Вулканизм

Если жидкий магматический расплав достигает земной поверхности, происходит его извержение, характер которого определяется составом расплава, его температурой, давлением, концентрацией летучих компонентов и другими параметрами. Одной из самых важных причин извержений магмы является ее дегазация. Именно газы, заключенные в расплаве, служат тем «движителем» который вызывает извержение. В зависимости от количества газов, их состава и температуры они могут выделяться из магмы относительно спокойно, тогда происходит излияние — эффузия лавовых потоков. Когда газы отделяются быстро, происходит мгновенное вскипание расплава и магма разрывается расширяющимися газовыми пузырьками, вызывающими мощное взрывное извержение. Если магма вязкая и температура ее невысока, то расплав медленно выдавливается на поверхность Земли.

Исторически известны все вулканы Земли. Как исключение в 1943 году на ровном месте в Мексике начал формироваться вулкан. За неделю его высота достигла 110 м., за год – 325 метров.

Продукты извержения вулканов. По данным прямых измерений, в различных действующих вулканах среди газообразных летучих компонентов содержатся водяной пар, диоксид углерода (СО₂), оксид углерода (СО), азот (N₂), диоксид серы (SO₂), оксид серы (SО₃), газообразная сера (S), водород (H₂), аммиак (NН₃), хлористый водород (НСl), фтористый водород (НF), сероводород (Н₂S), метан (СН₄), борная кислота (Н₃ВО₂), хлор (С1), аргон и другие, хотя преобладают Н₂О и СО₂. Присутствуют хлориды щелочных металлов, а также железа. Состав газов и их концентрация сильно меняются в пределах одного вулкана от места к месту и во времени, они зависят от температуры и типа земной коры.

Hаиболее высокотемпературные газы являются ювенильными, тогда как при более низких температурах они смешиваются с атмосферным воздухом и водой. Ниже +100°С пары воды превращаются в жидкость, которая реагирует с соединениями, образуя агрессивные кислоты. Газы континенталь­ных вулканов резко отличаются от газов вулканов, расположенных на островах океанов.

Жидкие вулканические продукты представлены лавой (лавер - мыть, стирать) — магмой, вышедшей на поверхность и уже сильно дегазированной. Главные свойства лавы — химический состав, вязкость, температура, содержание летучих компонентов — определяют характер эффузивных извержений, форму и протяженность лавовых потоков. Шире всего распространены основные — базальтовые лавы. Так, при извержении вулкана Лаки в Исландии в 1783 г. объем базальтов составил 12 км³, что привело к гибели 10 000 человек. Базальтовые лавы при выходе на поверхность имеют температуру до 1 100-1 200°С и малую вязкость. Такие жидкие, подвижные лавы текут со скоростью до 60 км/ч при небольших уклонах, образуя лавовые «реки». Если рельеф слабо расчлененный, то жидкие базальты образуют обширные покровы. Базальтовые лавы могут течь даже при температуре +700° С. На таких подвижных базальтовых лавах быстро образуется корка мощностью в десятки сантиметров, под которой еще долгое время лава остается раскаленной. Поверхность базальтовых лавовых потоков имеет вид причудливо изгибающихся толстых канатов. Такие лавы называются канатными. Ниже скрученной в «канаты» поверхности потока часто возникают полости, трубы и туннели. Для более вязких лав характерна глыбовая поверхность,состоящая из остроугольных раздроб­ленных обломков. Базальты, изливающиеся в подводных условиях, образуют подушечные лавы, размер «подушек» которых достигает первых метров. В разрезе «подушек» видны внешняя быстро застывшая стекловатая корка и более раскристаллизованное внутреннее ядро. Промежутки между лавовыми «подушками» заполнены либо осадочным материалом, либо продуктами разрушения лав — мелкими стекловатыми обломками. Подушечные лавы образуются сейчас в океанических рифтовых зонах. Нередко поверхность лавового потока, изливающегося в океане, море, озере или во льдах, очень быстро охлаждается, превращаясь в вулканическое стекло.

Более кислые, вязкие и низкотемпературные лавы — андезиты, дациты, риолиты — образуют сравнительно короткие и мощные потоки. В подошве и в кровле потока образуются лавобрекчии.

Средняя часть лавового потока остывает гораздо медленнее, и в ней, благодаря сокращению объема, возникают трещины растяжения. Образуется столбчатая отдельность.

При слабых взрывах расплескиваемая лава образует по краям кратера скопления спекшихся «лепешек» и «капель» лавы. При сильных взрывах раскаленные, еще жидкие лавы выбрасываются в воздух по параболическим траекториям на десятки и сотни метров. Закручиваясь в воздухе и остывая, они падают на склоны вулкана, обладая грушевидной или крученой формой, и при размерах в первые сантиметры и больше называются вулканическими бомбами..

Если выброшенный вулканический материал имеет размерность 5,0-1,0 см, то он называется лапиллями (лапилли — шарик), а более мелкий — вулканическим песком, пеплом и пылью. Последняя обладает микронной размерностью и разносится на тысячи километров. Так, при взрыве вулкана Кракатау в 1883 г. тончайшая пыль обошла в верхних слоях атмосферы весь земной шар, вызвав образование серебристых облаков. Мощные взрывы, дробящие уже отвердевшие вулканические породы и распыляющие жидкую лаву, выбрасывают в воздух не только бомбы и обломочки стекла, но и кристаллы минералов. Такие мелкообломочные вулканические породы называются туфами, размер обломков в которых колеблется от 1-2 до долей мм.

Типы вулканических построек. В общем виде вулканы подразделяются на линейные и центральные.

Линейные вулканы трещинного типа, обладают протяженными подводящими каналами. Из трещин изливается базальтовая жидкая магма, которая, растекаясь в стороны, образует лавовые покровы. Вдоль трещин возникают пологие валы разбрызгивания, широкиеплоские конусы, лавовые поля. Часто трещины возникают параллельно друг другу. В случае магмы более кислого состава образуются линейные валыи массивы. Когда происходят взрывные извержения, то могут возникать рвы протяженностью в десятки километров.

Вулканы центрального типа имеют центральный подводящий трубообразный канал, или жерло, ведущее к поверхности от магматического очага. Жерло оканчивается расширением, называемым кратером, который по мере роста вулканической постройки перемещается вверх. Кратеры меняют свою форму и размеры после каждого извержения. У вулкана центрального типа кроме главного кратера могут быть и побочные, расположенные эксцентрично на его склонах и приуроченные к кольцевым или радиальным трещинам. Нередко в кратерах существуют озера жидкой лавы. В других случаях, когда лава обладает высокой вязкостью, в кратерах растут купола выжимания, закупоривающие жерла, подобно «пробке», что приводит к сильнейшим взрывным извержениям.

Форма вулканов центрального типа зависит от состава и вязкости магмы. Горячие и легкоподвижные базальтовые магмы создают обширные и плоские щитовые вулканы. Если вулкан периодически извергает то лаву, то пирокластические продукты, возникает конусовидная слоистая постройка, называемая стратовулканом (рис. 6.3).Вулканы центрального типа могут быть чисто лавовыми, либо образованными только рыхлыми вулканическими продуктами — шлаками, туфами и т. д., либо смешанными, т. е. стратовулканами. Вязкая кислая, низкотемпературная магма, медленно выдавливаясь из жерла, образует экструзивные купола. В случае очень высокой вязкости могут сформироваться выжатые «обелиски» или «иглы», подобно игле вулкана Мон-Пеле, возникшей в 1902 г.

В случае чисто газовых взрывов, пробивающих себе дорогу через осадочные породы, формируются воронки — маары (озера), заполняющиеся впоследствии водой. Брекчия взрыва в таких жерлах может вообще не содержать вулканического материала и состоять только из обломков вмещающих пород.

Отрицательные формы рельефа, связанные с вулканами центрального типа, представлены кальдерами — крупными провалами округлой формы, диаметром в несколько километров. Обрушение вершинной части вулкана происходит за счет разрушения ее взрывом или дренажа подводящего канала. Такая кальдера может возникнуть и без вулканического конуса, например при извержениях пемзы, туфов и пеплов по трещинам. В других случае кальдера возникает за счет оттока базальтовой магмы из периферических близповерхностных очагов и подводящих каналов. Кроме кальдер существуют и крупные отрицательные формы рельефа, связанные с прогибанием под действием веса извергнувшегося вулканического материала и дефицитом давления на глубине, возникшим при разгрузке магматического очага. Такие структуры называются вулканотектоническими впадинами, депрессиями, грабенами. Они могут иметь различную форму, диаметр в десятки километров и глубину в 1-3 км.

Рисунок 6.3. Схема строения стратовулкана:

1— кальдера на вершине, 2— вершинный конус, 3— побочные лавовые вулканы, 4— конус на склоне, 5— основной конус вулкана с чередованием лавовых потоков и туфовых покровов, 6— более ранние кислые туфы в вулканотектонической впадине

Вулканотектонические впадины распространены очень широко и часто сопровождают образование мощных толщ своеобразных кислых вулканических пород, имеющих различный генезис, бывают как лавовыми, так и образованными спекшимися или сваренными туфами. Для них характерны линзовидные обособления стекла, пемзы, лавы и туфовая или туфовидная структура основной массы. Как правило, крупные объемы связаны с неглубоко залегающими магматическими очагами. Быстрая разгрузка таких очагов, вызывающая бурные извержения, приводит к просадке обширных территорий.

Типы вулканических извержений. Существуют различные классификации вулканических извержений, среди которых выделяются общие для всех типы:

Гавайский тип извержений характеризуется выбросами очень жидкой, высокоподвижной базальтовой лавы, формирующей огромные плоские щитовые вулканы. Пирокластический материал практически отсутствует, часто образуются лавовые озера, которые, фонтанируя на высоту в сотни метров, выбрасывают жидкие куски лавы типа «лепешек», создающие валы и конусы разбрызгивания. Лавовые потоки небольшой мощности растекаются на десятки километров. Вулкан Мануа-Люс в 1950г. выбросил магму на высоту 2 600м.

Стромболианский тип (от вулкана Стромболи к северу от Сицилии) извержений связан с более вязкой основной лавой, которая выбрасывается разными по силе взрывами из жерла, образуя сравнительно короткие и более мощные потоки. При взрывах формируются шлаковые конусы и шлейфы вулканических бомб.

Плинианский тип (везувианский) извержений получил свое название по имени римского ученого Плиния Старшего, погибшего при извержении Везувия в 79 г. н. э., уничтожившего три больших города — Геркуланум, Стабию и Помпеи. Характерной особенностью извержений этого типа являются мощные, внезапные взрывы, сопровождающиеся выбросами огромного количества пепла и излиянием пемзовых потоков.В результате мощных взрывов близповерхностная магматическая камера опустела, вершинная часть Везувия обрушилась и образовалась кальдера, в которой через сто лет вырос новый вулканический конус — современный Везувий. Плинианские извержения весьма опасны и происходят внезапно, часто без всякой предварительной подготовки. К этому же типу относится грандиозный взрыв в 1883 г. вулкана Кракатау, звук от которого был слышен на расстоянии до 5 000 км, а вулканический пепел достиг почти стокилометровой высоты. Извержение сопровождалось возникновением огромных (25—40 м) волн в океане — цунами, в которых в прибрежных районах погибло около 40 000 человек. На месте группы островов Кракатау образовалась гигантская кальдера.

Пелейский тип извержений характеризуется образованием грандиозных раскаленных палящих туч, а также ростом куполов чрезвычайно вязкой лавы. Свое название этот тип получил от вулкана Мон-Пеле в группе Малых Антильских островов, где 8 мая 1902 г. взрывом была уничтожена вершина дремавшего до этого вулкана и вырвавшаяся из жерла тяжелая раскаленная туча гигантских размеров в мгновение уничтожила город Сен-Пьер с 40 000 жителей. Палящая туча состояла из взвеси в горячем воздухе раскаленных обломков пепла, пемзы, кристаллов, вулканических пород. Обладая высокой плотностью, эта масса с огромной скоростью устремилась вниз по склону вулкана. После извержения из жерла начала выдвигаться «игла» вязкой магмы, которая, достигнув высоты в 300 м разрушилась.

Извержение такого же типа произошло 30 марта 1956 г. на Камчатке, где грандиозным взрывом была уничтожена вершина вулкана Безымянного. Пепловая туча поднялась на высоту 40 км, а по склонам вулкана сошли раскаленные лавины, оставив после себя плащи пепла и пемзы, которые, растопив снега, дали начало мощным грязевым потокам. Высокая подвижность палящих туч достигается за счет выделения газов из раскаленных частиц.

Газовый тип извержений, выбрасываются в воздух лишь обломки уже твердых, более древних пород, обусловлен либо магматическими газами, либо связан с перегретыми грунтовыми водами.

Извержения пепловых потоков были широко распространены в недавнем геологическом прошлом, но в классическом виде не наблюдались человеком. В какой-то мере такие извержения должны напоминать палящие тучи или раскаленные лавины (рис. 6.4). В любом случае на поверхность поступает магматический расплав, который, вскипая, подобно молоку, разрывается и раскаленные шары пемзы, обломки стекла, минералов, окруженные раскаленной газовой оболочкой, с огромной скоростью движутся по минимальным уклонам.

Рис. 6.4. Излияние пеплового потока (А); извержение газово-пепловой тучи (Б);

1— магма не насыщенная газом, 2— при понижении давления маг­ма насыщается газом, 3— зона образования пузырьков, 4— зона с обильным газом, УВ — уровень взрыва

По существу, это своеобразный высокотемпературный «аэрозоль». Примером подобных извержений могло быть извержение в 1912 г. вулкана Катмай на Аляске, когда из многочисленных трещинных жерл излился пепловый поток, распространившийся примерно на 25 км вниз по долине, имея мощность около 30 м. Объем пепловых потоков может достигать десятков и сотен км³. Нередко извержения разного типа происходят в мелководных условиях — в океанах и морях. Тогда их отличает образование огромного количества пара, возникающего от соприкосновения горячей магмы с водой.

Поствулканические явления. После извержений, когда активность вулкана либо прекращается навсегда, либо он только «дремлет» в течение тысяч лет, на самом вулкане и в его окрестностях сохраняются процессы, связанные с остыванием магматического очага и называемые поствулканическими.

Выходы вулканических газов на поверхность называются фумаролами (фумо — дым). Очень часто фумаролы приурочены к радиальным и кольцевым трещинам на вулканах. Фумарольные газы связаны как с первичными эманациями из магматического расплава, так и с нагреванием грунтовых вод и превращением их в пар. Фумаролы подразделяются на сухие высокотемпературные, кислые, щелочно-нашатырные, сернистые, или сероводородные, углекислые. Фумаролы вулкана Сольфатара около Неаполя действуют уже тысячи лет без изменения. Фумаролы, располагающиеся в котловинах, опасны для жизни, так как, будучи тяжелее воздуха, СО₂ скапливается в их придонной части и служит причиной гибели людей и животных.

Горячие источники, или термы, широко распространены в областях современного и новейшего вулканизма. Горячие источники вулканических областей, например, в Йеллоустонском парке США, в Италии, Новой Зеландии, на Камчатке, на Кавказе, обладают изменчивым составом воды и разной температурой, поскольку грунтовые воды смешиваются в разной пропорции с вулканическими газами и по-разному реагируют с вмещающими породами, через которые они просачиваются на глубину. Воды бывают натриево-хлоридными, кислыми сульфатно-хлоридными, кислыми, сульфатными, натриево- и кальциево-бикарбонатными и др. Нередко в термальных водах содержится много радиоактивных веществ, в ча­стности радона. Горячие воды изменяют окружающие породы, откла­дывая в них окислы и сульфиды железа и изменяя их до глины, превращающейся в кипящую грязь, как, например, в районе Паужетки на Камчатке, где известны многочисленные булькающие «котлы» с красноватой грязью температурой около +100°С. Часто вокруг источников накапливаются отложения кремниевой накипи или туфа, а если воды содержат карбонат кальция, то откладывается известковый туф.

Гейзеры — это горячие источники, вода которых периодически фонтанирует и выбрасывается вверх на десятки метров. Свое название такие источники получили от Великого Гейзера в Исландии, струя которого 200 лет назад била вверх на 60 м каждые полчаса. Ряд гейзеров несомненно связан с вулканическими районами, например, в Исландии, на Камчатке, в Индонезии, Кордильерах Северной Америки, Японии и других местах. Высота фонтана у гейзеров, так же как и температура воды на выходе, сильно различается, но последняя обычно колеблется в пределах от +75 до +100°С. Характерной чертой гейзеров является их короткая жизнь, часто они «умирают» за счет обвалов стенок канала, понижения уровня грунтовых вод и т. д. Грандиозным гейзером был Уаймангу (что значит «Крылатая вода») в Новой Зеландии, существовавший всего 5 лет и выбрасывавший мощный фонтан почти на полкилометра вверх. Интервалы между извержениями у гейзеров варьируют от первых минут до многих часов и дней. Большое количество растворенных веществ в горячей воде гейзеров откладывается вокруг их устья, образуя скопления гейзеритов.

Наиболее удовлетворительный механизм функционирования гейзеров заключается в том, что в трубообразном канале, заполненном водой, нижняя часть ее столба нагревается выше точки кипения. Однако вес столба воды предотвращает вскипание. Наконец, кипение все же начнется в каком-то месте и ряд расширяющихся пузырей вытолкнет часть воды из столба, что сразу же вызовет падение давления внизу столба воды, и мгновенно начнется бурное кипение. Процесс идет лавинообразно, пока вся вода не превратится в пар и он не вытолкнет вверх всю горячую воду. Затем канал вновь наполнится водой, она нагреется и процесс начнется сначала.

Геотермальная энергия — это важная сторона использования вулканического тепла. Электростанции, работающие на естественном перегретом паре, действуют в Италии, Исландии, Калифорнии, Новой Зеландии, на Южной Камчатке и в ряде других мест. Сочетание благоприятных для выработки электроэнергии условий — высокое давление пара, температура выше точки кипения воды, большой ее приток — встречается не так уж часто. Проблемы возникают и из-за очень быстрой коррозии металлических труб агрессивными горячими водами, которые к тому же откладывают на стенках труб карбонат кальция и кремнезем, закупоривая их. Горячие воды используются для обогрева жилищ, парников и теплиц.

Географическое распространение современных вулканов. В настоящее время известно около 500 действующих вулканов, большая часть которых располагается на континентах и островах. Подводные извержения составляют лишь первые проценты от общего числа активных вулканов. Не всегда можно точно сказать, окончательно ли потух данный вулкан. Известны случаи, когда тысячелетиями молчавший вулкан вдруг оживал. Вулкан считается действующим, если его извержение было зафиксировано в истории человечества.

Самое большое количество вулканов находится по периферии Тихого океана, образуя так называемое «огненное» кольцо, которое приурочено к активным континентальным окраинам. Это, прежде всего, островные дуги и Американские Кордильеры, структуры, отделенные от океана глубоководными желобами. Во всех этих местах от желобов в сторону континентов прослеживаются наклонные зоны, в пределах которых расположены очаги многочисленных землетрясений, достигающие глубин в 600-700 км. Такие зоны называются сейсмофокальными и носят имя Беньофа-Вадити. Несомненна причинная связь активных сейсмофокальных зон и действующих вулканов. Активные континентальные окраины, включающие островные дуги, — это места погружения океанской литосферы под континентальную — зоны субдукции (рис. 6.5). В них происходит взаимодействие литосферных плит и, как следствие, землетрясения и вулканизм. Во всем Тихоокеанском «огненном» кольце насчитывается около 370 действующих вулканов, извергающих магму известково-щелочной серии, среди которой широко распространены андезиты.

Рис. 6.5. Разрез зоны субдукции:

1— глубоководный желоб, 2— островная дуга, 3— осадки, 4— литосферная плита, 5— астеносфера, 6— гипоцентры землетря­сений, 7— вулканы и зоны магмообразования, 8— линии равных температур, 9— увеличение содержания оксида калия, стрелки — направление движения масс

Второй тип областей, в которых известны активные вулканы,— это океанические пространства, где вулканизм проявляется внутри плит, например, в Атлантическом океане — четыре вулкана на Канарских о-вах и о-вах Зелёного Мыса; в Индийском — о-ва Реюньон, Кергелен, Коморские; Тихом — Гавайские о-ва, Галапагос, Хуан-Фернандес и др. Некоторые из этих вулканов связаны с так называемыми «горячими точками», пучками интенсивного теплового потока.

Литосферная плита, проходя над такой «точкой», как бы «проплавляется» и возникает цепочка вулканических островов, все более древних по мере удаления от «горячей точки». Магма внутриплитных вулканов преимущественно базальтовая с повышенной щелочностью.

Третий тип областей современного активного вулканизма — это океанические рифтовые зоны, располагающиеся в осевой части срединно-океанских хребтов, например, в Атлантическом океане это вулканы Исландии, Азорских островов. Четвертый тип связан с континентальными рифтами в пределах Восточной, Центральной и Западной Африки. Среди них такие известные вулканы, как Килиманджаро, Ол-Донью-Ленгаи, Нирагонго, Камерун и другие, извергающие высокощелочную магму. Следует отметить также действующие вулканы Средиземноморья: Этна в Сицилии, вулканы Липарских островов, Везувий на Аппенинском полуострове, вулканы Кикладской дуги в Эгейском море и ряд совсем молодых вулканов Малой Азии, Кавказа, Ирана. Их магмы гораздо более разнообразные, кислые, щелочные.

Магматические горные породы образуются из алюмосиликатного расплава — магмы. Разнообразие магматических пород определяется дифференциацией магмы и ее взаимодействием с вмещающими образованиями. Флюидное давление играет большую роль в кристаллизации магмы. Способ и скорость отделения летучих компонентов определяют эффузивные, эксплозивные и экструзивные извержения. Типы вулканических построек и разнообразие типов извержений зависят от состава магмы, формы подводящего канала и концентрации летучих компонентов. Распространение вулканов связано с активными границами литосферных плит – глубоководными желобами и рифтовыми зонами.