Физические особенности активных вулканов: структуры и извергательные стили

Физические особенности активных вулканов: структуры и извергательные стили

Активные вулканы являются одними из самых динамичных геологических особенностей Земли, постоянно меняя ландшафты и влияя на экосистемы. Их физические характеристики - от формы конуса до стиля извержения - дают решающее понимание процессов, происходящих глубоко под поверхностью. Понимание этих особенностей - это не только вопрос научного любопытства, но и важно для оценки вулканических опасностей, прогнозирования извержений и защиты сообществ, живущих в вулканических регионах. Это расширенное руководство исследует первичные структуры активных вулканов, различные извергательные стили, которые они проявляют, и отношения между формой, составом и поведением.

Виды активных вулканов, основанные на структуре

Морфология вулкана во многом определяется его извергательной историей, магматическим составом и природой извергаемых материалов.Геологи классифицируют вулканы на несколько основных типов, каждый из которых имеет отличительные физические особенности.

Щитовые вулканы

Щитовые вулканы характеризуются широкими, мягко наклонными профилями, которые напоминают щит воина, уложенный на земле. Они построены почти полностью за счет накопления низковязких базальтовых лавовых потоков, которые проходят большие расстояния до затвердевания. Эти вулканы обычно имеют большую кальдеру на вершине, образованную коллапсом после отвода магмы. Известные примеры включают Мауна-Лоа и Килауэа на Гавайях, а также Питон-де-ла-Фурнез на острове Реюньон. USGS внимательно следит за этими вулканами из-за их частых извержений.

Стратовулканы (Composite Volcanoes)

Стратовулканы — крутые, симметричные конусы, построенные из чередующихся слоев лавовых потоков, вулканического пепла, шлаков и блочной тефры. Их поведение чередуется между эффузивными и взрывоопасными извержениями, производя одни из самых катастрофических событий в зарегистрированной истории. Примерами являются гора Фудзи в Японии, гора Везувий в Италии, гора Ренье в США и гора Мерапи в Индонезии. Слоистая структура этих вулканов делает их особенно склонными к обрушению флангов и лавинам обломков.

Конусы Синдера

Конусы золы являются самым простым и самым маленьким типом вулкана, образующегося, когда заряженная газом магма выбрасывается взрывным образом и падает обратно в виде скопий или шлаков вокруг вентиляционного отверстия. Они обычно имеют кратер в форме чаши на вершине и крутые стороны со склонами от 30 до 40 градусов. Хотя конусы лука часто моногенетические (извергаются только один раз), они могут появляться в кластерах, называемых вулканическими полями. Примеры включают Парикутин в Мексике и Кратер Заката в Аризоне.

Купола лавы

Лавовые купола — это луковичные, крутые курганы, образованные медленным экструзией высоковязких лав, обычно андезитических или риолитных. Поскольку лава не может течь далеко, она накапливается вокруг вентиляционного отверстия, часто создавая купол, который может быть разрушен взрывным коллапсом. Рост купола часто сопровождается пирокластическими потоками. Извержение вулкана Сент-Хеленс 1980 года произвело видный лавовый купол, а вулкан Суфриер-Хиллз на Монтсеррате продемонстрировал постоянную деятельность по строительству куполов. Программа глобального вулканизма Смитсоновского института отслеживает события строительства куполов по всему миру.

кальдеры

Кальдера — это большие, бассейнообразные впадины, образующиеся при обрушении вершины вулкана в частично опустошенную магматическую камеру. Они могут быть нескольких километров в диаметре и могут позже заполняться водой для образования кратерных озер. Кальдераобразующие извержения являются одними из самых мощных на Земле, такими как древнее извержение Йеллоустонской кальдеры и извержение Кракатау 1883 года. Некоторые кальдеры, такие как Кратерное озеро в Орегоне, являются постколлапсными особенностями, модифицированными последующей вулканической активностью.

Основные вулканические структуры и их роли

Независимо от типа вулкана, существуют некоторые фундаментальные структуры, которые управляют динамикой извержения. Понимание этих компонентов помогает вулканологам интерпретировать данные мониторинга и предвидеть извержение.

Магма-камера

Магматическая камера — подземный резервуар расплавленной породы, расположенный под вулканом. Она является источником извергаемого материала. Размер, глубина и форма камеры влияют на частоту и объем извержения. По мере роста магмы она может задержаться в мелкой камере, прежде чем ее вынудят подняться вверх в канал. Изменения давления внутри камеры часто обнаруживаются как деформация земли или сейсмические рои.

Кондуктор и вентилятор

Провод — это основной путь, по которому магма проходит от камеры к поверхности. Это может быть единая трубоподобная структура или сложная сеть трещин. Вентиляционное отверстие — это отверстие на вершине или на фланге, через которое утекают магма и газы. Венты могут быть активными в течение веков или блокироваться затвердевшей лавой, что приводит к нарастанию давления и взрывной очистке.

кратер

Кратер представляет собой чашеобразную впадину на вершине вулкана, обычно охватывающую от нескольких сотен метров до километра в диаметре. Он образуется взрывными раскопками или обвалом. Кратер часто содержит основное вентиляционное отверстие и может содержать лавовое озеро, фумаролы или небольшой конус. В стратовулканах кратер вершины может со временем увеличиваться из-за повторных взрывов, иногда превращаясь в кальдеру.

конус

Конус — это здания, построенные извергнутыми материалами. Его форма — широкая для щитовых вулканов, крутая для шлаковых конусов и слоистая для стратовулканов — отражает доминирующий эруптивный стиль и магматическую реологию. Эрозия, оползни и коллапсы сектора могут со временем изменять форму конуса, как видно на подковообразном шраме на горе Сент-Хеленс.

Фланк Вентс и Фланк Вентс

Многие извержения происходят не на вершине, а через линейные трещины, называемые трещинами, которые открываются на фланге вулкана.Извержения трещин распространены в щитовых вулканах, таких как Килауэа, где лавовые фонтаны вдоль рифтовых зон производят обширные лавовые поля. Фланковые жерла могут также возникать на стратовулканах, часто влияя на асимметрию конуса.

Фумаролы и геотермальные поля

Активные вулканы выделяют пар, углекислый газ, диоксид серы и другие газы через вентиляционные отверстия, называемые фумаролями. Эти особенности указывают на гидротермальную активность и иногда предшествуют эруптивным фазам. Геотермальные поля, окружающие вулканы, часто используются для получения энергии, но также представляют опасность из-за кислой воды и нестабильности грунта.

Эруптивные стили: от нежных потоков до катастрофических взрывов

Способ, которым магма достигает поверхности и взаимодействует с окружающей средой, диктует эруптивный стиль. Извержения классифицируются на основе взрывоопасности, продолжительности и характера извергаемых продуктов. Индекс вулканической взрывоопасности (VEI) обеспечивает шкалу от 0 (невзрывная) до 8 (мега-колоссальная).

Эффузивные извержения: гавайский стиль

Гавайские извержения характеризуются относительно мягким излиянием базальтовой лавы низкой вязкости. Лавовые фонтаны могут достигать десятков и сотен метров в высоту, но отсутствие значительного давления газа означает небольшую фрагментацию. Эти извержения производят потоки лавы, которые могут проходить много километров, создавая широкие щитовые вулканы. Извержения могут быть непрерывными в течение нескольких месяцев или лет, как долгоживущее извержение Пуу-Оо Килауэа.

Стромболианские извержения

Названные в честь вулкана Стромболи в Италии, эти извержения умеренно взрывоопасны, испуская богатую газом магму импульсами, которые выбрасывают раскаленные скопии, лапилли и бомбы, которые падают вокруг жерла, создавая шлакообразные конусы. Стромболианская активность распространена во многих вулканах по всему миру, включая Пакайю в Гватемале и Эребус в Антарктиде.

Вулканические извержения

Вулканические извержения — недолговечные, но сильные взрывы, которые производят темные, пепловые колонны, достигающие нескольких километров в высоту. Они происходят, когда вязкая магма затыкает трубопровод и давление строит, пока пробка не будет вырвана. Типичными являются пирокластические падения и баллистические блоки. Такие события наблюдались на горе Сакураджима в Японии и на острове Вулкано, после чего назван стиль.

Плинийские извержения

Плинийские извержения являются наиболее мощным и опасным стилем, названным в честь римского историка Плиния Младшего, который описал извержение Везувия в 79 году н.э. Эти устойчивые извержения выбрасывают огромные объемы газа и тефры в стратосферу, образуя возвышающиеся столбы пепла, которые могут распространять пепел по континентам. Колонны могут разрушаться, чтобы генерировать смертельные пирокластические потоки и всплески. Исторические события Плинийского периода включают извержение горы Пинатубо в 1991 году и извержение Кракатау в 1883 году. Обсерватория Земли НАСА предоставляет спутниковые снимки таких извержений.

Сурцеянские и фреатомагматические извержения

Когда магма взаимодействует с водой — либо грунтовыми водами, либо кратерным озером, либо морской водой — извержение становится взрывоопасным из-за быстрого расширения пара. Извержения Сурцеяна, названные в честь острова Суртсей в Исландии, отмечены сильными взрывами, которые создают туфовые конусы или туфовые кольца. Фреатомагматическая активность может происходить на любом вулкане и часто производит богатые золой отложения с аккреционными лапилли. Извержение 1969 года горы Таал на Филиппинах показало фреатомагматические взрывы в своем кратерном озере.

Подледниковые извержения

Извержения под ледниками редки, но производят отличительные особенности, такие как туи (плоские вулканы). Взаимодействие со льдом приводит к быстрому затуханию лавы и генерации талых вод (jökulhlaups). Примеры включают извержения под ледяной шапкой Ватнайёкюдль в Исландии.

Факторы, контролирующие извергательный стиль

Физические особенности и извергательный стиль вулкана не являются независимыми; они контролируются тремя основными факторами: составом магмы, растворенными летучими веществами и температурой.Понимание этих факторов позволяет вулканологам моделировать поведение извержения.

Состав магмы и вязкость

Базальтовые магмы имеют низкую кремнеземную вязкость (около 45-52%) и обладают низкой вязкостью, что позволяет газу легко уходить, что приводит к эффузивным извержениям. Андеситная и риолитная магма богаче кремнеземом (до 75%) и гораздо более вязкой. Высокая вязкость улавливает газы, повышая внутреннее давление и приводя к взрывной фрагментации. Вулканы, питаемые кремниевой магмой, часто имеют крутые конусы, лавовые купола и историю плинианской активности.

Нестабильный контент

Магма содержит растворенную воду, углекислый газ, диоксид серы и другие газы. По мере того, как магма поднимается, уменьшающееся давление ограничения позволяет образовывать пузырьки. Количество и скорость расширения этих пузырьков приводят к взрывоопасности. Вулканы зоны субдукции (например, в Кольце Огня) обычно имеют более высокое содержание воды из-за входа океанической коры, что делает их более взрывоопасными, чем вулканы горячей точки, такие как Гавайи.

Ставка предложения и геометрия каналов

Скорость, с которой магма подается с глубины, влияет на то, является ли извержение устойчивым или прерывистым. Высокий уровень подачи способствует эффузивной активности, если газ может разъединяться, в то время как низкий уровень подачи может позволить образоваться пробке. Диаметр и форма трубопровода также влияют на поток; узкий канал может охлаждать магму и увеличивать вязкость, способствуя взрывоопасному очистке.

Опасные последствия вулканических структур и извержений

Различные физические особенности и эруптивное поведение представляют собой различные опасности для населения и инфраструктуры. Стратегии обеспечения готовности и смягчения последствий зависят от точного картирования и мониторинга опасности.

Лавовые потоки

Извержения, приводящие к извержениям, приводят к образованию лавовых потоков, которые разрушают собственность и землю, но являются медленными и редко смертельными. Меры по смягчению последствий включают в себя диверсионные барьеры и тщательное планирование землепользования. Извержение Килауэа в 2018 году разрушило сотни домов, но прямых смертельных исходов от самой лавы не произошло.

Пирокластические потоки и выросты

Эти горячие, быстро движущиеся смеси газа и тефры являются наиболее смертоносной вулканической опасностью. Они возникают во время взрывных извержений и могут путешествовать со скоростью более 200 км/ч, сжигая все на своем пути. Пирокластические потоки представляют собой серьезную опасность на стратовулканах, таких как Мерапи, Унзен и Монтсеррат. Извержение 1985 года Невадо-дель-Руис в Колумбии произвело небольшой пирокластический поток, который растопил ледниковый лед, вызвав разрушительный лахар.

Эшфолл и Тефра

Пеплопад может покрывать обширные области, вызывая проблемы с дыханием, обрушение домов от веса, нарушение воздушного движения и загрязнение водоснабжения. Плинийские извержения распространяют пепел по континентальным масштабам — облако пепла Пинатубо 1991 года повлияло на глобальный климат. Системы непрерывного мониторинга и раннего предупреждения помогают смягчить воздействие пепла. Руководящие принципы готовности к вулканам FEMA предлагают практические рекомендации для сообществ.

Вулканические газы

Диоксид серы, углекислый газ и фторид водорода выделяются во время извержений и через фумаролы. СО2 тяжелее воздуха и может накапливаться в впадинах, удушающих людей и животных. В Мамонтовой горе, штат Калифорния, зоны уничтожения деревьев являются свидетельством диффузных выбросов CO2. Сети мониторинга газа обеспечивают раннее предупреждение о движении магмы.

Лахарс

Лахары — вулканические сели, которые состоят из пепла и мусора, смешанного с водой. Их могут спровоцировать осадки на рыхлой тефре, или таяние снега и льда во время извержения. Трагедия Армеро 1985 года в Колумбии, в результате которой погибли 23 000 человек, была вызвана лахаром из Невадо-дель-Руис. Точное картирование путей лахара и системы сирен спасают жизни.

Цунами

Вулканический коллапс или подводные взрывы могут генерировать цунами. Извержение Кракатау в 1883 году вызвало цунами, в результате которых погибли 36 000 человек. События кальдеры-коллапса, такие как извержение бронзового века Санторини, также вызвали гигантские волны. Прибрежные сообщества вблизи активных вулканов требуют оценки опасности и маршрутов эвакуации.

Мониторинг физических особенностей активных вулканов

Современная вулканология опирается на набор инструментов для отслеживания изменений в вулканических структурах и поведении. Сейсмометры обнаруживают подземные толчки и землетрясения, указывающие на движение магмы. Тилтметры и станции GPS измеряют деформацию земли - инфляцию или дефляцию конуса - которые сигнализируют о активности магматических камер. Газовые спектрометры и тепловые камеры контролируют выбросы и тепловой поток. Спутниковая радиолокационная интерферометрия (InSAR) фиксирует тонкие изменения поверхности по всем вулканическим зданиям.

Долгосрочный мониторинг вулканов Килауэа, горы Сент-Хеленс и Этна позволил получить подробные наборы данных, связывающие структурные изменения с эруптивными переходами. Например, наступлению роста купола на горе Сент-Хеленс предшествуют сейсмические рои и увеличение выбросов газа. Понимание этих связей позволяет ученым своевременно выдавать предупреждения.

Заключение

Физические особенности активных вулканов — их конусы, кратеры, вентиляционные отверстия и внутренняя сантехника — тесно связаны с извергательными стилями, которые они демонстрируют. От пологих склонов щитовых вулканов до крутых флангов стратовулканов, каждая структура рассказывает историю поведения магмы, тектонической обстановки и истории извержений. Признание этих моделей имеет важное значение для оценки опасности и смягчения риска. По мере расширения технологий мониторинга и глобальных баз данных наша способность связывать вулканическую форму с будущим поведением продолжает улучшаться, помогая сообществам жить более безопасно в тени этих грозных природных особенностей.

Далее читать: Программа по изучению опасности вулканов USGS предоставляет данные в реальном времени и образовательные ресурсы. Для глобальной перспективы Смитсоновская программа Global Volcanism Program ведет еженедельные отчеты о деятельности и каталоги извержений.