Понимание глобального распределения вулканов

Распределение вулканов по нашей планете рассказывает захватывающую историю о динамическом внутреннем пространстве Земли. Вулканы не разбросаны случайным образом, а сосредоточены в конкретных поясах и зонах, которые непосредственно соответствуют границам тектонических плит и горячим точкам мантии. Это неравномерное распределение дает ученым критическое понимание тектоники плит, процессов генерации магмы и геологической эволюции как континентов, так и океанических бассейнов.

Из примерно 1500 потенциально активных вулканов на Земле примерно 90 процентов расположены вдоль границ тектонических плит. Остальные 10 процентов встречаются в интраплатате, часто связанных с мантийными плюмами или горячими точками. Понимание этих закономерностей имеет важное значение для оценки вулканической опасности, геотермальной разведки энергии и реконструкции геологической истории Земли.

Вулканы вдоль границ тектонических плит

Взаимосвязь тектоники плит и вулканизма имеет основополагающее значение для понимания того, где образуются вулканы. Литосфера Земли разделена на крупные и малые тектонические плиты, которые движутся относительно друг друга со скоростью несколько сантиметров в год. Взаимодействие на границах плит создают условия для генерации магмы и извержений вулканов.

Конвергентные границы и зоны субдукции

Сходящиеся границы, где одна тектоническая плита подпитывает другую, производят самые взрывоопасные и опасные вулканы на Земле. По мере того, как нисходящая плита погружается в мантию, она выпускает воду и другие летучие вещества, которые опускают температуру плавления накладывающегося мантийного клина, порождая магму. Эта магма поднимается через перекрывающую плиту, питая вулканические дуги на континентальных окраинах или островные дуги в океанических условиях.

Тихоокеанское огненное кольцо является наиболее ярким примером вулканизма, связанного с субдукцией. Эта подковообразная зона простирается примерно на 40 000 километров вокруг Тихого океана, охватывая западные побережья Северной и Южной Америки, Японию, Индонезию, Новую Зеландию и многочисленные островные цепи между ними. В Кольце огня находится более 450 активных вулканов и отвечает за около 90 процентов землетрясений в мире и 75 процентов его извержений вулканов.

Известные вулканы зоны субдукции включают гору Сент-Хеленс в Соединенных Штатах, гору Фудзи в Японии, гору Мерапи в Индонезии и гору Пинатубо на Филиппинах, которые, как правило, производят и риолитические магмы с высоким содержанием кремнезема, что приводит к вязкой лаве и взрывным стилям извержения.

Расходящиеся границы и рифтные зоны

Различаются границы, где тектонические плиты раздвигаются, что позволяет материалу мантии разлагаться и плавиться. Этот процесс генерирует базальтовую магму, которая заполняет промежуток между разделяющими пластинами, создавая новую океаническую кору на средних океанических хребтах и новую континентальную кору в континентальных рифтовых зонах.

Среднеокеанские хребты образуют самую обширную вулканическую систему на Земле, с общей длиной приблизительно 65 000 километров, проходящей через все основные океанские бассейны.Главными примерами являются Среднеатлантический хребет, Восточно-Тихоокеанский подъем и Индийская океанская хребтовая система.Несмотря на их огромную протяженность, вулканы среднего океанского хребта в значительной степени скрыты под поверхностью океана и производят относительно мягкие, эффузивные извержения.

Континентальные рифтовые зоны, такие как Восточноафриканская рифтовая система, также порождают значительную вулканическую активность. Восточноафриканский рифт простирается более чем на 3000 километров от Эфиопии до Мозамбика и содержит вулканы, такие как гора Килиманджаро, гора Кения, гора Ньирагонго и Эрта-Але. Эти вулканы производят щелочные базальтовые магмы и демонстрируют как эффузивные, так и взрывные стили извержения.

Преобразование границ

Границы трансформации, где плиты скользят друг мимо друга горизонтально, обычно производят небольшую вулканическую активность.Однако некоторые зоны разлома трансформации проявляют незначительный вулканизм из-за локализованного расплавления декомпрессии или наличия горячей, слабой литосферы.Вулканизм, связанный с границами преобразования, обычно незначителен по сравнению с конвергентными и расходящихся настроек.

Интраплантировать вулканизм и горячие точки

Не все вулканы встречаются на границах плит. Интраплатетные вулканы образуются внутри тектонических плит, далеко от активных полей плит. Эти вулканы обычно связаны с мантийными плюмами или горячими точками — стационарными колоннами горячих пород, поднимающимися из глубины мантии. По мере того, как тектонические плиты движутся над этими фиксированными горячими точками, они производят цепи вулканов, которые фиксируют направление и скорость движения плит.

Гавайско-императорская цепь подводных гор является классическим примером вулканизма горячих точек. Гавайская горячая точка, в настоящее время расположенная под Большим островом Гавайи, породила цепь вулканических островов и подводных гор, простирающихся более чем на 6000 километров через Тихоокеанскую плиту. Древнейшим вулканам в цепи около 80 миллионов лет, в то время как Килауэа и Мауна-Лоа Большого острова остаются высокоактивными.

Другие важные интраплатетные вулканические провинции включают Йеллоустонскую горячую точку в Северной Америке, Галапагосскую горячую точку, Исландскую горячую точку и Реюньонскую горячую точку. Эти регионы производят ряд композиций магмы и стилей извержений, от высоко взрывоопасных извержений, образующих кальдеру в Йеллоустоне до эффузивных базальтовых извержений в Исландии и Гавайях.

Распределение вулканов по континентам

Континентальное распределение вулканов отражает геологическую историю и тектоническую обстановку каждого суши.Одни континенты обладают обильной вулканической активностью, другие относительно спокойны.

Азия

В Азии самая высокая концентрация активных вулканов на любом континенте, во многом благодаря своему положению вдоль Тихоокеанского огненного кольца. Только в Индонезии находится более 130 активных вулканов, что делает ее страной с наибольшим количеством активных вулканов в мире. В Японии около 110 активных вулканов, в то время как на полуострове Камчатка в России находится около 30 активных вулканов в Камчатской вулканической дуге.

Индонезийский архипелаг особенно важен для вулканических исследований, потому что его вулканы охватывают несколько тектонических установок, включая зоны субдукции, зоны столкновения и бассейны задней арки.Краката, Тамбора и Мерапи являются одними из самых печально известных индонезийских вулканов, каждый из которых произвел катастрофические извержения в исторические времена.

Северная Америка

Вулканическая активность в Северной Америке сосредоточена вдоль западной окраины континента, от Аляски через западную Канаду и США в Мексику и Центральную Америку.Алеутская дуга на Аляске содержит около 80 действующих вулканов, а Каскадный хребет на северо-западе Тихого океана включает гору Сент-Хеленс, гору Рейнир, гору Шаста и гору Гуд.

Центральная Америка, особенно Гватемала, Коста-Рика и Никарагуа, принимает многочисленные активные вулканы вдоль Центральноамериканской вулканической дуги. Фуэго, Ареналь и Поас являются одними из самых активных и хорошо изученных вулканов в этом регионе. Йеллоустонская кальдера в Вайоминге представляет собой другой тип вулканической опасности - большая кремниевая система кальдеры, питаемая континентальной горячей точкой.

Южная Америка

Андские горы Южной Америки образуют самую длинную континентальную вулканическую дугу на Земле, протянувшуюся примерно на 7000 километров вдоль западной окраины континента, Северная вулканическая зона, Центральная вулканическая зона и Южная вулканическая зона содержат сотни вулканов, многие из которых покрыты ледниками или ледяными шапками.

Известные андские вулканы включают Котопакси в Эквадоре, Невадо-дель-Руис в Колумбии, Ллайма в Чили и Охос-дель-Саладо на границе Чили и Аргентины — самый высокий активный вулкан в мире на 6893 метрах.Извержение 1985 года Невадо-дель-Руис произвело смертельные лахары, которые разрушили город Армеро, убив приблизительно 25 000 человек, подчеркнув опасности вулканов, покрытых ледниками.

Африка

Вулканическая активность в Африке связана прежде всего с Восточно-Африканской рифтовой системой и Камерунской вулканической линией.В рифте находятся многочисленные действующие вулканы, в том числе Ньирагонго в Демократической Республике Конго, имеющее самое большое в мире лавовое озеро, и Эрта-Але в Эфиопии, имеющее стойкое лавовое озеро, которое активно уже несколько десятилетий.

Гора Килиманджаро, самая высокая вершина Африки на 5 895 метров, является стратовулканом, который последний раз извергался примерно 150 000 - 200 000 лет назад. В настоящее время он спит, но остается заметной особенностью рифтового ландшафта. Камерунская вулканическая линия, включая гору Камерун, является уникальной вулканической провинцией, которая простирается как на суше, так и на море, без четкого отношения к границам плит.

Европа

Вулканическая активность Европы сосредоточена в Средиземноморском регионе, особенно в Италии, Греции и Исландии. Италия принимает некоторые из самых известных и исторически активных вулканов в мире, включая гору Этна на Сицилии, Везувий около Неаполя и Стромболи на Эолийских островах. Этна является одним из самых активных вулканов на Земле, с частыми извержениями, которые были задокументированы более 2000 лет.

Везувий печально известен извержением 79 года нашей эры, которое разрушило Помпеи и Геркуланум, и он остается одним из самых опасных вулканов в мире из-за плотного населения в окружающей столичной области Неаполя.Санторини в Греции является еще одним исторически значимым вулканом, вызвавшим массивное извержение бронзового века около 1600 года до нашей эры, которое опустошило минойскую цивилизацию на Крите.

Океания и Антарктида

Новая Зеландия и Папуа-Новая Гвинея имеют значительную вулканическую активность, связанную с зонами субдукции в юго-западной части Тихого океана.Вулканическая зона Таупо в Новой Зеландии содержит несколько активных вулканов, включая гору Руапеху и гору Тонгариро, и произвела извержение Оруануи примерно 26 500 лет назад - самое последнее извержение на Земле.

Антарктида имеет около 35 известных активных вулканов, в основном расположенных вдоль западной окраины континента. Гора Эребус, расположенная на острове Росса, является самым южным действующим вулканом на Земле и имеет стойкое лавовое озеро. Недавние исследования показали, что вулканическая активность под антарктическим ледяным щитом может иметь значительные последствия для стабильности ледяного щита и повышения уровня моря.

Распределение вулканов по океанским бассейнам

Океанские бассейны содержат подавляющее большинство вулканической активности Земли, хотя большая часть её скрыта под тысячами метров морской воды.Подводный вулканизм — фундаментальный процесс создания океанической коры и формирования морского дна.

Среднеокеанские ридджесы

Срединно-океанские хребты являются наиболее вулканически активными системами на Земле, ответственными примерно за 75 процентов годового производства магмы на планете. Эти хребты образуются там, где океанические плиты расходятся, и магма поднимается из мантии, образуя новую кору. Скорость производства магмы варьируется вдоль системы хребта, причем быстро распространяющиеся хребты, такие как Восстание в Восточной части Тихого океана, производят более частые, но менее взрывоопасные извержения по сравнению с медленно распространяющимися хребтами, такими как Среднеатлантический хребет.

Гидротермальные вентиляционные системы, связанные с вулканизмом среднего океанского хребта, поддерживают уникальные биологические сообщества, которые процветают в экстремальных условиях. Эти вентиляционные отверстия, открытые в конце 1970-х годов, произвели революцию в нашем понимании способности жизни существовать без солнечного света и имеют важные последствия для астробиологии.

Подводные вулканические дуги

Подводные вулканические дуги образуются там, где океанические плиты субдуктивно подпадают под другие океанические плиты, образуя цепи подводных вулканов, которые в конечном итоге могут подняться над уровнем моря, чтобы сформировать острова.Марианская дуга в западной части Тихого океана, дуга Тонга-Кермадек и дуга Сунда являются примерами подводных дуговых систем с активным вулканизмом ниже уровня моря.

Многие подводные вулканы в дуговых условиях представляют опасность для судоходства и авиации, так как их извержения могут производить плоты пемзы, которые плавают на поверхности океана и дрейфуют на тысячи километров.Извержение вулкана Хэвр-Симаун в дуге Кермадек в 2012 году произвело массивный плот пемзы, который покрыл примерно 400 квадратных километров поверхности океана.

Hotspot Chains и вулканы на островах океана

Вулканы Хотспота в океанских бассейнах производят некоторые из самых отличительных вулканических особенностей на Земле, включая Гавайи, Галапагосские острова, Азорские острова и Канарские острова.Эти вулканы океанских островов обычно базальтовые по составу, но могут производить взрывные извержения, когда магма взаимодействует с морской водой или когда участвуют богатые летучими веществами магмы.

Гавайские острова являются наиболее изученной цепью горячих точек в мире. Вулкан Килауэа Большого острова извергается почти непрерывно с 1983 года, предоставляя ученым беспрецедентные возможности для изучения базальтового вулканизма. Мауна-Лоа, крупнейший вулкан на Земле по объему, последний раз извергался в 2022 году после 38-летнего периода покоя. Остров Гавайи продолжает расти, поскольку новые потоки лавы добавляют землю к его юго-восточному побережью.

Исландия обеспечивает уникальную обстановку, где точка доступа совпадает с Срединно-океаническим хребтом, что приводит к исключительно высокой вулканической продуктивности. В Исландии существует около 30 активных вулканических систем, извержения происходят в среднем каждые пять лет. Извержение Эйяфьяллайокудль 2010 года продемонстрировало далеко идущие последствия исландского вулканизма, когда его пепловый шлейф нарушил воздушные путешествия по Европе в течение нескольких недель.

Морские горы и гиоты

Дно океана усеяно сотнями тысяч подводных вулканов, которые поднимаются по крайней мере на 1000 метров над морским дном, но не достигают поверхности океана. Многие подводные горы являются потухшими вулканами, которые сформировались в срединно-океанических хребтах или горячих точках и с тех пор были унесены движением плит. Гайоты - это плоскодонные подводные горы, которые были разрушены волновым действием, когда они были вблизи поверхности, а затем утихли, когда подстилающая плита остыла и стала плотнее.

Морские горы служат важными местами обитания для глубоководных организмов и навигационными опасностями для подводных лодок.Недавние усилия по картированию, включая проект Seabed 2030, работают над созданием полной батиметрической карты дна океана, которая раскроет всю полноту подводных вулканических особенностей.

Вулканическое распределение и оценка опасности

Понимание распределения вулканов имеет решающее значение для оценки вулканической опасности и снижения риска для населения. Примерно 800 миллионов человек живут в пределах 100 километров от активных вулканов, и эта популяция продолжает расти из-за урбанизации в вулканически активных регионах. Способность предсказывать, где вероятны будущие извержения, зависит от точного картирования вулканических провинций и мониторинга сигналов волнений.

Вулканы зоны субдукции представляют наибольшую опасность, поскольку они производят взрывные извержения, которые могут повлиять на большие площади через пеплопад, пирокластические потоки и лахары.Извержение вулкана Пинатубо на Филиппинах в 1991 году, в результате которого погибли около 800 человек и был нанесен ущерб на миллиарды долларов, служит напоминанием о разрушительном потенциале дуговых вулканов. Разнонаправленные граничные вулканы и вулканы горячих точек, хотя и менее взрывоопасные, все еще могут вызывать разрушительные извержения, о чем свидетельствует извержение в 2018 году в нижней Восточной рифтовой зоне Килауэа, которое разрушило более 700 домов на Гавайях.

Международные сети мониторинга, в том числе Всемирная организация обсерваторий вулканов и Глобальная программа вулканизма в Смитсоновском институте, отслеживают вулканическую активность во всем мире и своевременно предупреждают о надвигающихся извержениях.Разработка спутниковых методов мониторинга, включая тепловую инфракрасную визуализацию, измерения выбросов газа и анализ деформации грунта, значительно улучшила нашу способность обнаруживать вулканические волнения в отдаленных регионах.

Последствия для климата и систем Земли

Вулканические извержения оказывают значительное воздействие на климат и системы Земли. Крупные взрывные извержения вводят диоксид серы в стратосферу, где он образует сульфатные аэрозоли, отражающие солнечный свет и охлаждающие планету. Извержение Пинатубо 1991 года вызвало глобальное снижение температуры примерно на 0,5 °C в течение примерно двух лет. Ещё более крупные извержения в истории Земли, такие как извержение Тамборы 1815 года, вызвали более выраженные климатические нарушения, в том числе «Год без лета» в 1816 году.

Подводные извержения вулканов также влияют на химию океана и морские экосистемы. Гидротермальные системы вентиляции, связанные с вулканизмом срединно-океанического хребта, способствуют глобальным химическим циклам, добавляя растворенные минералы и газы в морскую воду. Открытие этих систем коренным образом изменило наше понимание химии океана и глубокой биосферы.

Долгосрочная вулканическая активность в геологических временных масштабах сыграла решающую роль в регулировании климата Земли за счет выброса углекислого газа и других парниковых газов. Баланс между выбросом вулканического CO2 и силикатным выветриванием, потребляющим CO2, поддерживал климат Земли в пределах обитаемого диапазона в течение миллиардов лет. Понимание этих долгосрочных циклов имеет важное значение для прогнозирования будущей эволюции климатической системы Земли.

Будущие направления исследований

Изучение распределения вулканов продолжает развиваться с развитием технологий и нашего понимания процессов Земли. Улучшения в картировании морского дна, спутниковом дистанционном зондировании и геофизической визуализации раскрывают ранее неизвестные вулканические особенности и обеспечивают более подробные представления об известных вулканических системах. Интеграция этих данных с моделями конвекции мантии, движения плит и процессов генерации магмы приводит к более полному пониманию моделей распределения вулканов.

Изменение климата может также влиять на вулканическую активность в некоторых регионах. Отступление ледников и ледяных щитов, особенно в Исландии, Аляске и Андах, может вызвать повышенную вулканическую активность в процессе изостатического отскока — удаление льда снижает давление на кору, позволяя магме более легко разлагаться и извергаться. Понимание этих обратных связей между климатом и вулканизмом является активной областью исследований с важными последствиями для оценки опасности.

Международное сотрудничество через такие программы, как Глобальная модель вулканов и Обсерватории вулканов мира, имеет важное значение для поддержания и улучшения нашего мониторинга активных вулканов мира.Обмен данными, опытом и ресурсами через национальные границы гарантирует, что сообщества, живущие вблизи вулканов, получают наилучшие доступные предупреждения о предстоящих извержениях и что ученые продолжают продвигать наше понимание вулканических систем Земли.

Для тех, кто ищет более подробную информацию, ресурсы из Глобальной программы вулканизма Смитсоновского института предоставляют всеобъемлющие базы данных вулканической активности во всем мире. Программа по оценке опасности вулканов Геологической службы США предлагает обширные данные мониторинга и оценки опасности для вулканов США.Кроме того, Институт физики глобуса Парижских обсерваторий вулканов предоставляют важные ресурсы для понимания вулканических процессов как в континентальных, так и в океанических условиях.