Магма, прокачивающаяся через массивный комплекс плоских взаимосвязанных камер глубоко под вулканами на Гавайях, по-видимому, ответственна за необъяснимый рой крошечных землетрясений, ощущавшихся на Большом острове за последние семь лет, в частности, после извержения 2018 года и обрушения вершины Килауэа.

Похожие на блины камеры, называемые "подоконниками", направляют магму вбок и вверх для подпитки магматических камер по крайней мере двух действующих вулканов острова: Мауна-Лоа и Килауэа. Используя алгоритм машинного обучения, геологи из Калифорнийского технологического института смогли использовать данные, собранные с сейсмических станций на острове, чтобы наметить структуру порогов, нанеся их на карту с невиданной ранее точностью и продемонстрировав, что они связывают вулканы.

Кроме того, исследователи смогли проследить за продвижением магмы по мере ее продвижения вверх через пороги и связать это с активностью Килауэа. Они проанализировали период, который закончился в мае 2022 года, поэтому пока невозможно сказать, смогут ли они обнаружить поток магмы, который привел к извержению Мауна-Лоа 27 ноября, но команда намерена рассмотреть это в следующий раз.

"До этого исследования мы очень мало знали о том, как магма хранится и транспортируется глубоко под Гавайями. Теперь у нас есть карта важной части водопроводной системы высокой четкости", - говорит Джон Д. Уайлдинг, аспирант Калифорнийского технологического института и соавтор статьи с описанием исследования, опубликованной в журнале Science 22 декабря.

Это исследование представляет собой первый случай, когда ученые смогли непосредственно наблюдать магматическую структуру, расположенную так глубоко под землей. "Мы довольно хорошо знаем, что делает магма в мелководной части системы на глубине более 15 километров, но до сих пор все, что находится ниже этого уровня, было только предметом спекуляций", - говорит Уайлдинг.

Располагая данными о более чем 192 000 небольших землетрясениях (магнитуда менее 3,0), произошедших за 3,5-летний период с 2018 по середину 2022 года, команда смогла нанести на карту более дюжины порогов, расположенных друг над другом. Самый большой - примерно 6 на 7 километров. Толщина подоконников, как правило, составляет около 300 метров, и они разделены расстоянием около 500 метров.

"Вулканические землетрясения обычно характеризуются небольшой магнитудой и частым возникновением во время магматических волнений", - говорит Вэйцян Чжу, аспирант-исследователь в области геофизики и соавтор научной статьи.

"Мы в восторге от недавних достижений в области машинного обучения, особенно глубокого обучения, которые помогают точно обнаруживать и локализовать эти небольшие сейсмические сигналы, записанные плотными сейсмическими сетями. Машинное обучение может стать эффективным инструментом для сейсмологов для анализа больших архивных наборов данных, выявления закономерностей в небольших землетрясениях и получения информации о лежащих в их основе структурах и физических механизмах".

Уайлдинг и Чжу работали с Дженнифер Джексон, профессором физики минералов Уильяма Э. Леонхарда, и Закари Россом, доцентом геофизики и стипендиатом Уильяма Х. Херта, которые оба являются старшими авторами статьи.

Команде не нужно было устанавливать ни одного оборудования для проведения исследования; скорее, они полагались на данные, собранные сейсмометрами Геологической службы США на острове. Однако алгоритм машинного обучения, разработанный в лаборатории Росса, дал им беспрецедентную способность отделять сигнал от шума - то есть четко идентифицировать землетрясения и их местоположение, которые создают своего рода 3D "облако точек", иллюстрирующее пороги.

"Это аналогично компьютерной томографии, с помощью которой врач может визуализировать внутреннюю часть тела пациента", - говорит Росс. "Но вместо того, чтобы использовать контролируемые источники с рентгеновскими лучами, мы используем пассивные источники, которыми являются землетрясения".

Команда смогла каталогизировать примерно в 10 раз больше землетрясений, чем было возможно ранее, и они смогли точно определить их местоположение с погрешностью менее километра; предыдущие местоположения были определены с погрешностью в несколько километров. Работа была выполнена с использованием алгоритма глубокого обучения, который был обучен обнаруживать сигналы землетрясений, используя обучающий набор данных из миллионов ранее идентифицированных землетрясений.

Даже при небольших землетрясениях, которые могут не выделяться человеческим глазом на сейсмограмме, алгоритм находит закономерности, которые отличают землетрясения от фонового шума. Росс ранее использовал этот метод, чтобы показать, как естественная закачка подземных флюидов привела к четырехлетнему землетрясению близ Кауиллы, штат Калифорния.

Пороги, по-видимому, находятся на глубине около 36-43 километров. (Для справки, самая глубокая скважина, которую когда-либо пробурили люди на Земле, составляет чуть более 12 километров.) Ученым давно известно, что граница раздела фаз находится на глубине около 35 километров под Гавайями; на такой границе раздела фаз порода одного и того же химического состава переходит из одной группы минералов выше в другую группу ниже.

Изучая новые данные, Джексон признал, что переходы, происходящие в этой породе в сочетании с выбросами магмы, могут приводить к химическим реакциям и процессам, которые напрягают или ослабляют породу, возможно, объясняя существование порогов — и, следовательно, активную сейсмичность.

"Переход шпинели в плагиоклаз в лерцолитовой породе может происходить в результате диффузной миграции, захвата и кристаллизации расплавов магмы в неглубокой литосферной мантии под Гавайями", - говорит Джексон.

"Такие сборки могут проявлять временное ослабление, возникающее в результате сопряженной деформации и химических реакций, которые могут способствовать росту трещин или активации разломов. Повторяющиеся инъекции магмы непрерывно изменяли бы размеры зерен в силловом комплексе, продлевая условия для сейсмической деформации в породе. Этот процесс мог бы использовать боковые колебания силы для создания и поддержания боковых компактных сейсмогенных объектов, которые мы наблюдаем ".

По словам исследователей, неясно, являются ли пороги под Большим островом уникальными для Гавайев или этот вид субвулканической структуры является обычным явлением. "Гавайи - самый хорошо контролируемый остров в мире, с десятками сейсмических станций, дающих нам представление о том, что происходит под поверхностью. Мы должны задаться вопросом, в скольких других местах это происходит?" Говорит Уайлдинг.

Также неясно, как именно движение магмы вызывает крошечные землетрясения. Землетрясения отображают структуры, но фактический механизм землетрясений не совсем понятен. Возможно, впрыск большого количества магмы в пространство создает сильный стресс, говорят исследователи.