Дождь заставляет горы двигаться: как ливни поднимают вулкан Фудзи на сантиметры

Магма, приходящая в движение, может заставлять землю вокруг вулкана заметно подниматься. Однако поверхностная деформация не всегда указывает на неизвержение — новые результаты показывают, что рельеф вокруг вулкана может смещаться и в периоды сильных дождей. Исследователи, изучающие японский вулкан Фудзи, обнаружили случаи сантиметровой деформации грунта, связанной с интенсивными осадками. К счастью, такие события можно легко отличить от деформации, вызванной магматической активностью, сообщает команда в журнале Geology.

Вулканы по всему миру — от Килауэа в США до Кальбуко в Чили — оснащены наборами датчиков. Фудзи не исключение: регион вокруг этого вулкана оборудован десятками инструментов для обнаружения движений грунта, инфразвука и других признаков потенциальной вулканической нестабильности. Всё это мониторинг оправдан: Шин-Фудзи («Молодой Фудзи») — самый молодой из трёх наложенных друг на друга вулканов — в настоящее время активен.

Шуо Чжэн, гидрологический геодезист из Гонконгского политехнического университета (Китай), и его коллеги недавно проанализировали некоторые из этих данных. Команда сосредоточилась на наблюдениях глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), известной как GPS, собранных ежедневно с 2017 по 2023 год.

Исследователи обнаружили несколько случаев, когда две GNSS-станции, расположенные в пределах 10 километров от вершины Фудзи, зафиксировали явные признаки поднятия. Эти сигналы, отражающие изменения примерно на 1-2 сантиметра, значительно превышали миллиметровую точность датчиков. И когда команда сопоставила время этого поднятия с данными дождемеров, они обнаружили, что земля часто начинала подниматься почти сразу же в периоды сильных осадков (определяемых как несколько десятков миллиметров дождя в день).

Вероятно, за этой корреляцией стоит физическая связь. Объяснение включает так называемые «клинкеры», которые покрывают каждый из подземных слоёв лавы Фудзи. Клинкеры — это слои мелких камней, образующиеся при быстром охлаждении поверхности лавового потока, и эти структуры сохраняются в неглубоких подземных горизонтах Фудзи. «Они могут хранить и передавать грунтовые воды, действуя как водоносные горизонты», — сказал Чжэн.

Когда вода заполняет поровое пространство внутри клинкера, вышележащему грунту не остаётся ничего другого, кроме как подниматься вверх. Поэтому вполне логично, что станции GNSS, расположенные на вершине старых лавовых слоёв, демонстрируют поднятие в ответ на интенсивные дожди.

Однако когда Чжэн и его сотрудники проанализировали данные девяти станций GNSS, расположенных на расстоянии от 25 до 40 километров от вершины, они обнаружили, что земля, наоборот, проседала в периоды сильных осадков. «Существует два разных ответа», — сказал Косуке Хеки, геофизик и геодезист из Университета Хоккайдо (Япония), член исследовательской группы. Это проседание — известный эффект, наблюдаемый в разных местах. Команда предположила, что проседание не доминирует ближе к вершине Фудзи из-за наличия там слоёв клинкера.

Поднятие, зафиксированное командой вблизи вершины Фудзи, как правило, длилось всего день или два и исчезало, когда дождь прекращался. Этот момент является ключевым для дифференциации деформации, вызванной осадками, от деформации, вызванной магмой. «Поднятие от дождя легко прекращается, когда перестаёт идти дождь», — сказал Хеки. «Но у магмы гораздо более длительный масштаб времени. Она продолжается неделями или месяцами».

Эта разница критически важна, говорит Лука Карикки, вулканолог из Женевского университета, не участвовавший в исследовании. Долгое время считалось, что деформация грунта означает неизвержение, но эти новые открытия показывают, что подвижки вулкана не всегда означают движение магмы, сказал Карикки. Если деформация кратковременна, объяснением может быть просто осадки. «Вам не о чем беспокоиться».

Чжэн и его коллеги искали аналогичный эффект для других вулканов Японии. Однако при анализе цепочки островных вулканов к югу от Токио они не обнаружили никаких убедительных тенденций. Возможно, это потому, что слои клинкера под этими вулканами находятся так близко к морю, что вода эффективно из них дренируется, предположила команда.

Открытие, сделанное на Фудзи, — это не просто академический курьёз. Для сейсмологов и вулканологов, работающих в режиме реального времени, каждый сигнал деформации может быть причиной для объявления тревоги. Эвакуация населения у подножия вулкана — это дорогостоящее и социально разрушительное мероприятие. И если сотрудники обсерваторий научатся мгновенно отличать «дождевой подъём» от магматического вторжения, это спасёт миллионы долларов и нервы тысяч людей.

Механизм, раскрытый исследователями, удивительно элегантен. Клинкеры, эти грубые слои обломков между потоками лавы, работают как природные губки. Во время тайфунов, которые часто обрушиваются на Японию, сотни миллиметров воды за несколько часов просачиваются сквозь трещиноватые породы вершинной зоны Фудзи и заполняют пустоты в клинкерных горизонтах. Вода практически не сжимаема, и когда поры заполнены, вышележащим породам некуда деваться — они вынуждены приподниматься. Как только дождь прекращается, вода уходит вниз по склону или в более глубокие водоносные слои, и грунт возвращается на место.

Почему же это важно для других вулканов? Потому что клинкерные горизонты есть у многих стратовулканов. Фудзи — идеальный полигон, потому что его геология хорошо изучена, а сеть датчиков одна из самых плотных в мире. Но та же самая физика может работать на вулканах Камчатки, Анд или на горе Сент-Хеленс. Исследователи предупреждают: если вы видите на графике деформацию, которая длится день и синхронна с осадками — скорее всего, это просто вода. А вот если подъём продолжается неделями, несмотря на сухую погоду — пора вызывать кризисный штаб.

Интересно, что эффект проседания на дальних станциях (25-40 км от вершины) имеет другое объяснение. Там, где нет толстых слоёв клинкера, вода не задерживается, а вес дождевой массы (буквально, тонны воды, выпавшие на склоны) может сжимать пористые породы, вызывая небольшое опускание. Это так называемая «упругая деформация» от нагрузки, и она тоже известна, но проявляется гораздо слабее.

Отсутствие аналогичного эффекта на островных вулканах к югу от Токио (например, на островах Идзу) тоже показательно. Там крутые склоны и близость океана, вероятно, создают эффективную дренажную систему: вода просто не успевает задерживаться в клинкерах, быстро уходя в море или в глубокие трещины. Значит, для таких вулканов «дождевой подъём» не характерен, что тоже полезно знать для интерпретации данных.

В конечном счёте, это исследование — напоминание о том, что планета дышит не только огнём, но и водой. Вулканы — это сложные гидрогеологические системы, и их поведение определяется взаимодействием магмы, тектоники и погоды. Теперь, когда учёные научились «вычитать» дождевой сигнал из данных GNSS, мониторинг вулканов станет точнее, а прогнозы — надёжнее. А гора Фудзи, одна из самых красивых и опасных вулканических икон мира, продолжает учить нас терпению и вниманию к деталям, скрытым в, казалось бы, обычных сантиметрах.