המבנים הגעשיים בשדות אלה עשויים להיות חרוטי אפר, מארים, חרוטי וטבעות טוף, חרוטי מגן קטנים וכיפות לבה. הרי געש המונוגנטיים מקובצים באשכולות בתוך השדה הגעשי ועשויים ליצור שרשרות קוויות לאורך מבנים טקטוניים דוגמת העתקים. שדות געשיים נוצרים גם בשולי הרי געש שכבתיים או חרוטי מגן גדולים, וכן להימצא בתוך קלדרות – שם הם לרוב נפוצים לאורך רצועות בקעים. פעילותם של הרי געש מונוגנטיים לאורך תקופות של מאות, אלפי ומיליוני שנים, עשויה להסתיים בשדות געשיים נרחבים המורכבים ממאות ואף אלפי הרי געש, ולצבור נפחים הקרובים לאלה של הרי געש שכבתיים יחידים.
מחקר.
מחקר של שדות געשיים היה אחד התחומים הראשונים במחקר הוולקנולוגי. הגאולוג ניקולה דמארה מיפה בשנת 1766 חרוטי אפר בשדה הגעשי שן דה פוי (Chaîne des Puys) באוברן – במיוחד את הכיפה הגעשית פוי דה דום (Puy de Dôme) – ויצר בתוך כך את אחת המפות הגאולוגיות המדויקות הראשונות, שלדברי צ'ארלס לייל ניחנה ב"דיוק מדוקדק ועוצמה גרפית נערצת". אחת מתרומותיו החשובות ביותר של דמארה הייתה תיארוך חרוטי האפר באברן, תוך שימוש בגאומורפולוגיה שלהם והסופרפוזיציה של זרמי הלבה אחריהם עקב בזהירות למקורם בצינורות ההזנה במידת האפשר. הטכניקות של דמארה שימשו וולקנולוגים מאוחרים במיפוי שדות געשיים.
בין השנים 1759-1774 התרחשה התפרצות בהר הגעש אל חורויו במקסיקו, השוכן בשדה הגעשי מיצ'ואקאן-גואנחואטו, שמשכה תשומת-לב נוספת לשדות געשיים. גאולוגים כאלכסנדר פון הומבולדט, צ'ארלס לייל וג'ורג' סקרופ תיעדו מספר גדול של חרוטים מסביב להר הגעש, והבינו שחרוטים אלה נוצרו במהלך אפיזודות געשיות של אל חורויו. התפרצות זו ותיעוד של התפרצות קודמת שהתרחשה באותו שדה – בפריקוטין, בין השנים 1943-1952 – הובילו למיפוי שיטתי יותר של האזור.
מחקרים עכשוויים בשדות געשיים משתמשים בשיטות תיארוך מתקדמות ובטכניקות גאופיזיות וגאוכימיות לתיאור קצב הפעילות ומשכה, וכן מיקומם הטקטוני של השדות. רבים ממחקרים אלה התמקדו בתפוצה ובעיתוי של הגעשיות על-מנת להבין טוב יותר את התהליכים השולטים באספקת המאגמה ובהובלתה. מחקרים רבים שקלו את התפתחותם של השדות הגעשיים במונחים של מיקומים נאו-טקטוניים אזוריים, ואת השפעת המבנה הגאולוגי – למשל, העתקים – על תפוצת צינורות ההזנה. מחקרים אחרים התמקדו בהתפתחות הפטרולוגית של שדות געשיים במהלך הזמן, בניסיון לייחס שינויים פטרוגנזיים לשינויים בקצב ובדפוסי הגעשיות. ביחד מספקים כל המחקרים הללו תובנות מעמיקות על הוולקנולוגיה של שדות געשיים. תובנות אלה משמשות במידה הולכת וגוברת להערכת סיכונים ארוכי-טווח הקשורים בשדות געשיים הממוקמים סמוך ליישובים או למתקנים רגישים כתחנות כוח – בעיקר גרעיניות – ונמלים. סיכונים כאלה מהווים מניע חשוב לשיפור מודלים לחיזוי התפרצויות.
היווצרות שדה געשי.
הרעיונות המוקדמים הנוגעים להיווצרות שדות געשיים כללו לעיתים קרובות התכה חלקית נרחבת ועליית מאגמה מבעד למבנים קיימים אל פני השטח. במודל כזה, שיעורי הגעשיות יושפעו מתהליכים המתרחשים בקרום, יותר מאשר משיעור היווצרות המאגמה. קל להבין את מקורם של רעיונות אלה: בשדות געשיים רבים נראה הקרום כ"דולף" בזלת מכל סדק והעתק. עם זאת, מודל זה אינו מתיישב עם הפטרוגנזיה של שדות געשיים בזלתיים – שכמעט תמיד מערבת שיעורים נמוכים של התכה חלקית ותוצריה, הנובעים ממגוון רחב של עומקים בליתוספירה, באסתנוספירה או בשתיהן. נתכים אלה אינם ממתינים תקופה ממושכת בקרום או במעטפת העליונה לתהליכים טקטוניים שיסייעו בפליטתם, אלא – כפי שמצביעים מחקרים עדכניים – תפוצת הגעשיות בשדות היא תוצאה טבעית של ייצור מאגמה מתמשך בשיעורים נמוכים. עם זאת, גם שיעורי מתיחה והפחתה משפיעים במידה רבה, מאחר שלתהליכים אלה השפעה משמעותית על שיעורי ההתכה החלקית.
מודל תרמו-פיזיקלי שפותח לתפוצת אשכולות הרי הגעש בשדות געשיים מבוסס על תצפיות בשדה הגעשי קליוצ'בסקוי (Ключевской группе) בקמצ'טקה. המודל מראה כי הרי געש מרכזיים מתפתחים כאשר אספקת המאגמה מספיקה לשמור על אנומליה תרמית בצינור ההזנה המרכזי. מוליך זה מאפשר מסלול הולכה באנרגיה נמוכה אל פני השטח, כל עוד נשמרת האנומליה התרמית. שיעורי אספקת המאגמה בשדות געשיים היא כה נמוכה, עד כי המוליכים – צינורות ההזנה – אינם נשמרים בין התפרצות להתפרצות. מאגמה חדשה – העולה באפיזודה געשית חוזרת – תמצא את דרכה אל פני השטח, ולא תיאגר בתאי מאגמה רדודים. לכן, שיעורים נמוכים של הסעת חום – הנובעים משיעורים נמוכים של התכה – יובילו להיווצרותם של שדות געשיים.
מודל זה נתקף בטענה כי גם שיעורי המתיחה הליתוספירית מהווים מרכיב חשוב בהיווצרות השדות. תמיכה לטענה זו התקבלה בניסויים פיזיקליים ואנלוגיים, שהראו כי קיומם של מקבצי סדקים ודייקים מתאפשר בליתוספירה שחלה בה מתיחה בשיעורים נמוכים, יותר מאשר בליתוספירה שחלים בה שיעורים גבוהים יותר של מתיחה. על-פי הניסויים, הרי געש נפוצים יותר באזורים של מתח ליתוספירי גבוה, בהם פוחתת היווצרות דייקים ואגירת מאגמה. לכן, בשדות געשיים יכולה להתפתח געשיות דו-אופנית כתגובה לשינויים בשיעורי ההתכה, המתיחה או בשניהם. מחקר זה מספק מנגנון יסודי לתצפיות, המראות כי שיעורים נמוכים של הפקת מאגמה ושיעורים גבוהים של מתיחה מסתיימים בהיווצרותם של שדות געשיים – יותר מאשר בהיווצרותם של הרי געש מרכזיים.
מאפיינים של שדות געשיים.
שדות געשיים מקיפים שטחים ונפחים גדולים. שדות קטנים מכילים עד 50 צינורות המשתרעים על שטח המגיע ל-1,000 קמ"ר. שדות גדולים מכילים יותר מ-100 צינורות ומשתרעים על שטח של יותר מ-1,000 קמ"ר. פעילותם של שדות נעה על-פני תקופות ארוכות של זמן – יותר ממיליון שנים. לשדות געשיים רבים קשר למאפיינים טקטוניים כאגנים, העתקים ורצועות בקעים.
מאפיינים יסודיים של שדות געשיים כוללים:
אינטנסיביות געשית.
העיתוי של פעילות געשית הפך לנושא מרכזי במחקר של שדות געשיים. קביעת גילם של לועות יחידים משמשת להערכת האינטנסיביות הגעשית – שיעור ההישנות לאורך זמן של פעילות געשית – ולתיאום קצב הגעשיות עם גורמים אחרים דוגמת תנועת הלוחות, קצב התפשטות הקרום ושינויים בפטרולוגיה. שיטות התיארוך של השדות כולל תיארוך יחסי של זרמי לבה – הכולל שימוש בעקרונות סטרטיגרפיים, תיארוך פלאומגנטי, גאומורפולוגיה של המבנים החרוטיים ותיארוך רדיומטרי של צינורות ההזנה. לעיתים קרובות מיושם מגוון רחב של שיטות תיארוך ומקושר למיפוי הגאולוגי לצורך הגדרת כרונולוגיית ההתפרצויות בשדה. גם כאשר קביעת גיל היא אפשרית, עשוי להיווצר בלבול בהגדרת האירועים הגעשיים המשמשים להערכת שיעורי ההישנות. באופן אידיאלי, הערכת גילם של אירועים געשיים בשדה תתאים להתפרצויות געשיות ידועות.
אחת הסיבות לבלבול היא כי התפרצויות געשיות מאוחרות מטשטשות לעיתים קרובות – או אף מוחות לחלוטין – עדויות לפעילות קודמת. הגדרה שקל יותר ליישם מבוססת על גאומורפולוגיה: מבנה יחיד – דוגמת חרוט אפר או מאר – מייצג אירוע געשי אחד. לחלופין, אירועים געשיים יכולים להיות מוגדרים כיחידות-התפרצות שניתן למפות, כאשר כל יחידה מהווה מכלול של תוצרים געשיים המייצגים מקור געשי אחד. הגדרה זו יכולה להיות מסובכת יותר כאשר נוצרים תוצרים מרובים באירוע געשי אחד. דוגמה: במהלך התפרצות אחת בקליוצ'בסקוי נפערו שלושה לועות סמוכים, שיצרו את חרוטי האפר החדשים של מתחם טולבצ'יק (Толбачик). היערכות החרוטים – המייצגת אירוע געשי אחד – נמשכת בקו ישר הנמתח משלושה חרוטים הולוקניים קודמים, ויוצרת התיישרות לאורך כ-5 ק"מ. עם זאת, בבדיקת התיעוד הגאולוגי קשה לקבוע אם חרוטים אלה מייצגים אירוע געשי אחד, שניים או שישה. היערכויות דומות נמצאו בכמה שדות געשיים.
במערכות געשיות ישנות ובלויות עשויות עדויות לקיומם של צינורות הזנה – דוגמת "ניצנים" שלהם ואזורי ברקציה – להעיד על אירועים געשיים בעבר. במערכות כאלה, כי מספר הדייקים המגיעים לקרום הרדוד עשוי להעיד על מספר הפתחים שנוצרו על-פני השטח. גם במקומות בהם קיים מיפוי מפורט – קיבוץ הדייקים והפתחים לאירועים געשיים מסוימים הוא בעייתי.
בעיה נוספת עשויה להתעורר כאשר ממוצעים ארוכי-טווח עשויים "להחליק" שינויים משמעותיים בקצבי הישנות בטווח קצר יחסית – כ-100 אלף שנים. בנוסף, געשיות אפיזודית יכולה ליצור שינויים בקצב ההישנות ביחס לממוצעים ארוכי-טווח. על כן, קביעת לוחות זמנים לאפיזודות כאלה מהווה אתגר משמעותי.
קצבי הישנות ממוצעים של אירועים געשיים הם בפשטות: מדידה של הפעילות היחסית בשדה געשי לאורך זמן. עם זאת, ניתוחים מפורטים יותר גילו נטיות-זמן משתנות הקשורות לנפחי ההתפרצויות ולקצב הפעילות. לדוגמה, הנפח המצטבר של בזלת וריוליט בשדה הגעשי קוסו (Coso) בקליפורניה הוא ליניארי באופן בלתי-רגיל לאורך זמן. כלומר: התפרצויות חוזרות מתרחשות במרווחי-זמן התלויים בנפחן של התפרצויות קודמות. במקרה זה שימש היחס הליניארי על-מנת לחזות את עיתוין של התפרצויות עתידיות. דפוס דומה של פעילות זוהה בשדה הגעשי ספרינגוויל (Springerville) באריזונה, אך דווקא מיקומם של זרמי לבה – ולא נפחם – שימש להערכת קצב פליטת המאגמה. הסיבה: בשל עוביים מגוונים של זרמי הלבה קשה היה להעריך את נפחם. בשדה זה עלה קצב ההישנות ואז דעך עד לפני 300,000 שנים, על אף שינויים מהותיים בגאוכימיה של הבזלות שנפלטו בו.
דפוסים מרחביים.
האופי האפיזודי של געשיות בנפח קטן נחשף באמצעות דפוסים מרחביים, הנובעים מתפוצת צינורות ההזנה בשדה הגעשי. מחקרים של דפוסים מרחביים גילו את הנתונים הבאים: