Table of Contents

Вулканические формы Земли: геологические процессы, которые создают самые динамичные особенности Земли

Вулканические формы рельефа относятся к числу наиболее визуально драматических и геологически значимых особенностей Земли. От мягко наклонных щитовых вулканов Гавайев до взрывоопасных стратовулканов Тихоокеанского огненного кольца, каждый рельеф суши рассказывает историю о поведении магмы, взаимодействиях тектонических плит и неустанных силах, формирующих поверхность нашей планеты. Понимание процессов, которые создают эти формы рельефа, имеет основополагающее значение для геологии, оценки опасности и даже разведки ресурсов. Эта статья расширяет основные типы вулканических форм рельефа, подробные геологические механизмы их формирования и их более широкое значение для систем Земли и человеческого общества.

Основные типы вулканических форм рельефа

Вулканические формы рельефа не являются монолитными; их морфология и эруптивное поведение резко различаются в зависимости от состава магмы, содержания газа и стиля извержения. К основным категориям относятся щитовые вулканы, стратовулканы (композитные вулканы), шлаковые конусы, лавовые плато и кальдеры. Каждый тип представляет собой отличную комбинацию вулканических процессов.

Щитовые вулканы

Щитовые вулканы — широкие, куполообразные сооружения с мягко наклонными флангами, часто описываемые как напоминающие щит древнего воина. Они построены почти полностью повторяющимися эффузивными извержениями базальтовой лавы низкой вязкости. Поскольку эта лава может протекать десятки километров перед затвердеванием, склоны редко превышают 10 градусов. Эти вулканы являются одними из крупнейших на Земле и обычно связаны с вулканизмом горячей точки или расходящиеся границы плит.

Процессы формирования

Ключом к образованию щитовых вулканов является низкое содержание кремнезема в базальтовой магме, что приводит к низкой вязкости. Это позволяет летучим веществам легко ускользать, производя относительно невзрывные извержения. Лавовые потоки широко распространяются в тонких листах, создавая широкое вулканическое здание в течение тысяч и миллионов лет. Кроме того, фланговые извержения из трещин могут питать лавовые трубки, которые транспортируют расплавленные породы на большие расстояния, способствуя общему мягкому склону. Активность горячих точек под океаническими плитами является наиболее распространенной обстановкой, как видно на гавайско-императорской цепи подводных гор.

Примечательные примеры

  • Мауна-Лоа, Гавайи: Крупнейший действующий вулкан на Земле по объёму, поднимающийся примерно в 9 километрах от дна океана. Его размеры и длинные рифтовые зоны являются классическими чертами щитового вулкана.
  • Килауэа, Гавайи: Чрезвычайно активны частые извержения из верхнего слоя кальдеры и рифтовых зон; широко изучены для динамики потока лавы.
  • Piton de la Fournaise, Réunion Island: Еще один активный щит, один из самых активных вулканов в мире.

Стратовулканы (Composite Volcanoes)

Стратовулканы — крутые, конические горы, построенные из чередующихся слоев лавовых потоков, вулканического пепла, шлаков и тефры. Их название происходит от слоистой (стратифицированной) структуры. В отличие от щитов, стратовулканы связаны с более вязкими и эзитическими к риолитической магме, что приводит к смеси взрывных и эффузивных извержений. Они являются классической «формой вулкана», наблюдаемой в популярной культуре, и часто расположены вдоль конвергентных границ плит (зон субдукции).

Процессы формирования

Магма, образующаяся над субдукционной плитой, имеет более высокое содержание воды и кремнезема, увеличивая вязкость и удержание газа. Когда магма приближается к поверхности, расширяющиеся газы вызывают сильные извержения, которые выбрасывают пепел, пемзу и пирокластические потоки. Эти взрывные события чередуются с более тихими оттоками лавы, которые создают более крутые склоны (до 30-35 градусов). Промежуточное сплетение различных типов материалов создает композитную структуру, подверженную нестабильности и коллапсу сектора. Динамика извержения может быстро меняться, создавая как плинианские колонны, так и эпизоды строительства куполов.

Примечательные примеры

  • Гора Сент-Хеленс, Вашингтон: Известна своим катастрофическим извержением 1980 года, которое вызвало боковой взрыв и массивную лавину мусора.
  • Гора Фудзи, Япония: самая высокая вершина Японии и знаковый стратовулкан, спящий с 1707 года, но контролируемый опасностью.
  • Гора Рейнир, Вашингтон: Очень большой стратовулкан со значительным ледниковым покровом, представляющий опасность для населенных районов.
  • Гора Мерапи, Индонезия: Один из самых активных стратовулканов в Тихоокеанском огненном кольце, часто производящий смертельные пирокластические потоки.

Конусы Синдера

Шелушковые конусы — самый простой тип вулкана, небольшие и крутые конусообразные холмы, построенные из скоплений вулканического мусора (скории, шлаков и пепла), выброшенные из одного вентиляционного отверстия. Они обычно имеют чашеобразный кратер на вершине и достигают высот всего в несколько сотен метров. Шелушковые конусы часто образуются как паразитические вентиляционные отверстия на более крупных вулканах или могут возникать независимо в вулканических полях.

Процессы формирования

Шкурные шишки образуются во время извержений в Стромболианском или Гавайском стиле, где в воздух выбрасывается магма, богатая пузырьками газа. Пирокластический материал охлаждается и затвердевает в полете, падая обратно на землю вокруг вентиляционного отверстия. Угол покоя для такого рыхлого материала крутой (около 30-35 градусов), придавая конусу характерную форму. Как только извержение заканчивается, конус обычно не извергается снова из того же вентиляционного отверстия, что делает шлаковые шишки одними из самых коротких вулканических рельефов. Однако их относительно небольшой размер опровергает их важность: они часто дают подсказки о местных вулканических опасностях в моногенетических вулканических полях.

Примечательные примеры

  • Парикутин, Мексика: Родился на фермерском поле в 1943 году, этот шлаковый конус быстро рос в течение девяти лет и многому научил вулканологов о механизмах извержения.
  • Кратер Сансет, Аризона: хорошо сохранившийся шлаковый конус в вулканическом поле Сан-Франциско, действующий около 900 лет назад, теперь является национальным памятником.
  • Лава Батте, Орегон: Классический шлаковый конус в районе вулкана Ньюберри, в комплекте с тропой для посетителей и подъездной дорогой.

Лавские плато

Лавовые плато — это обширные, относительно плоские области, образованные обширными базальтовыми потоками лавы, которые накапливаются в течение миллионов лет. В отличие от вулканов, которые имеют центральное отверстие, плато являются результатом в основном извержений трещин — длинных трещин в земной коре, которые излучают огромные объемы жидкой лавы без значительной взрывной активности. Потоки стекаются друг на друга, постепенно создавая толстое плато, которое может покрывать тысячи и миллионы квадратных километров.

Процессы формирования

Извержения трещин производят занавесные фонтаны лавы вдоль линейного вентиляционного отверстия, с низкими вязкостью базальта, быстро распространяющегося по ландшафту. Последовательные извержения создают структуру «ловушек» (степной местности). Магма обычно происходит от восходящих мантийных плюмов или событий рифтинга. Поскольку лава настолько текучая, она может пройти сотни километров до охлаждения, заполнения долин и создания плоской поверхности. После многих событий плато стоит высоко над окружающей местностью из-за эрозии более слабых слоев горных пород. Извержения часто не взрывоопасны, но могут выделять огромное количество вулканических газов, которые влияют на глобальный климат.

Примечательные примеры

  • Плато реки Колумбия, США: Образуется массивными потоками миоценовой лавы, охватывающими ~ 210 000 квадратных километров в Вашингтоне, Орегоне и Айдахо. Потоки сохраняются как группа базальтов реки Колумбия.
  • Деканские ловушки, Индия: Одна из крупнейших вулканических провинций на Земле, образовавшаяся примерно 66 миллионов лет назад и связанная с событием вымирания, которое закончилось меловым периодом. Ловушки покрывают около полумиллиона квадратных километров.
  • Сибирские ловушки, Россия: Огромное плато, связанное с пермско-триасовым вымиранием, простирающееся на ~7 миллионов км2 первоначально, хотя многое было разрушено.

кальдеры

Кальдера — это большие, бассейнообразные впадины, которые образуются, когда магматическая камера вулкана опустошается во время массивного извержения, в результате чего возвышающаяся скала разрушается в пустоту. Это не горы, а впадины, часто заполненные озерами или более поздними лавовыми куполами. Кальдера может быть огромной — до десятков километров в ширину — и иногда принимать возрождающиеся купола из-за возобновленной магматической активности. Образование кальдеры обычно связано с чрезвычайно взрывоопасными, объемными извержениями (VEI 6-8).

Процессы формирования

Кальдера начинается, когда магматическая камера под вулканом быстро разгерметизируется и опустошается, часто в катастрофическом извержении, которое выбрасывает огромные объемы пирокластического материала. Крыша камеры разрушается в пространство, производя субсидируемый бассейн. После коллапса магма может снова войти, образуя возрождающийся купол или меньшие вентиляционные отверстия внутри кальдеры. Процесс может быть одно- или многоцикловым. Кальдера также может образовываться без огромных взрывов через коллапс после извержений базальтового щита (например, коллапс вершины Килауэа). Они представляют собой крупнейшие вулканические формы на Земле.

Примечательные примеры

  • Желтокаменная кальдера, Вайоминг: Одна из крупнейших в мире активных вулканических систем, размером около 45 на 85 километров. Её последнее суперизвержение 640 000 лет назад сформировало кальдеру, в которой сейчас находятся гейзеры и горячие источники.
  • Озеро кратера, Орегон: сформировалось около 7700 лет назад после того, как Мазама изверглась и рухнула, оставив глубокое голубое озеро с вулканическими конусными островами.
  • Тоба-Кальдера, Индонезия: Место извержения около 74 000 лет назад, которое создало кальдеру, теперь заполненную частично озером Тоба, крупным туристическим и научным местом.

Геологические процессы за формированием вулканической формы суши

Разнообразие вулканических форм рельефа возникает из ряда взаимосвязанных геологических процессов: генерации магмы, восхождения, динамики извержения и пост-извержения модификации.Каждый шаг может сильно варьироваться в зависимости от тектонической установки и состава магмы.

Поколение магмы

Магма возникает в мантии Земли через частичное таяние твердой породы. Это плавление запускается тремя первичными механизмами: декомпрессионное плавление на расходящихся границах (или горячих точках), плавление потока на конвергентных границах (добавление воды из субдуктивных пластин) и реже, теплообмен из мантийных плюмов. Степень частичного плавления и состав источника мантии диктуют содержание кремнезема магмы, что сильно влияет на вязкость. Например, базальтовая магма (низкий кремнезем) формируется при высоких степенях плавления под среднеокеаническими хребтами или горячими точками, в то время как более силезные и риолитовые магмы возникают из плавления потока и ассимиляции пород коры. Понимание генерации магмы помогает предсказать летучий выход и стиль извержения.

Восхождение магмы

После образования магма менее плотна, чем окружающие твердые породы, прогоняя ее вверх по трубопроводам. Возвышающаяся магма может образовывать дамбы (вертикальные трещины) или пороги (горизонтальные вторжения) в зависимости от местных напряженных полей. Скорость восхождения зависит от вязкости и проницаемости породы. На небольших глубинах магма может накапливаться в магматической камере, где она развивается композиционно и создает давление. Провал стенок камеры приводит к извержению. Наличие долгоживущей магматической камеры необходимо для крупных вулканических сооружений, таких как стратовулканы, в то время как более примитивные базальтовые магмы могут подниматься непосредственно с глубины без остановки.

Динамика извержения

Стиль извержения варьируется от эффузивного до высоко взрывоопасного, контролируемого вязкостью магмы, летучим содержанием (в первую очередь воды и углекислого газа) и скоростью декомпрессии. Для базальта с низкой вязкостью летучие вещества легко убегают, производя потоки лавы и огненные фонтаны. В кремниевой магме с высокой вязкостью затруднено расширение газа, что приводит к фрагментации в пепел и пемзу. Классические эруптивные типы включают:

  • Гавайский: Гавайский: Эффузивный, низковязкий базальт; производит потоки и огненные фонтаны.
  • Стромболян: Мягкая взрывчатка; производит бомбы и шлаки.
  • Вулкан: Умеренное взрывчатое вещество; пепловые колонны и пирокластические потоки.
  • Плинийский: Насильственные, устойчивые колонны до стратосферы; широко распространенные осадки тефры.
  • Пелеан: Обрушение купола и боковые взрывы (например, гора Сент-Хеленс).

Модификация после выхода из ЕС

После прекращения извержения вулканические формы суши подвергаются эрозии, выветриванию и изостатическим корректировкам. Эрозия водой, льдом и ветром может вырезать долины и рассечь фланги вулкана. Ледники могут резко изменять стратовулканы, производя U-образные долины и цирки. Гидротермальная активность, геотермальные системы и продолжающаяся дегазация продолжают влиять на ландшафт. В некоторых случаях возобновленная вулканическая активность может заполнять кальдеры или хоронить старые потоки. Понятие «вулканическая продолжительность жизни» означает, что многие древние формы суши сохраняются только как остатки, предоставляя ключи к прошлой извергательной истории.

Значение вулканических форм рельефа

Вулканические формы рельефа гораздо больше, чем геологические курьезы; они оказывают глубокое воздействие на климат, плодородие почв, экосистемы и человеческие ресурсы. Их изучение имеет решающее значение для оценки опасности и планетарного исследования.

Влияние на местный и глобальный климат

Вулканические извержения вводят пепел, диоксид серы (SO2) и другие аэрозоли в атмосферу. Крупные взрывные извержения могут поместить эти частицы в стратосферу, где SO2 преобразуется в сульфатные аэрозоли, которые отражают солнечный свет, вызывая временное планетарное охлаждение (например, гора Пинатубо в 1991 году). И наоборот, вулканические выбросы CO2 способствуют долгосрочным циклам парниковых газов, хотя выбросы человека значительно превышают вулканический выход. В местных масштабах выпадение пепла может блокировать солнечный свет и нарушать погодные условия в течение нескольких месяцев.

Создание плодородных почв

Вулканические породы и зола погода в почвах, богатых минералами, такими как калий, фосфор и кальций. Эти почвы, известные как Андозолы, являются одними из самых продуктивных в мире, поддерживая высокие сельскохозяйственные урожаи в таких местах, как Ява, Филиппины и Тихоокеанский северо-запад. Высокая пористость также сохраняет влагу, что делает вулканические регионы идеальными для таких культур, как кофе, чай и виноград. Это сельскохозяйственное плодородие привело к плотному населенному пункту вблизи вулканов, несмотря на связанные с этим опасности.

Уникальные места обитания и биоразнообразие

Вулканические ландшафты обеспечивают изолированные, часто экстремальные среды, которые способствуют развитию уникальных форм жизни. На склонах вулканов расположены зоны растительности от тропических лесов до альпийских пустынь. На островах, таких как Гавайи, вулканическая изоляция привела к адаптивному излучению растений и животных. Кроме того, гидротермальные жерла в подводных вулканических условиях поддерживают хемосинтетические экосистемы, которые процветают без солнечного света. Холодные потоки лавы и шлаковые поля создают среду обитания для пионерских видов. Сочетание разнообразных микроклиматов и динамических возмущений делает вулканические регионы горячими точками биоразнообразия.

Минеральные и геотермальные ресурсы

Вулканические регионы богаты экономическими ресурсами. Драгоценные металлы (золото, серебро, медь) часто концентрируются в гидротермальных системах, связанных с древними вулканами. Геотермальная энергия использует тепло, хранящееся под активными вулканическими районами - такими странами, как Исландия, Новая Зеландия и Филиппины, генерируют значительное количество электроэнергии из вулканических геотермальных полей. Кроме того, вулканические породы, такие как пемза и скория, добываются для легких строительных материалов. Понимание вулканических рельефов, таким образом, имеет прямые экономические последствия.

Заключение

Вулканические формы рельефа — щитовые вулканы, стратовулканы, шлакообразные конусы, лавовые плато и кальдеры — представляют собой разнообразные поверхностные выражения динамических внутренних земных процессов. Взаимодействие магматического состава, тектонической обстановки и динамики извержений создает замечательный набор особенностей, которые продолжают формировать ландшафты и влиять на жизнь человека. Изучая эти формы рельефа, мы получаем не только более глубокое понимание геологической истории Земли, но и критические идеи для прогнозирования опасности, управления ресурсами и понимания других планет. Для дальнейшего чтения исследуем ресурсы из Программы по оценке опасности вулканов USGS Volcano Hazards Program и Глобальной программы вулканизма Смитсоновского института . Для более глубокого изучения генерации магмы, раздел вулканологии в Nature предоставляет рецензируемые научные статьи. Вулканические формы рельефа действительно являются динамическим импульсом нашей планеты, навсегда на