Динамический интерьер Земли

Основу вулканической активности составляет глубоко под нашими ногами. Земля — это не статическая сфера, а динамическая планета, состоящая из слоев с контрастными физическими и химическими свойствами. Наружный слой, кора , представляет собой тонкую, жесткую оболочку, которая варьируется в толщине от примерно 5 километров под океанами до 70 километров под континентальными горными хребтами. Прямо под корой лежит мантия , слой толщиной примерно 2900 километров горячей, полутвердой породы. Хотя мантия твердая, она ведет себя пластично в течение геологических временных рамок, медленно конвективная, как толстая, горячая жидкость. В центре планеты лежит ядро , состоящее в основном из железа и никеля, с твердым внутренним ядром и жидким внешним ядром.

Вулканическая активность тесно связана с литосферой, жесткой внешней оболочкой, которая включает в себя кору и верхнюю часть мантии. Литосфера разбита на ряд тектонических плит, которые плавают и движутся поверх более мягкой, более пластичной астеносферы в верхней мантии. Это движение плиты, обусловленное конвекцией мантии, толчком гребня и тягой плиты, является основным двигателем для большинства вулканизма на Земле. По мере взаимодействия пластин — расхождения, сближения или скольжения друг мимо друга — они создают условия, необходимые для генерации магмы.

Понимание слоистой структуры Земли необходимо для понимания того, как и где образуются вулканы.Переход от твердой породы к расплавленной магме — это не просто вопрос достижения равномерной температуры плавления; скорее, это зависит от давления, состава и наличия летучих веществ, таких как вода и углекислый газ.

Генезис магмы и ее состав

Частичное таяние и три механизма

Магма образуется, когда камни в мантии или коре частично расплавлены. Полное плавление встречается редко; вместо этого происходит частичное плавление , где сжижаются только определенные минералы, оставляя после себя твердый остаток. Есть три основных способа вызвать частичное плавление:

  • Декомпрессионное плавление:] Когда горячая мантийная порода поднимается к поверхности, давление уменьшается. Поскольку температура плавления горной породы уменьшается при пониженном давлении, восходящая порода пересекает свой солидус и начинает таять. Этот механизм доминирует на расходящихся границах плит (среднеокеанских хребтах) и в пределах мантийных плюмов (горячих точках).
  • Таяние потока (или влажное таяние): Введение воды и других летучих веществ снижает температуру плавления мантийной породы. Это происходит на сходящихся границах плит, где субдукционная океаническая плита переносит гидроусные минералы и отложения в мантию. Выпуск воды из субдукционной плиты вызывает плавление в накладывающемся мантийном клине, производя магму, которая поднимается, образуя вулканические дуги.
  • Таяние теплопередачи:] Горячая магма, поднимающаяся с более глубоких уровней, может передавать тепло на окружающие породы коры, заставляя ее таять. Этот процесс часто участвует в образовании крупных континентальных магматических провинций и некоторых вулканов горячих точек, где кора утолщена.

Состав магмы и вязкость

Химический состав магмы, в частности содержание в ней силика (SiO2), сильно влияет на стиль извержения. Силика действует как полимеризующее вещество, связывая тетраэдры в цепи, которые увеличивают вязкость расплава (сопротивление течению). Признаются три основных типа магмы:

  • Базальтовая магма: Низкий кремнезем (~45-55%), высокое содержание железа и магния, низкая вязкость (потоки легко). Газы могут легко уходить, что приводит к относительно мягким, эффузивным извержениям, которые создают широкие щитовые вулканы, такие как Килауэа на Гавайях. Температура колеблется от 1000 °C до 1200 °C.
  • Андеситная магма: Промежуточная кремнезем (~55-65%), умеренная вязкость. Эти магмы распространены в зонах субдукции и производят смесь взрывной и эффузивной активности, образуя стратовулканы, такие как гора Фудзи и гора Сент-Хеленс. Температура обычно составляет 800 °C-1000 °C.
  • Риолитная магма:] Высокий кремнезем (>65%), высокая вязкость, относительно низкая температура (650 °C-800 °C). Риолитические магмы часто богаты газом, и их высокая вязкость улавливает пузырьки газа, что приводит к огромному накоплению давления и высоко взрывоопасным извержениям, которые могут производить обширные воспламеняющиеся листы и кальдерообразующие события, как видно на Йеллоустонской кальдере.

Роль волатильных

Растворившиеся газы — прежде всего водяной пар, углекислый газ, диоксид серы и сероводород — являются критическими факторами извержений. По мере того, как магма поднимается и падает, эти летучие вещества растворяются в пузырьки. В базальтовой магме низкой вязкости пузырьки легко убегают. В риолитической магме высокой вязкости пузырьки захватываются и расширяются, фрагментируя магму в пирокластические частицы, которые выбрасываются взрывным путем. Соотношение газа к расплаву и скорость подъема определяют, будет ли извержение нежным потоком лавы или сильной плинианской колонной.

Тектонические установки вулканизма

Дивергентные границы плит

На срединно-океанических хребтах тектонические плиты раздвигаются, позволяя мантийной породе подниматься и разлагаться. Получающиеся базальтовые расплавы питают образование новой океанической коры, создавая подушки лавы и подводные извержения. Этот вид вулканизма отвечает за глобальную систему среднего океанского хребта, самую большую вулканическую особенность на Земле. На суше расходящиеся границы появляются в таких местах, как Исландия и Восточно-Африканский разлом, где развиваются базальты наводнений и щитовые вулканы.

Конвергентные границы плит (зоны субдукции)

Приблизительно 80% активных субаэральных вулканов происходят вдоль зон субдукции, где океаническая плита опускается под другую плиту (океаническую или континентальную). Нисходящая плита выпускает воду в накладывающийся мантийный клин, который опускает солидус и вызывает частичное таяние. Получающаяся в результате андезита риолитовая магма поднимается на поверхность, создавая цепи стратовулканов, известных как вулканические дуги. Тихоокеанское огненное кольцо, включая Каскады, Анды и Японский архипелаг, является наиболее ярким примером. Эти вулканы часто очень взрывоопасны из-за их вязкой, богатой газом магмы.

Горячие пятна и интраплантный вулканизм

Не все вулканы связаны с границами плит. Горячие пятна считаются поверхностным выражением мантийных плюмов - узкие колонны аномально горячей породы, поднимающейся из глубины мантии. По мере того, как тектоническая плита движется по неподвижному шлейфу, создается цепь вулканов, старых на одном конце и молодых на другом. Гавайско-императорская цепь подводных гор является примером учебника. Горячие вулканы обычно производят большие объемы базальтовой магмы и могут создавать массивные щитовые вулканы, хотя некоторые горячие точки (например, Йеллоустоун) произвели взрывной силический вулканизм, когда шлейф взаимодействует с континентальной корой.

Динамика и стили извержения

Вулканические извержения классифицируются на основе их взрывоопасности и типа извергаемого магматического материала. Индекс вулканической взрывоопасности (VEI) обеспечивает логарифмическую шкалу от 0 (невзрывная) до 8 (мега-колоссальная). Стиль извержения зависит от вязкости магмы, содержания газа и наличия внешней воды (фреатомагматическая активность).

Эффективные извержения

Базальтическая магма с низкой вязкостью производит извержения в гавайском стиле, характеризующиеся лавовыми фонтанами и потоками лавы, которые строят щитовые вулканы. Огненные фонтаны возникают, когда пузырьки газа быстро расширяются, но лопаются, не разлагая магму на пепел. Потоки лавы могут путешествовать на много километров, разрушая инфраструктуру, но редко вызывая потерю жизни, потому что они медленно движутся.

Легко взрывоопасные извержения

Стромболийские извержения названы в честь вулкана Стромболи в Италии. Они включают умеренные всплески сгустков лавы накаливания, скопий и бомб, приводимые в действие взрывами газового слизняка. Эти извержения являются прерывистыми и производят шлакообразные конусы.

Умеренно до взрывоопасных извержений

Вулканические извержения производят плотные облака пепла и газа, часто сопровождаемые пирокластическими потоками. Они кратковременны, но жестоки, характеризуются фрагментацией вязкой магмы, которая сформировала колпачок в канале. Плинийские извержения являются самыми мощными, примером чего является извержение 1980 года на горе Сент-Хеленс и извержение 1991 года на горе Пинатубо. Эти события порождают высокие извержения колонн, которые впрыскивают пепел и аэрозоли в стратосферу, иногда влияя на глобальный климат. Коллапс таких колонн производит разрушительные пирокластические потоки и всплески.

Фреатомагматические и подводные извержения

Когда магма сталкивается с водой — либо из подземных вод, озера или океана — быстрое нагревание и расширение воды может вызвать сильные взрывы, приводимые в действие паром. Эти фреатомагматические извержения производят обильную мелкую золу и широкие кратеры (мары и туфовые кольца). Извержения подводных лодок в срединно-океанических хребтах обычно эффузивны, но мелководные подводные или подледниковые извержения могут быть очень взрывоопасными из-за быстрого закалки и генерации пара.

Вулканические формы рельефа

Форма и внутреннее строение вулкана фиксируют его извергательную историю и состав магмы. Признаются пять основных типов:

Щитовые вулканы

Широкие, мягко наклонные сооружения, построенные повторяющимися эффузивными извержениями низковязких базальтовых лав. Мауна-Лоа на Гавайях — самый большой щитовой вулкан на Земле, возвышающийся более чем на 9 километров от своей базы на морском дне. Потоки тонкие и обширные, создающие куполообразный профиль.

Стратовулканы (Composite Volcanoes)

Стебли, конические вулканы, построенные из чередующихся слоев лавовых потоков, вулканического пепла и пирокластических отложений. Это культовые вулканические конусы, такие как гора Фудзи, гора Ренье и Везувий. Стратоволканы производят широкий спектр стилей извержений, от эффузивных до плинианских, что делает их особенно опасными.

Конусы Синдера

Маленькие крутые холмы, построенные из выброшенных скопий и пепла. Они обычно образуются из одного эпизода извержения и распространены на флангах более крупных вулканов.Парикутин в Мексике, выросший из фермерского поля в 1943 году, является классическим примером.

Купола лавы

Насыпные экструзии высоковязких лав (обычно риолитных или андезитических), которые накапливаются над вентиляционным отверстием. Куполы могут медленно расти в течение месяцев или лет и часто производят коллапсные пирокластические потоки. Лавовый купол горы Сент-Хеленс, все еще растущий сегодня, является активным примером.

кальдеры

Крупные, бассейнообразные впадины, образующиеся при опорожнении подземной магматической камеры вулкана, приводят к обрушению належащей породы. Кальдера может быть несколько километров в ширину. Известными примерами являются Йеллоустонская кальдера (Вайоминг) и Кратерное озеро (Орегон). Многие системы кальдер связаны с самыми мощными извержениями, известными, с VEI 7 или 8.

Вулканические опасности и смягчение рисков

Первичные опасности

  • Лавовые потоки: Продвигаются относительно медленно (от метра в час до метра в секунду) и могут быть отвлечены или замедлены барьерами. Они разрушают имущество, но редко приводят к смертельным исходам.
  • Пирокластические потоки: Смеси горячего газа и вулканического мусора, которые мчатся вниз по склону со скоростью, превышающей 100 км/ч, и температурой до 600 °C. Это самое смертоносное вулканическое явление, способное уничтожить все на своем пути, как видно в Помпеях (79 г. н.э.) и Монтсеррате (1997 г.).
  • Выпадения тефры:] Пепел, лапилли и бомбы выбрасывались в атмосферу и оседали на широких территориях. Падение может обрушить крыши, загрязнить водоснабжение, повредить авиационные двигатели и вызвать проблемы с дыханием. Извержение Эйяфьяллайёкюдль в Исландии в 2010 году нарушило воздушное движение по всей Европе в течение нескольких недель.
  • Вулканические газы: Диоксид серы (SO2) может образовывать сульфатные аэрозоли в стратосфере, отражая солнечный свет и охлаждая климат годами.Диоксид углерода (CO2) может накапливаться в низменных областях, вызывая удушье.Сульфид водорода и фторид водорода также токсичны.
  • Лахары (вулканические сели): Быстро движущиеся смеси вулканического мусора и воды, часто вызванные таянием снега и льда или сильным дождем.Извержение 1985 года в Невадо-дель-Руисе в Колумбии привело к появлению лахаров, в результате которых погибло более 20 000 человек.
  • Цунами: Вулканические взрывы, обвал кальдеры или обвал флангов могут вытеснить большие объёмы воды, порождая цунами.Извержение Кракатау в 1883 году вызвало цунами, в результате которого погибли десятки тысяч человек.

Смягчение и готовность

Эффективное снижение риска требует мониторинга, картирования опасности, планирования землепользования и просвещения населения. Обсерватории вулканов по всему миру выдают предупреждения на основе данных в реальном времени. Сообщества вблизи активных вулканов проводят учения, и многие из них имеют маршруты экстренной эвакуации. Структурные меры, такие как барьеры потока лавы и системы обнаружения лахаров, также развернуты на вулканах высокого риска.

Современные методы мониторинга

Достижения в области технологий значительно улучшили нашу способность обнаруживать вулканические волнения. Сети мониторинга обычно объединяют несколько методов:

  • Сейсмология: Землетрясения, связанные с движением магмы, обнаруживаются сетями сейсмометров. Изменения частоты, глубины и расположения сейсмичности обеспечивают раннее предупреждение. Гармонический тремор, непрерывная ритмическая вибрация грунта, часто предшествует извержениям.
  • Деформация грунта:] Тилтметры, GPS-станции и радар с интерферометрической синтетической апертурой (InSAR) со спутников измеряют инфляцию или дефляцию вулкана по мере накопления или эвакуации магмы.Поднятие поверхности земли может указывать на надвигающееся извержение.
  • Газовая геохимия: Увеличение потока SO2 или изменение соотношения диоксида серы к диоксиду углерода может указывать на рост свежей магмы. Датчики на земле, на дронах и на спутниках (например, TROPOMI, OMI) контролируют выбросы газа.
  • Тепловой мониторинг: Спутниковые тепловые инфракрасные датчики обнаруживают горячие точки и активность лавовых озер. Инструменты MODIS и VIIRS обеспечивают глобальный охват вулканических тепловых аномалий.
  • Дистанционное зондирование облаков пепла: Погодные радары, лидары и спутниковые датчики (например, CALIPSO) отслеживают плюмы пепла, позволяя предупреждать авиацию.

Интеграция этих потоков данных позволяет ученым с возрастающей уверенностью прогнозировать извержения. Например, извержение вулкана Пинатубо в 1991 году было успешно предсказано за несколько месяцев до этого, что привело к эвакуации, которая спасла тысячи жизней. Извержение в нижнем Восточном рифте Килауэа в 2018 году также хорошо контролировалось, что позволило эффективно сообщать об опасности.

Для получения последней информации о вулканической активности читателям рекомендуется ознакомиться с ресурсами из Программы по изучению опасности вулканов Геологической службы США , Глобальной программы по вулканизму Смитсоновского института и Всемирной организации обсерваторий вулканов (WOVO) .

Заключение

Вулканическая активность является мощным выражением внутреннего тепла и динамических процессов Земли. От частичного таяния мантийной породы до сложного взаимодействия состава магмы, содержания газа и тектонической обстановки, каждое извержение рассказывает историю развивающегося внутреннего мира планеты. Понимание этих геологических процессов является не только академическим занятием - это важно для оценки опасностей, защиты сообществ и оценки сил, которые сформировали наш мир.

Для студентов и преподавателей вулканы являются ощутимым путем в геофизику, геохимию и науку о рисках. Продолжение исследований и мониторинга остается жизненно важным, поскольку мы стремимся предсказать извержения и смягчить их последствия. Изучение вулканизма - это непрерывное путешествие открытий, которое отражает беспокойную природу самой Земли.