Типы глинистых пород, найденные на Гавайских островах, и их роль в вулканических извержениях

Гавайские острова стоят как один из самых замечательных вулканических архипелагов на Земле, простирающийся через центральную часть Тихого океана на более чем 2400 километров. Эта цепь островов, атоллов и подводных гор обязана своим существованием исключительно вулканической активности, вызванной стационарной горячей точкой под тектонической плитой Тихого океана. По мере того, как плита медленно движется на северо-запад над этой горячей точкой, магма поднимается из глубины мантии, извергается на морское дно и постепенно строит острова, которые поднимаются на тысячи метров от дна океана, чтобы сформировать ландшафты, которые мы видим сегодня.

Волшебные породы, возникающие в результате этих вулканических процессов, являются фундаментальными строительными блоками Гавайских островов. Они фиксируют тепловую историю магмы, условия, при которых она охлаждалась, и извергательный стиль, который вывел ее на поверхность. Для геологов, вулканологов и всех, кто интересуется естественной историей этой цепи островов, понимание типов магматических пород и их связи с извержениями вулканов имеет важное значение для интерпретации прошлого, настоящего и будущего развития островов.

Гавайские магматические породы варьируются от знакомых темных базальтов, которые доминируют в ландшафте, до менее распространенных композиций, таких как андезит и риолит. Каждый тип пород рассказывает отдельную историю о его образовании, глубине и температуре его источника магмы и степени, в которой эта магма подверглась дифференциации до извержения. В этой статье рассматриваются основные типы магматических пород, найденные на Гавайях, исследуется их формирование и обсуждается их прямое отношение к стилю и интенсивности извержений вулканов на островах.

Базальтическое основание Гавайев

Базальт, безусловно, является наиболее распространенной магматической породой на Гавайских островах, включающей более 90 процентов общего объема открытых пород. Это темная мелкозернистая экструзивная порода, которая образуется, когда мафическая магма быстро охлаждается на поверхности Земли или вблизи нее. Доминирование базальта на Гавайях отражает геохимическую природу мантийного шлейфа, который питает горячую точку, которая производит магму, богатую железом, магнием и кальцием, и относительно низкую в кремнеземе по сравнению с вулканическими системами, обнаруженными на сходящихся границах плит, таких как Тихоокеанское огненное кольцо.

Базальты Гавайев демонстрируют ряд текстур и композиций в зависимости от их эруптивной истории и условий охлаждения. Два основных типа базальтовых потоков лавы распознаются по островам: пахоэхо и а'а. Пахоэхо характеризуется гладкой, роповой или бильвиозной поверхностью, которая образуется, когда высокожидкая лава охлаждается под тонкой, гибкой корой. А'а, напротив, производит грубую, зубчатую, блическую поверхность, которая возникает из более вязкой лавы, которая движется медленнее и разбивается по мере ее течения. Оба типа состоят из одной и той же базальтовой магмы, но отличаются динамикой потока и историей охлаждения.

Минерология гавайского базальта преобладает оливин, пироксен и плагиоклазный полевой шпат. Оливин, который часто появляется в виде видимых зеленых кристаллов в некоторых базальтах, является одним из первых минералов, кристаллизовавшихся от охлаждающей магмы. Его присутствие указывает на то, что магма охлаждалась относительно медленно на глубине до извержения, позволяя образовываться крупным кристаллам. Пироксина и плагиоклаза полевого шпата кристаллизуются позже и образуют мелкозернистую грунтовую массу, которая придает базальту характерный темный цвет и плотную текстуру.

Тулейный базальт является наиболее распространенным подтипом, встречающимся на Гавайях, особенно в стадии строительства щита вулканического роста. Этот тип относительно беден натрием и калием и богат железом и магнием. Он извергается при высоких температурах, обычно между 1100 и 1200 градусами Цельсия, и производит объемные потоки лавы, которые строят широкие, мягко наклонные щиты вулканов, таких как Мауна-Лоа и Килауэа. Тулейтический базальт связан с наиболее продуктивной фазой гавайского вулканизма и составляет подавляющее большинство объема породы на островах.

Щелочный базальт встречается реже, чем толеитовый базальт, но появляется на поздних стадиях вулканической активности. Он содержит более высокие концентрации натрия, калия и других несовместимых элементов, и обычно извергается при несколько более низких температурах.Щелочные базальты часто связаны с постщитовыми и омолаживающимися стадиями гавайского вулканизма, когда запас магмы из горячей точки становится менее объемным, а извергающиеся лавы проявляют большее композиционное разнообразие.

Глубоко под Гавайскими островами базальтовая магма также медленно кристаллизуется на глубине, образуя инвазивные магматические породы. Габбро, грубозерный инвазивный эквивалент базальта, образуется в магматических камерах и системах трубопроводов, питающих вулканические вентиляционные отверстия выше. Эти породы редко подвергаются на поверхности, за исключением глубокой эрозии или разломов, но они дают важные подсказки о подземных системах водопровода, которые доставляют магму к извержениям.

Андесит и промежуточные композиционные породы

Андесит представляет собой менее распространенный, но геологически значимый тип магматических пород на Гавайских островах. Это промежуточная вулканическая порода с содержанием кремнезема, как правило, от 52 до 63 процентов, помещая его между базальтом и риолитом в композиционном спектре. Андесит обычно светлее по цвету, чем базальт, часто выглядит серым, коричневым или зеленоватым, и он имеет более высокую вязкость при расплавлении из-за его большего содержания кремнезема.

На Гавайях андезит образуется в основном за счёт двух процессов: дробной кристаллизации базальтовой магмы и частичного плавления океанической коры под островами.Фракционная кристаллизация происходит по мере того, как охлаждение магмы позволяет некоторым минералам кристаллизоваться и оседать из расплава, постепенно обогащая оставшуюся жидкость в кремнеземе и других несовместимых элементах.Этот процесс может производить андезитовые магмы из родительских базальтовых магм, если кристаллизация протекает достаточно далеко до извержения.

Наличие андезита на Гавайских островах тесно связано с более взрывоопасной вулканической активностью. Более высокая вязкость андезитовой магмы означает, что она течет не так легко, как базальтовая магма, и имеет тенденцию более эффективно улавливать вулканические газы, что приводит к накоплению давления, которое может привести к взрывным извержениям. Андеситовые извержения на Гавайях могут производить пепловые колонны, пирокластические потоки и вулканические купола, а не текучие лавовые потоки, которые характеризуют базальтовый вулканизм.

Андесит чаще всего встречается в связи с более поздними стадиями гавайской вулканической эволюции, особенно на постщитовых и омолаживающих стадиях.В течение этих фаз запас магмы ослабевает, состав становится более переменным, а эруптивные стили сдвигаются в сторону большей взрывной активности.Некоторые из наиболее заметных и эндезитических отложений на Гавайях встречаются на островах Оаху и Кауаи, где эрозия обнажила более глубокие вулканические последовательности.

Дацит, вулканическая порода с содержанием кремнезема между андезитом и риолитом, также в незначительных количествах появляется на Гавайях. Он еще более богат кремнеземом, чем андезитом, и производит магмы, которые очень вязкие, склонные к взрывной фрагментации. Дацитические извержения редки на Гавайях, но произошли, особенно в связи с образованием кальдер и другими особенностями вулканического коллапса.

Риолит и силикский вулканизм

Риолит является самой богатой кремнеземом вулканической породой, найденной на Гавайских островах, с содержанием кремнезема, превышающим 63 процента и часто достигающим 70 процентов или более. Это инвазивный эквивалент гранита, означающий, что кристаллизующаяся на глубине магма риолита образует гранит, в то время как риолит, который извергается на поверхность, образует мелкозернистую или стеклянную вулканическую породу. Риолит обычно светлого цвета, начиная от белого до бледно-серого, розового или желтого, и он часто содержит видимые кристаллы кварца и щелочной полевой шпат.

Риолит крайне редок на Гавайях по сравнению с базальтом, но его присутствие существенно, поскольку он документирует крайние степени дифференциации магмы. Образование риолитической магмы требует обширной фракционной кристаллизации базальтовых исходных магм, часто в сочетании с усвоением материалов коры. Высокое содержание кремнезема делает риолитную магму чрезвычайно вязкой, а извержения с участием риолита имеют тенденцию быть высоко взрывоопасными, образуя пемзу, пепел и пирокластические отложения.

В гавайском контексте риолит обычно появляется в виде небольших куполов, лавовых потоков или пирокластических отложений, связанных с конечными стадиями вулканической активности на отдельных островах.Эти силикальные извержения часто объемно незначительны, но могут быть локально значимыми с точки зрения их воздействия на ландшафт и их значения для понимания полной магматической истории островов.

Один из самых известных примеров гавайского риолита встречается на острове Оаху, где хребет Кулау содержит риолитовые купола и связанные с ними пирокластические отложения.Эти кремниевые породы указывают на то, что вулкан Кулау пережил период высокодифференцированного магматизма в конце своей эволюционной истории.Подобные риолитовые явления были выявлены на Мауи и Большом острове Гавайи, хотя они остаются относительно редкими и объемно незначительными по сравнению с массивными базальтовыми щитами.

Роль гнусных камней в формировании извращенных стилей

Состав и физические свойства магматических пород оказывают глубокое влияние на стиль, интенсивность и опасности, связанные с извержениями вулканов на Гавайях.Фундаментальным контролем является вязкость магмы, которая определяется в первую очередь содержанием в ней кремнезема, температурой и летучим содержанием. Базальтовые магмы с низким содержанием кремнезема отличаются высокой текучестью и позволяют газам легко уходить, что приводит к преимущественно эффузивным извержениям, которые производят потоки лавы и фонтаны огня, а не взрывоопасные колонны.

Извержения, в которых доминирует базальтовая магма, являются отличительной чертой гавайского вулканизма и отвечают за постепенное строительство широких щитовых вулканов, которые определяют ландшафт острова. Эти извержения обычно производят потоки лавы, которые могут перемещаться на много километров от их жерл, покрывая большие площади и строя поверхностный слой острова послой. Извержение нижней Восточной рифтовой зоны Килауэа в 2018 году представляет собой драматический недавний пример, когда базальтовые потоки лавы разрушили сотни домов и добавили новую землю к береговой линии, когда они вошли в океан.

Однако при взаимодействии базальтовой магмы с водой извергательный стиль может резко измениться. Фреатомагматические извержения происходят, когда поднимающаяся магма сталкивается с грунтовыми или поверхностными водами, вызывая взрывную фрагментацию, когда вода вспыхивает паром. Эти извержения производят характерный тип отложения, известный как туф, который состоит из мелкозернистого вулканического пепла, который был уплотнен и цементирован. Туфовые конусы и туфовые кольца являются общими чертами на Гавайях, особенно в прибрежных районах, где извержения произошли на мелководье или через влажные отложения.

По мере того, как магма становится более развитой и богатой кремнеземом, эруптивный стиль смещается в сторону взрывной активности. Андеситная и риолитная магма становятся более вязкими и удерживают вулканические газы под давлением, пока давление не станет достаточным для фрагментации магмы взрывным образом. Это может привести к извержению колонн, которые поднимаются на много километров в атмосферу, золе, которая окутывает большие площади, и пирокластические потоки, которые мчатся по флангам вулкана на высоких скоростях. Эти взрывные извержения представляют значительную опасность для сообществ и инфраструктуры, особенно на старых островах, где более развитые магмы были активны.

Сохранившаяся на Гавайских островах горная летопись прямо свидетельствует об этих изменяющихся эруптивных стилях.Базальтовые потоки лавы доминируют на стадии щитостроительства и фиксируют эффузивные, маловзрывоопасные извержения, построившие острова.Вмешанные пирокластические отложения, туфовые слои и вулканические отложения фиксируют периоды взрывной активности, часто связанные с переходами между эруптивными стадиями или с взаимодействиями магмы и внешних источников воды.

Физические свойства магматических пород также влияют на долгосрочную геоморфную эволюцию островов. Плотная, устойчивая природа базальта означает, что щитовые вулканы очень устойчивы к эрозии и сохраняют свои широкие, наклонные профили в течение миллионов лет после прекращения вулканической активности. Андеситовые и риолитовые породы, напротив, имеют тенденцию к погоде и разрушаются быстрее, часто создавая более крутую, более расчлененную местность, которая отражает их более локализованное и менее объемное распределение.

Геохимическая эволюция и петрогенез гавайских магм

Разнообразие магматических пород на Гавайях является прямым следствием геохимической эволюции магм, которые происходят из мантийного шлейфа. Сам шлейф состоит из мантийного материала, который обогащается определенными элементами посредством глубокой переработки мантии и других процессов. По мере того, как шлейф поднимается и разлагается, он начинает плавиться, производя первичные базальтовые магмы, которые являются предшественниками всех магматических пород на островах.

Эти первичные магмы подвергаются ряду модификаций по мере их подъема через мантию и кору. Наиболее важным процессом является фракционная кристаллизация, при которой из расплава выводятся рано сформированные минералы, такие как оливин и пироксен, постепенно изменяя состав оставшейся жидкости. Этот процесс приводит к эволюции от толеитного базальта к более развитым композициям, таким как щелочный базальт, андезит, и в конечном итоге риолит, если кристаллизация продолжается достаточно далеко.

Усвоение материалов коры также играет роль в модификации состава магмы на Гавайях.По мере того, как магма поднимается через океаническую кору и старую вулканическую кучу, она может плавиться и включать окружающие породы, добавляя новые элементы в расплав и изменяя его состав.Этот процесс особенно важен на поздних стадиях вулканизма, когда запас магмы меньше и взаимодействие с корой более длительное.

Смешивание магмы — ещё один важный процесс, способствующий композиционному разнообразию, наблюдаемому в гавайских магматических породах.Когда две партии магмы с разными композициями вступают в контакт внутри магматической камеры или канала, они могут смешиваться для получения промежуточных композиций, которые иначе не образовались бы от простой фракционной кристаллизации. Доказательства смешивания магмы сохраняются в текстурах и минеральных композициях многих гавайских вулканических пород, включая колебательное зонирование в кристаллах полевого шпата плагиоклазы и наличие ксенокристов, полученных из более ранних кристаллизованных магм.

Геохимическая эволюция гавайских магм также имеет сильный временной компонент, который связан с жизненным циклом отдельных вулканов. Молодые вулканы, такие как Килауэа и Мауна-Лоа, находятся на стадии строительства щита и извергаются преимущественно тулеитовым базальтом. По мере того, как вулкан удаляется от горячей точки и запас магмы уменьшается, композиция смещается в сторону щелочного базальта и в конечном итоге более развитые композиции, такие как андезит и риолит. Эта композиционная прогрессия регистрируется в последовательности пород, выставленных в глубоко эродированных вулканах, таких как Оаху и Кауаи.

Распределение глинистых пород по Гавайским островам

Распределение типов магматических пород по Гавайским островам отражает возраст и эволюционную стадию каждого отдельного вулкана.Большой остров Гавайев является домом для самых молодых и активных вулканов, включая Килауэа, Мауна-Лоа, Хуалалай и Мауна-Кеа. В этих вулканах преобладают толеитовые базальты, на их постщитовых стадиях появляется незначительное количество щелочного базальта.Продолжающиеся извержения Килауэа и Мауна-Лоа предоставляют ученым беспрецедентные возможности для изучения базальтового вулканизма в реальном времени, включая образование пахоэхо и потоков а’а, лавовых трубок и связанных с ними особенностей.

Мауи, Молокай и Ланаи старше Большого острова и показывают более продвинутые стадии вулканической эволюции.Щитные вулканы на этих островах состоят в основном из толеитового базальта, но щелочные базальты и более развитые композиции более распространены, поскольку вулканы продвинулись в свои постщитовые стадии.Халеакала на Мауи является особенно важным примером с его массивной структурой щита и видными постщитовыми шлаковыми конусами, которые включают более развитые композиции.

В Оаху находятся два крупных щитовых вулкана, Вайанский хребет и хребет Кулау, оба из которых глубоко эродированы и обнажают внутреннее строение вулканической груды. Эти вулканы содержат широкий спектр типов горных пород, включая толеитовый базальт, щелочный базальт, андезит и риолит. Особенно примечателен хребет Кулау своими риолитическими куполами и другими эволюционировавшими породами, которые документируют период высокодифференцированного магматизма в конце истории вулкана.

Кауаи, старейший из крупных Гавайских островов, подвергся обширной эрозии и выветриванию, которые обнажили глубокие уровни вулканической груды.Скала острова включают в себя толеитовый базальт, щелочный базальт и множество эволюционировавших композиций, которые отражают полный спектр магматической дифференциации.Глубоко расчлененный ландшафт Кауаи обеспечивает окно во внутреннюю структуру гавайского щитового вулкана, который недоступен на более молодых островах.

Гавайско-императорская цепь подводных гор простирается на северо-запад от Кауаи на тысячи километров, состоящая из более старых вулканов, которые эродировали до уровня моря или ниже. Эти подводные горы фиксируют более раннюю историю гавайской горячей точки и демонстрируют, что та же прогрессия от толеитного базальта до более развитых композиций происходила неоднократно на протяжении всей истории горячей точки. Бурение и отбор проб этих подводных гор предоставили критическое понимание долгосрочного поведения горячей точки и геохимической эволюции ее продуктов.

Выветривание, эрозия и образование почвы из глинистых пород

Волшебные породы Гавайских островов подвергаются обширному выветриванию и эрозии, как только они подвергаются воздействию на поверхность Земли.Теплый влажный тропический климат Гавайев ускоряет химические процессы выветривания, разрушая первичные минералы и высвобождая элементы, которые способствуют образованию почвы.Базальт выдерживает относительно быстро по сравнению с более богатыми кремнеземом породами, производя толстые, плодородные почвы, которые поддерживают пышную тропическую растительность на большей части цепи островов.

Скорость и стиль выветривания зависят от минералогии и текстуры породы. Богатые оливином базальты выпадают особенно быстро, потому что оливин нестабилен в поверхностных условиях Земли, распадаясь на глинистые минералы, оксиды железа и растворенный кремнезем. Плагиокласовый полевой шпат выдерживается медленнее, но все же способствует образованию почвы, поскольку он распадается на глины и выделяет кальций, натрий и алюминий. Железо и магний, выделяемые из ферромагнезианских минералов, включаются во вторичные минералы, такие как гетит, гематит и гиббсит, которые придают гавайским почвам их характерные красные и коричневые цвета.

Почвы, которые развиваются на базальтовых родительских материалах на Гавайях, известны как оксизолы и ультизолы, которые сильно выветрились, глубокие и богатые питательными веществами по сравнению с почвами, развитыми на многих других типах горных пород.Эти почвы поддерживают разнообразную сельскохозяйственную деятельность островов, включая выращивание сахарного тростника, ананаса, кофе и орехов макадамии.Уникальное сочетание базальтового родительского материала, тропического климата и топографии создает профили почвы, которые отличаются от тех, которые встречаются в большинстве других частей мира.

В процессах эрозии на Гавайях преобладают осадки и потоки ручьев, важную роль играют также оползни и массовое истощение.Крутые склоны щитовых вулканов подвержены интенсивной эрозии во время сильных осадков, порождая глубокие долины, крутые хребты и эффектные морские скалы.Каньон Ваймеа на Кауаи, часто называемый Большим каньоном Тихого океана, является драматическим примером эрозии в базальтовую вулканическую груду, обнажая сотни метров слоистых лавовых потоков.

Долговечность и проницаемость магматических пород также контролируют поток грунтовых вод на островах.Слоевая природа потоков лавы создает сложные системы водоносных горизонтов, в которых проницаемые зоны, такие как лавовые трубы, щебень и трещины базальта, позволяют воде двигаться относительно свободно, в то время как менее проницаемые зоны, такие как плотные внутренние потоки и выветрившиеся поверхности, ограничивают поток.Эти системы подземных вод необходимы для водоснабжения островов и поддержки экосистем, которые развились на вулканических ландшафтах.

Игнезированные ресурсы и использование человеком

Магматические породы Гавайских островов использовались людьми на протяжении тысяч лет, от самых ранних полинезийских поселенцев до современных строительных производств.Базальт был основным материалом, используемым древними гавайцами для инструментов, оружия и религиозных сооружений.Плотная, прочная природа базальта делала его идеальным для адзе, фунтеров и других орудий, которые требовали острых краев и ударопрочности.Карьеры по островам, особенно на Мауна-Кеа, были источниками высококачественного базальта, который торговался по всему архипелагу.

Современные виды использования гавайских магматических пород включают строительный агрегат, размерный камень и материалы для озеленения. Расточенный базальт широко используется в качестве дорожной основы, бетонного агрегата и заполняет материал в строительных проектах по всем островам. Темный цвет и мелкое зерно базальта делают его привлекательным для декоративных применений, и он используется в стенах, дорожках и садовых особенностях по всему Гавайям. Пемза, везикулярное вулканическое стекло, которое образуется во время взрывных извержений, также собирается и используется в качестве легкого агрегата и абразивного материала.

Геотермальная энергия является еще одним важным ресурсом, связанным с магматической активностью на Гавайях. Тепло от мантийного шлейфа и мелководных магматических камер под активными вулканами производит высокие геотермальные градиенты, которые можно использовать для производства энергии. Геотермальное предприятие Пуна на Большом острове Гавайи производит электроэнергию из геотермального пара с 1990-х годов, обеспечивая возобновляемый источник энергии, который снижает зависимость островов от импортного ископаемого топлива.

Вулканические ландшафты сами по себе являются крупным экономическим ресурсом благодаря туризму. Драматические пейзажи Гавайских островов, включая активные вулканы, лавовые потоки, вулканические кратеры и уникальные скальные образования, которые являются результатом многолетней эрозии, привлекают миллионы посетителей каждый год. Национальный парк Гавайских вулканов на Большом острове является одним из самых посещаемых туристических направлений в штате, предлагая посетителям возможность наблюдать активный вулканизм и магматические породы, которые он производит в безопасной, управляемой среде.

Геологические опасности, связанные с посторонними камнями и извержениями

Те же магматические процессы, которые строят Гавайские острова, также представляют значительную геологическую опасность. Лавовые потоки от базальтовых извержений могут разрушить собственность, инфраструктуру и сельскохозяйственные угодья. Извержение Килауэа 2018 года разрушило более 700 домов и нанесло значительный ущерб дорогам и коммунальным услугам в районе Пуна. В то время как потоки лавы движутся достаточно медленно, что они редко вызывают прямые смертельные случаи, их разрушительная сила огромна и они могут навсегда изменить ландшафт.

Выбросы вулканического газа являются еще одной опасностью, связанной с гавайскими извержениями.Диоксид серы, выделяющийся из извергающихся жерл, может образовывать вулканический смог, известный в местном масштабе как вог, который может вызывать респираторные проблемы для жителей и посетителей и наносить ущерб культурам и другой растительности. Долгосрочная эруптивная активность Килауэа вызвала устойчивую вог, которая влияет на качество воздуха на Большом острове и иногда достигает других островов в зависимости от характера ветра.

Деформация грунта, в том числе подъем и оседание, сопровождает движение магмы под поверхностью. Инфляция вулкана, когда магма заполняет мелкие камеры, может вызвать трещины в земле и может дестабилизировать склоны, создавая опасность оползней. Крах вершины Килауэа в 2018 году, который привел к падению большого кратера ямы, когда пол кальдеры вершины упал более чем на 500 метров, является примером драматической деформации грунта, которая может произойти во время крупного извержения.

Взрывные извержения, хотя и менее распространенные на Гавайях, чем эффузивные извержения, представляют собой собственный набор опасностей. Осадки могут покрывать большие площади, нарушая транспорт, сельское хозяйство и повседневную жизнь. Пирокластические потоки и всплески могут путешествовать на высоких скоростях и с разрушительными температурами. Хотя такое извержение не происходило на Гавайях в историческое время, геологические записи показывают, что взрывные извержения происходили в прошлом и могли произойти снова, особенно на старых островах, где более развитые магмы производят более вязкие извергательные продукты.

Понимание типов магматических пород и их связи с извергательными процессами имеет важное значение для оценки опасности и смягчения последствий на Гавайях. Геологи используют горную запись для реконструкции прошлого эруптивного поведения, выявления наиболее вероятных сценариев извержения и информирования о планировании землепользования и реагировании на чрезвычайные ситуации. Детальное знание вулканической геологии острова, накопленное за десятилетия исследований, обеспечивает основу для безопасной жизни с продолжающейся вулканической активностью, которая продолжает формировать Гавайские острова.

Изучение магматических пород на Гавайях далеко не завершено. Новые аналитические методы, улучшенные геохронологические методы и продолжающиеся полевые работы обещают дать более глубокое понимание процессов, которые генерируют, транспортируют и извергают магму в этой знаковой вулканической системе. Каждое новое исследование добавляет к пониманию того, как образовались острова, как они продолжают развиваться и что ждет будущее этой динамичной и геологически замечательной части мира.