Океанические вулканы являются одними из самых больших и наименее заметных геологических особенностей на Земле. Эти подводные вулканы, также известные как подводные вулканы, составляют значительную часть вулканической активности планеты. Они играют важную роль в формировании дна океана, влияют на морские экосистемы и стимулируют глобальную переработку земной коры. Более трех четвертей всех вулканических извержений происходят под поверхностью океана, но они остаются скрытыми от повседневного просмотра. Их исследование углубило наше понимание тектоники плит, глубоководной биологии и формирования новой земли.

Формирование подводных вулканов

Подводные вулканы образуются в основном на границах тектонических плит, где литосфера Земли либо распространяется, либо сталкивается. Когда магма поднимается из мантии и достигает дна океана, она быстро охлаждается и затвердевает, создавая новые вулканические структуры. Эти процессы наиболее распространены вдоль срединно-океанических хребтов, где плиты расходятся — раздвигаясь со скоростью от 2 до 20 сантиметров в год. По мере того, как плиты разделяются, декомпрессионное таяние в верхней мантии производит базальтовую магму, которая питает непрерывную цепь вулканической активности. Со временем это создает длинные горные хребты, называемые среднеокеаническими хребтами, которые простираются на более чем 65 000 километров по всему земному шару, что делает их самой большой вулканической особенностью на Земле.

В зонах субдукции также находятся подводные вулканы. Здесь одна тектоническая плита скользит под другой, тает в глубокой мантии и генерирует более взрывоопасные, богатые кремнеземом магмы. Эти вулканы часто образуют дуги островов, таких как Марианские острова и Алеутские острова, но многие из их подводных расширений остаются под водой. Третий механизм формирования включает мантийные плюмы - колонны горячих пород, поднимающиеся из глубины Земли, которые производят вулканы горячей точки, такие как те, что находятся в цепи гор Гавайи-Императора. Эти плюмы остаются относительно неподвижными, в то время как накладывающаяся плита движется, создавая след вулканических островов и подводных гор, которые отслеживают движение пластины.

Типы подводных вулканов

Подводные вулканы бывают нескольких различных морфологических классов, каждый из которых отражает различные стили извержения, составы магмы и тектонические параметры.

  • Щитные вулканы — Это широкие, мягко наклонные структуры, построенные почти полностью из текучих базальтовых лавовых потоков. Они образуются, когда низковязкая магма широко распространяется перед затвердеванием. В средних океанских хребтах преобладают эти типы, с склонами обычно менее 10 градусов. Гавайские вулканы являются классическими примерами, но их подводные аналоги — как те, что на хребте Хуан-де-Фука — еще более многочисленны.
  • Стратовулканы (FLT:0) Стратовулканы (FLT:1) — также известные как композитные вулканы, это более крутые слоистые структуры, построенные из чередующихся извержений пепла, лавы и вулканического мусора. Они образуются в зонах субдукции, где более вязкие и эндезитические магмы захватывают газ, что приводит к взрывным извержениям. Многие стратовулканы поднимаются над поверхностью моря как острова, но их базы простираются на тысячи метров под водой.
  • Морские горы — это подводные горы вулканического происхождения, которые поднимаются по меньшей мере на 1000 метров над окружающим морским дном. Они могут быть щитовыми или стратовулканами. Некоторые подводные горы вымерли; другие остаются активными. Когда морская гора разрушается до плоской вершины из-за волнового действия, она называется гуйот. Только в Тихом океане, по оценкам, 30 000 морских гор и гиотов.
  • Подводные кальдеры — Это большие, обвалившиеся впадины, образующиеся, когда магматическая камера под вулканом опустошается и крыша падает в. Они могут быть нескольких километров в диаметре и часто содержат гидротермальные вентиляционные поля. Примерами являются вулкан Маколей в дуге Кермадек и гора Суйё в дуге Изу-Бонин.
  • Подушка лавы — Хотя это не вулкан, эти отличительные луковичные формы лавы являются отличительной чертой подводных извержений.Когда горячая лава встречает холодную морскую воду, ее поверхность быстро угасает в стеклянной коже, в то время как внутренняя часть продолжает течь, образуя удлиненные подушки, которые стекаются друг на друга.

Вулканы Hotspot и цепи Seamount

Вулканизм Хотспота создает некоторые из самых впечатляющих подводных вулканических особенностей. Когда мантийный шлейф поднимается под океанической корой, он генерирует постоянный источник магмы, который может построить массивное вулканическое здание в течение миллионов лет. По мере того, как тектоническая плита дрейфует над горячей точкой, рождается цепь вулканов, причем самые старые подводные горы постепенно спадают и разрушаются от шлейфа. Гавайско-императорская цепь подводных гор является самым известным примером, простирающимся почти на 6000 километров от Большого острова Гавайев до Алеутской впадины. Самые старые подводные горы в этой цепи имеют возраст более 80 миллионов лет, в то время как Лойхи, активный подводный вулкан у юго-восточного побережья Гавайев, все еще растет и может однажды появиться как новый остров.

Чем извержения подводных лодок отличаются от извержений на суше

Извержения под водой принципиально отличаются от тех, что происходят на суше из-за огромного давления и охлаждающего эффекта океана. На глубинах, превышающих около 2000 метров, гидростатическое давление превышает критическую точку воды (выше 218 атмосфер и 374 °C), поэтому морская вода не кипит даже при контакте с магмой. Вместо этого образуется сверхкритическая жидкость, которая эффективно передает тепло и химические компоненты. Эта среда высокого давления подавляет взрывное дегазирование летучих веществ, таких как водяной пар и углекислый газ. Большинство подводных извержений производят медленные, эффузивные потоки лавы, а не сильные пепловые шлейфы. Однако на более мелких глубинах (менее 500 метров) давление достаточно низкое, чтобы могли произойти взрывы пара, порождающие мощные извержения, которые иногда нарушают поверхность океана.

Еще одно ключевое отличие - быстрое закалывание лавы. Когда расплавленная порода попадает в холодную морскую воду, стеклянная корка мгновенно образуется, создавая лаву на подушке или потоки листа. Это быстрое охлаждение также предотвращает рост крупных кристаллов, придавая базальту мелкозернистую, часто стеклянную текстуру. Взаимодействие лавы с морской водой также производит химические реакции, которые создают драматические гидротермальные вентиляционные отверстия для черного курильщика - объемы перегретой, богатой минералами воды, которые поддерживают уникальные биологические сообщества.

Открытие и исследование подводных вулканов

Люди знали о вулканических островах на протяжении веков, но подавляющее большинство подводных вулканов оставалось неизвестным до 20-го века. Ранние свидетельства пришли из звуков - практика снижения взвешенных линий для измерения глубины - которые выявили неожиданные мелководья и пики. Изобретение эхо-звуковых приборов во время Второй мировой войны позволило океанографам более подробно картировать морское дно, раскрывая прочный ландшафт, пронизанный подводными горами и хребтами. В 1960-х и 1970-х годах теория тектоники плит предоставила основу для понимания того, почему эти особенности существовали, и глубоководные подводные аппараты, такие как Alvin , сделали первые прямые наблюдения вулканов среднего океанского хребта.

Сегодня исследование опирается на комбинацию судовых многолучевых гидролокаторов, дистанционно управляемых транспортных средств (ROV) и автономных подводных аппаратов (AUV). Sonar может отображать форму морского дна, в то время как ROVs несут камеры и инструменты отбора проб для изучения вулканических пород, гидротермальных жидкостей и организмов, которые там живут. NOAA Office of Ocean Exploration и JAMSTEC (Японское агентство по морской науке и технике Земли) являются одними из ведущих учреждений, проводящих такие миссии. Известные подводные вулканы, обнаруженные в последние десятилетия, включают Камаэуаканалоа (ранее Loihi) Seamount у Гавайев, Вулкан Западная Мата в Тихом океане (где самое глубокое активное извержение было снято в 2009 году) и

Гидротермальные Vent экосистемы

Возможно, самым замечательным последствием подводного вулканизма является создание гидротермальных вентиляционных полей. Когда морская вода просачивается через трещины в вновь образованной океанической коре, она нагревается подстилающей магмой до температур, превышающих 400°C. Эта горячая вода растворяет минералы и металлы из породы, затем вылетает из морского дна в качестве черных или белых курильщиков. При смешивании с холодной океанской водой растворенные минералы осаждаются, образуя дымоходоподобные структуры высотой до десятков метров. Эти жерла являются оазисными средами обитания в глубоком море, где хемосинтетические бактерии используют химическую энергию из сероводорода и других соединений для получения органического вещества.

Эти бактерии образуют основу пищевой сети, которая включает гигантских трубчатых червей (]Riftia pachyptila), вентиляционных крабов, креветок, мидий и рыб — видов, которые являются эндемичными для этих сред и процветают в экстремальных условиях высокого давления, темноты и токсичных химических веществ. Каждое вентиляционное поле является уникальным биологическим сообществом, и в каждой экспедиции обнаруживается много новых видов. Подводные вулканы также выпускают большое количество железа и других следовых металлов в океан, удобряя поверхностные воды на обширных территориях и влияя на глобальную первичную продуктивность.

Роль тектоники плит и кристаллической формации

Подводные вулканы являются основными двигателями формирования океанической коры. В середине океанических хребтов устойчивое повышение магмы создает новое морское дно, которое распространяется наружу, приводя в движение плиты. Этот процесс непрерывно перерабатывает земную кору — старая, холодная океаническая кора помещается обратно в мантию, в то время как новая кора образуется в хребтах. В течение геологического времени все дно океана заменяется каждые 200 миллионов лет или около того. Подводный вулканизм также является основным механизмом, с помощью которого тепло из недр Земли передается в гидросферу, регулируя глобальный тепловой поток.

Кроме того, подводные вулканы способствуют образованию крупных магматических провинций (ЛИП) - массивных скоплений вулканических пород, которые могут покрывать миллионы квадратных километров. Эти ЛИПы, такие как плато Онтонг Ява, как полагают, образуются из огромных извержений мантийного шлейфа, которые высвобождают огромные объемы лавы в относительно короткие геологические периоды. Они были связаны с крупными изменениями климата и массовыми вымираниями из-за связанного с этим выброса вулканических газов и аэрозолей.

Опасности, связанные с подводными вулканами

Несмотря на их глубокое расположение, подводные вулканы представляют реальную опасность. Наиболее непосредственным является цунами поколения . Когда подводный вулкан извергается взрывоопасно, или когда большая часть его фланга разрушается, он может вытеснить огромный объем воды, вызывая цунами, которое может путешествовать по целым океанским бассейнам. Извержение Анака Кракатау в Индонезии в 2018 году — частично подводная лодка — вызвало обрушение фланга и смертельное цунами. Аналогичным образом, извержение Кракатау в 1883 году, которое уничтожило большую часть острова, вызвало цунами, которые убили десятки тысяч. Еще меньшие глубокие извержения могут создать местные цунами, которые угрожают судоходным путям или прибрежным сообществам.

Подводная вулканическая активность также может влиять на морскую навигацию и инфраструктуру. Пепел и пемза от извержений могут плавать на поверхности в течение нескольких месяцев, забивая водозаборы морской воды и повреждая двигатели судов. Богатые газом шлейфы могут снизить плотность морской воды настолько, чтобы повлиять на плавучесть. Кроме того, вулканические события на морском дне могут вызвать землетрясения и оползни, которые сами могут вызвать вторичные цунами.

Воздействие климата является еще одной опасностью. Крупные подводные извержения выделяют значительное количество углекислого газа и диоксида серы. В то время как диоксид серы может вызвать кратковременное охлаждение, отражая солнечный свет, углекислый газ добавляет к парниковому эффекту. Однако большинство извержений подводных лодок достаточно глубоки, чтобы их газы поглощались в океан, сводя к минимуму атмосферные эффекты - за исключением мелких или островообразующих извержений.

Минеральные ресурсы и экономическая значимость

Гидротермальные жерла, связанные с подводными вулканами, богаты ценными минералами, включая медь, цинк, золото и серебро. Эти залежи образуются, когда горячие, насыщенные минералами жидкости охлаждают и осаждают сульфиды. Получающиеся массивные сульфидные месторождения могут быть экономически значимыми. Несколько стран и компаний изучают возможность глубоководной добычи для этих ресурсов. Международное управление морского дна (ISA) регулирует разведку и потенциальную эксплуатацию в международных водах. Однако глубоководная добыча вызывает серьезные экологические проблемы по поводу разрушения хрупких вентиляционных экосистем и выброса шлейфов осадочных пород. Экологические группы и ученые призвали к осторожности и комплексным экологическим исследованиям до начала коммерческой добычи.

Будущие исследования и вопросы без ответа

Хотя мы многое узнали о подводных вулканах, обширные области дна океана остаются ненанесены. Только около 20-25% глобального морского дна было обследовано с высоким разрешением. Многие подводные горы и активные вентиляционные отверстия, вероятно, остаются неоткрытыми. Будущие исследования будут сосредоточены на понимании взаимодействий между вулканизмом, биологией и химией океана. Амбициозные проекты, такие как ] Океанский кооперативный институт исследований и NEPTUNE ] Сеть обсерваторий морского дна (у побережья Британской Колумбии, Канада) постоянно отслеживают вулканическую и гидротермальную активность. Роботизированные технологии, включая долговечные AUV и кабельные обсерватории, позволят ученым наблюдать извержения в режиме реального времени - предоставляя критические данные для улучшения прогнозов опасности и понимания роли этих скрытых гигантов в системе Земли.

Ключевые вопросы исследования

  • Как подводные извержения начинаются и развиваются с течением времени?
  • Что контролирует распределение и разнообразие хемосинтетической жизни?
  • Как крупные подводные вулканические провинции влияют на глобальный климат?
  • Можно ли разработать надежные системы раннего предупреждения о вулканических цунами?
  • Каковы долгосрочные последствия глубоководной добычи полезных ископаемых для вентиляционных сообществ?

Заключение

Подводные вулканы действительно скрытые гиганты. Они строят сам фундамент океанского дна, питают уникальные экосистемы и играют важную роль в геологических и биологических циклах Земли. Хотя они остаются в основном вне поля зрения, их влияние ощущается повсюду - от железа, которое удобряет поверхностный планктон, до минералов, которые могут питать будущие отрасли промышленности. По мере развития технологий и исследований мы, вероятно, обнаружим еще более замечательные вулканы под волнами, каждый из которых раскрывает новую часть динамичной истории планеты.

Для дальнейшего чтения изучите ресурсы NOAA Ocean Today и USGS Volcano Hazards Program. Полный академический обзор доступен в Annual Review of Earth and Planetary Sciences. Кроме того, на веб-сайте JAMSTEC представлены обширные данные о подводных вулканах Тихого океана, а Международное управление по морскому дну представлена информация о правилах глубоководной добычи полезных ископаемых.