הרי געש הם ביטוי לחום העצום האצור במעמקי כדור הארץ – חום שיש בו כדי להתיך סלעים. צפיפותו של הסלע המותך, המאגמה, קטנה מזו של הסלע המוצק המרכיב את קרום כדור הארץ, ועל כן המאגמה עולה באטיות. במקומות שבהם מגיעה המאגמה אל פני כדור הארץ מתקיימת פעילות געשית, העשויה להתרחש בשני אזורים גאולוגיים: בגבול בין לוחות טקטוניים ובנקודה חמה, שעל פי הסברה המקובלת נוצרת כתוצאה מהסעת חום מגלעין כדור הארץ באמצעות תימרת מעטפת.
התחום המדעי העוסק בחקר הרי געש נקרא "וולקנולוגיה", והוא ענף בתחום מדעי הגאולוגיה.
מחקר הרי געש.
בעת העתיקה, הפילוסוף היווני אמפדוקלס ראה את העולם כמחולק לארבעה כוחות יסוד: אדמה, אוויר, אש ומים, כאשר הרי געש הם ביטוי ליסוד האש. אפלטון גרס כי כמויות בלתי נדלות של מים חמים וקרים זורמים בנהרות תת-קרקעיים, וכי בעומק כדור הארץ מתפתל נהר אדיר של אש, (Pyriphlegethon), המזין את הרי הגעש בעולם. אריסטו ראה באש התת-קרקעית תוצאה של חיכוך הרוח בסלע כאשר היא חודרת מבעד למעברים צרים. הפילוסוף הרומי לוקרטיוס טען כי הר הגעש אֶטנה חלול, וכי האש התת-קרקעית הבוקעת ממנו מוזנת על ידי רוחות עזות המנשבות על פני הים. אובידיוס האמין כי הלהבות מוזנות באמצעות "מאכלים שמנים" וכי התפרצויות געשיות דועכות כאשר אוזל מקור ההזנה. ויטרוביוס טען כי גופרית, אלום (אבן מלח המורכבת מגופרת אשלגן וגופרת חמרן) וביטומן הם שמזינים את האש התת-קרקעית. תצפיות שערך פליניוס הזקן העלו כי רעידות אדמה קדמו בדרך כלל להתפרצות הר געש; הוא עצמו נהרג כתוצאה מהתפרצות הר הגעש וזוב בשנת 79, התפרצות שתועדה על ידי אחיינו פליניוס הצעיר.
תיאורים של הרי געש בתקופת הרנסאנס, כגון תיאור זרם פירוקלסטי באיים האזוריים בשנת 1580, קידמו במידה ניכרת את הידע שהיה קיים באותה עת. גאורגיוס אגריקולה טען כי לקרני השמש אין כל קשר להרי געש, והאמין כי תרסיס הנמצא בלחץ רב גורם להתפרצויות של "שמן הרים" ובזלת. יוהאנס קפלר ראה בהרי הגעש נתיב לדמעות ולהפרשות של כדור הארץ: בִּיטוּמֶן, זפת וגופרית. דקארט, אשר הכריז כי אלוהים ברא את הארץ ברגע אחד, הכריז גם כי עשה זאת בשלוש שכבות: המעמקים הלוהטים, שכבת המים והאוויר. הרי הגעש נוצרו, לדעתו, כאשר קרני השמש פילחו את הארץ.
במאה ה-18 פיתח הגאולוג הגרמני אברהם גוטלוב ורנר את ה, תאוריה שבבסיסה היה אוקיינוס חובק-כול, שנסוג לאט עד למקומו הנוכחי תוך כדי שיקוע של כל סוגי הסלעים והמינרלים בקרום כדור הארץ. חוקר הטבע הסקוטי ג'יימס האטון יצא נגד תאוריית הנפטוניזם של ורנר עם תאוריה משלו, שכונתה פלוטוניזם (על שם האל פלוטו), שלפיה משקל המים והאדמה מתחת לימים יוצר לחץ שגורם לחום, להתכת האדמה וליצירת לבה הפורצת מהרי געש. האטון הניח כי התהליכים המעצבים את פני כדור הארץ הם איטיים ואחידים (אוניפורמיים), בהתאם להשקפתו הדתית הדאיסטית, שדגלה באל לא-פרסונלי שיצר את העולם כמכונה מושלמת הפועלת ללא הרף. בהתאם, הוא ניסח את עקרון האחידות. לעקרון האחידות קמה במהלך המאות ה-18 וה-19 תנועת התנגדות בדמות ה"קטסטרופיסטים" – שהצביעו על קיומם של מאובנים ימיים באזורים יבשתיים, והגנו על התפיסה שלפיה שינויים גאולוגיים התרחשו באירועים קטסטרופליים בממדים עצומים, כגון המבול המקראי, ולא בהשתנות איטית לאורך מיליוני שנים. כתגובה לקטסטרופיסטים פרסם הגאולוג הסקוטי צ'ארלס לייל ב-1830 את הספר "עקרונות הגאולוגיה" ובו הציג טען בזכות עקרון האחידות על ידי הצגת דוגמאות מרחבי אירופה. לייל, שנחשב לאבי הגאולוגיה המודרנית, סיכם את עקרון האחידות במשפט: "ההווה הוא המפתח לעבר". תאוריות גאולוגיות מודרניות מדברות על שינויים אחידים לאורך שנים לצד שינויים דרסטיים, כמו רעידות אדמה והתפרצויות געשיות, המתרחשים בזמן קצר.
המחקר המודרני מתמקד במעקב אחר התפרצויות געשיות תוך שימוש בסייסמוגרפים הטמונים באזורים געשיים לבדיקת שינויים סייסמיים במהלך התפרצות ובעיקר בחיפוש אחר תדרים הרמוניים המסמנים זרימת מאגמה בצינורות הזנה. כמו כן נערך מעקב אחר שינויים בגודלם ובנפחם של הרי געש, פליטות גזים ושינויי טמפרטורה.
הרקע להיווצרות הרי געש.
כדי להבין את היווצרות הרי הגעש והפעילות המתרחשת בהם, צריך להכיר את מבנה כדור הארץ והחומרים המרכיבים אותו ולהבין את התהליכים המתחוללים בהם.
מבנה כדור הארץ.
כדור הארץ בנוי מ-3 שכבות עיקריות:
קיים גבול דמיוני בין שכבות כדור הארץ השונות המתאפיין בשינוי מהירות, זווית או עוצמה של גלים סייסמיים, דבר שיש בו כדי להעיד על שוני במצב צבירה או בצפיפות. גבולות אלה נקראים "תחומי אי-רציפות", וידועים שלושה: תחום אי-רציפות ג'פריס בין הגלעין החיצוני הנוזלי לגלעין הפנימי והמוצק, תחום אי-רציפות וייכרט-גוטנברג בין המעטפת לגלעין ותחום אי-רציפות מוהורוביצ'יץ' בין קרום כדור הארץ למעטפת.
בחלקו העליון של כדור הארץ מתקיימת חלוקה נוספת, ליתוספירה – שכבה קשיחה הכוללת את קרום כדור הארץ ואת חלקה העליון של המעטפת העליונה, ואסתנוספירה – שכבה גמישה הכוללת את שאר חלקי המעטפת.
תהליכים.
בחלקים השונים של כדור הארץ ובמעברים ביניהם מתרחשים תהליכים רבים הגורמים להיווצרות הרי געש ומשפיעים על אופיים ומיקומם:
היווצרות הר געש.
התפרצות געשית.
התפרצות געשית היא תהליך בו פורצת מאגמה מסדקים בקרום כדור הארץ אל פני השטח ונוצרים הרי געש. המאגמה היא חומר סלעי מותך המכיל תמיסות סיליקטיות בטמפרטורה גבוהה (אלפי מעלות צלזיוס), ומקורה במעטפת כדור הארץ. צפיפות המאגמה נמוכה יחסית לסלעי הקרום, ולכן היא נוטה לעלות כלפי מעלה. כאשר נחסמת דרכה על ידי סלעי הקרום, מתחילה המאגמה להצטבר וליצור מאגר הנקרא תא מאגמה. תא מאגמה מלא יוצר לחץ רב על הסלעים המקיפים אותו, וכאשר נוצרים בהם סדקים – הם משמשים צינורות הזנה שדרכם פורצת המאגמה אל פני השטח. במהלך ההתפרצות נפלטים מן הסדק חומרי פליטה שונים, שחלק מהם נוחתים בסמוך ויוצרים מסביב לסדק סוללה של רסק סלעים, לבה ואפר. כל התפרצות גורמת להיווצרות חומר נוסף המגביה ומעבה את הסוללה, וכך מתפתח הר געש בצורת חרוט.
חומרי פליטה געשיים.
החומרים המשתחררים במהלך התפרצות געשית הם מאגמה, גזים ואדי המים שהיו כלואים בה, וכן הסלעים הבונים את תא המאגמה ואת צינור ההזנה, הנדחפים החוצה מפאת הלחץ הרב. השתחררותם יוצרת תוצרים געשיים:
החומרים הנפלטים במהלך ההתפרצות ונופלים לקרקע נקראים טפרה.
מיון הרי געש.
מבנה.
פליטת הלבה, האפר והסלעים יוצרת הרי געש במבנים שונים, הנובעים מסוג ההתפרצות ומן האופן בו תוצריה מצטברים מסביב ללוע.
חרוט געשי.
לרוב הרי הגעש מבנה אופייני המורכב מחרוט שבפסגתו פעור לוע. כל התפרצות גורמת להצטברות חומר נוסף המגביה ומעבה את הסוללה, וכך מתפתח הר געש בצורת חרוט. חרוטים געשיים הם מהמבנים הפשוטים הנוצרים בהתפרצות געשית, והם נבנים מפליטת חומר מתוך צינור ההזנה ומהרבדה חרוטית של שכבות מסביב ללוע. חרוטים געשיים נבדלים זה מזה בהרכב ובגודל החלקיקים הבונים אותם:
חרוט אפר הוא הצורה הנפוצה ביותר של הר געש וגובהו אינו עולה בדרך-כלל על כמה מאות מטרים. החרוט נוצר מנפילת טפרה – חומר פירוקלסטי המועף מצינור ההזנה לאוויר ושב ונוחת על הקרקע. שכבות החומר נערמות מסביב ללוע בפליטה מחזורית, וביניהן ניתן לעיתים למצוא שכבות לבה. החלקיקים אינם מלוכדים, וגודלם הולך וקטן ככל שמרחקם מהר הגעש גדל. הטפרה – בזלתית או אנדזיטית – נפלטת לרוב בהתפרצות סטרומבוליאנית ובונה הר געש שמדרונותיו ישרים ותלולים שבמרכזו לוע רחב. חרוטי אפר נקראים גם "חרוט טוף" ו"חרוט סקוריה" בשל הרכבם. הרי געש שנוצרו באופן זה הם הר פרס, הר בנטל והר אביטל ברמת הגולן. הר הגעש סֶרוֹ נֶגְרוֹ (Cerro Negro) בניקרגואה נחשב לחרוט האפר הפעיל ביותר בהיסטוריה, אולם המפורסם בהם הוא פריקוטין – חרוט טוף וסקוריה במקסיקו שהיווצרותו ב-1943 התרחשה למול עיניהם של איכרים תושבי כפר סמוך.
חרוט לבה דומה במבנהו לחרוט געשי, אך הוא בנוי מזרמי לבה שהתקררו ונקרשו לסלע ולא מאפר געשי. הר געש חרוטי זה נוצר מזרמים ומקילוחי לבה. גזים הנמצאים בתוך מאגמה דלילה קורעים את הנוזל הלוהט לנתזים הנערמים מסביב לצינור ההזנה. נתזים אלה עדיין חמים כשהם נוחתים על הקרקע, והם נקרשים במגוון צורות תוך שהם "מולחמים" זה לזה. בנייתו של חרוט לבה היא מחזורית ונובעת מהתפרצויות ממושכות המלוות בהפוגות. דוגמאות לחרוט לבה הם קילימנג'רו – הר געש רדום בטנזניה, וקרני חיטין – הר געש כבוי בגליל התחתון.
חרוט מגן.