрированных приборами сейсмических волн, которые, пробегая сквозь глубинные недра Земли, накапливают информацию об их строении. Задача томографии состоит в том, чтобы расшифровать эту информацию и построить трехмерные изображения. Сейчас по всему миру установлено достаточно много сейсмических станций и накоплен огромный объем информации, который требуется корректно обработать. Для многих районов установка новых инструментов и получение новой информации становится менее актуальной задачей, чем «переваривание» уже накопленных данных. Это касается и Тайваня. Там создана плотная система наблюдения, но, как показывает опыт, уплотнение сети, инвестиции в технологическую часть сами по себе не приводят к успешному результату. Намного важнее – применение новых подходов, зачастую нестандартных, для их обработки. Одна из важнейших задач такой обработки состоит в получении достоверных объемных отражений строения недр и выявить движущие механизмы тектонических процессов, следы которых мы наблюдаем на поверхности.
В рамках проекта мы предлагаем проводить исследования на трех масштабных уровнях. Первый из них охватывает области размером в тысячи километров и базируется на глобальных данных. На этом уровне мы определяем форму литосферных плит, которые погружаются под континент. По тому, как они движутся, какова их форма, как они "хрустят", мы можем оценить силы, которые являются первоисточниками всех тектонических движений в Земле. В одном случае, например, тяжелая океаническая плита, погружаясь в мантию за счет гравитационных сил, тянет всю поверхность дна океана в сторону его окраины. В другом - океаническая литосфера может перемещаться мантийными течениями и «заталкивать» плиту на окраине океана под континент. От баланса сил в зоне субдукции зависит режим землетрясений и, возможно, вулканическая активность. Второй уровень наших исследований – первые сотни километров. В этом масштабе мы можем наблюдать, что происходит, собственно, с погружающейся плитой – механические процессы, фазовые переходы, плавление и тому подобное. Соответственно, над этой плитой образуются капли, наполненные флюидами и расплавами, которые поднимаются, плавят вышележащие породы и формируют очаги магматизма. Везде в мире, над местами, где погружающаяся плита проходит глубины 100-150 км (там происходят максимально интенсивные фазовые переходы и плавление), на поверхности, как правило, имеются вулканы, и Тайвань – не исключение. Ну и третий масштабный уровень наших исследований – это первые десятки километров. В этом масштабе мы исследуем детальную структуру под отдельными геологическими объектами. Для меня это самый интересный уровень, на котором можно наблюдать эволюции конкретных магматических очагов, приводящих к извержениям вулканов.
Мы разрабатываем технологии, некоторые из которых еще пока мало распространены в мире - например, направленные на изучение вариаций физических свойств пород в недрах Земли во времени. Это особо важно для вулканов, где геологические процессы протекают очень быстро. Так, в результате более чем десятилетнего мониторинга на Ключевской группе вулканов и построения 4D сейсмической модели мы обнаружили, что наиболее сильные вариации сейсмических свойств в коре происходят согласовано с крупными извержениями. На другом вулкане, Эль Йерро на Канарских островах, мы зафиксировали значительные вариации сейсмических свойств в течение месяцев и даже недель в период его активизации прошлой осенью. Я уверен, аналогичные исследования можно проводить и на разломных зонах. Как показывают предварительные результаты, перед землетрясением происходит резкое снижение сейсмических скоростей - буквально в разы – и после этого происходит разрыв. Если удастся выстроить закономерность по временным интервалам на основе данных высокого качества, какие имеются на Тайване, то это может стать значительным продвижением в решении проблемы прогнозирования землетрясений.
Для Тайваня всё, о чем я бегло рассказал, очень актуально. Например, там один ядерный реактор стоит на склоне вулкана Татун, который за исторически обозримый период показал себя полностью бездействующим, но в последние годы стал подавать небольшие "признаки жизни". Очевидно, изучение структур под вулканом и мониторинг его свойств становится злободневной задачей для Тайваня. Коллеги из департамента наук о Земле Тайбэйского университета собрали большой материал и имеют большой опыт работы с ним. Вместе с тем, в большинстве случаев они используют чужие алгоритмы, в основном американские и европейские, и эксплуатируют их по принципу «черного ящика». Мы претендуем на то, что наши алгоритмы лучше: удобнее, быстрее, эффективнее, дают больше возможностей для верификации. И, конечно, для исследователей предпочтительней работать с разработчиками алгоритмов вживую, чем пытаться осваивать их дистанционно. От Тайбэйского университета нашим партнером выступает профессор Юй Мин Ву. Для нас очень большая удача, что руководство СО РАН и Национального научного совета Тайваня отобрали сразу два совместных проекта по наукам о Земле – наш и иркутского Института геохимии под руководством академика Михаила Ивановича Кузьмина. Я уже связался с иркутскими коллегами, и мы договорились, что будем тесно сотрудничать всеми четырьмя российскими и тайванскими коллективами, что позволит нам посмотреть на одну большую проблему с разных сторон. У геохимиков другой подход к тем же самым явлениям, и сообща нам удастся создать более полную картину. К тому же у команды М.Кузьмина есть опыт работы с тайваньскими коллегами, мы же только знакомимся с ними. Замечу, что со стороны нашего института будет задействована группа способной молодёжи, включая студентов. Студенты у нас необычные – пишут статьи в иностранные научные журналы. Например, один мой "без пяти минут бакалавр" опубликовал уже две, в одной из них он первый автор, а сейчас работает над третьей, в соавторстве с академиком Николаем Леонтьевичем Добрецовым и мной, но тоже будет стоять первым в списке авторов. Тема его последней статьи – процессы, происходящие в районе Марианской зоны субдукции, что относительно недалеко от Тайваня.
Думаю, что в результате совместной работы с тайваньскими коллегами мы за 2012-2015 годы закроем немало белых пятен, связанных со строением погружающихся литосферных плит, и создадим достаточно точную 3D-карту зоны субдукции Тайваня и окружающих областей. Мы также намерены изучить глубинные процессы, связанные с образованием и активностью вулканов – для Тайваня это опасность не такая острая, как землетрясения, но потенциально грозная. Впрочем, перечень природных рисков для острова этим не ограничивается…
Подготовил Андрей Соболевский
Фото: из архива И. Кулакова, knl-travel.ru, ivan-art.com
