Томография — метод неразрушающего послойного исследования внутренней структуры объекта через многократное просвечивание в разных направлениях. Ключевые отличия сейсмической томографии от медицинской в том, что распределение источников и приемников при ней весьма неравномерно, а направления излучения сильно ограничены: гору нельзя, как пациента, поместить в удобное место и просветить со всех сторон. К тому же, не все вулканы можно изучать подобным методом.
Существуют, например, плюмы — тонкие, расплавленные струи, которые поднимаются в мантии, «протыкают литосферу» и приводят к образованию вулканических полей типа Гавайев или Исландии. Это очень сложный объект для томографии. В силу своей физической природы сейсмические лучи стараются избегать тонких образований с пониженными скоростями. Они пробегают вокруг плюмов, не проникая внутрь. Фактически с помощью сейсмотомографии можно исследовать только области нагрева вокруг плюмов, но не сами расплавленные струи.
Зоны субдукции, где одна литосферная плита погружается под другую, порождают вулканические процессы принципиально другой природы. Основные их особенности: большое разнообразие составов и режимов извержений, сложная система промежуточных магматических камер, частые взрывные извержения, которые представляют наибольшую опасность. В этих зонах происходит большое количество глубоких землетрясений, что позволяет просветить кору и мантию проходящими лучами. В этом случае сейсмическая томография похожа на медицинскую и позволяет получать изображения недр с достаточно высоким разрешением.
— Где-то в серединах океана рождается литосфера, — объясняет суть процесса субдукции И. Ю. Кулаков, — из застывающего мантийного вещества в зонах расхождения плит. Постепенно она движется в сторону континента, охлаждается, становится более толстой, и при достижении некоторой критической массы начинает погружаться в мантию. При погружении эта плита плавится и подвергается фазовым переходам. Выделенная вода и расплавы поднимаются к поверхности, образуя вулканические пояса. Примером субдукции может служить Курило-Камчатская дуга.
Исследовательским коллективом И. Ю. Кулакова была подготовлена 4D- модель активности (многомерная визуализация процесса во времени) Ключевской группы вулканов вблизи этой дуги.
— Только в голливудских фильмах ученые, нажимая на клавиши, могут получать трехмерные картинки земных недр в режиме реального времени, — рассказывает И. Ю. Кулаков. — На самом деле попытки провести такое исследование достаточно скромные. Я знаю только одну статью с не очень внятными результатами по Этне, которая была напечатана пару лет назад в журнале «Science». Другие попытки создать четырехмерную модель вулканов мне неизвестны. Под вулканами Ключевской группы мы четко увидели «жизнь» магматических камер на различных глубинах на протяжении 11 лет наблюдений с 1999 по 2009 годы. Интересно, что в 2005 году произошли крупные, почти синхронные извержения Ключевского и Безымянного вулканов, и на наших томограммах мы имеем возможность наблюдать этапы их подготовки, активизации и релаксации. До 2004 года мы видим три магматические камеры на различных глубинах, где происходит подготовка продуктов извержения. В 2005 году произошло резкое общее увеличение в коре под вулканами соотношения скоростей продольных и поперечных волн, которое является четким индикатором наличия расплавов и флюидов в породах. По-видимому, такое быстрое изменение сейсмической структуры связано с распространением деформаций в коре, вызвавшим образование трещин. По этим трещинам устремились флюиды в области перегретой магмы, что привело к ее плавлению и кипению, вызвавшему, в свою очередь дальнейший рост напряжений. Такая положительная обратная связь привела, в конце концов, к извержениям 2005 года. После этого в течение нескольких лет наблюдается пониженная интенсивность аномалий в коре, что соответствует периоду релаксации. Однако в 2008 и 2009 годах аномалии, отражающие положения магматических камер, появляются вновь, и их интенсивность нарастает, что позволяет говорить о подготовке нового извержения.
Комментируя доклад, академик Николай Леонтьевич Добрецов отметил:
— Академик-секретарь Отделения наук о земле РАН Александр Олегович Глико говорил мне, что знает в этой области несколько фигур мирового уровня, и одна из них - Иван Юрьевич Кулаков. Одним из результатов его работ в скором времени, скорее всего, будет публикация статьи в Nature. Многое из того, что было представлено Президиуму СО РАН, установлено впервые в мире.
Таким образом, сейсмическая томография — это эффективный инструмент для получения достоверной информации о строении земных недр, который можно использовать для решения прикладных и фундаментальных задач. 4D томография в свою очередь позволяет наблюдать все процессы в динамике, что дает возможность предсказать геологические катастрофы.