Вулкан

Вулкан (от лат. Vulcanus) — эффузивное геологическое образование, имеющее выводное отверстие (жерло, кратер, кальдера) или трещины, из которых горячая лава и вулканические газы поступают на поверхность из недр планеты, или поступали ранее. Возвышенность, сложенная эффузивными горными породами.
Вулканы возникают на земной коре и других планетах, где магма выходит на поверхность, выделяя различные продукты вулканизма, которые образуют холмы и горы.
Слово «вулкан» происходит от имени древнеримского бога огня — Вулкана (лат. Vulcanus или Volcanus). Его мастерская была на острове Вулькано (Италия).
Вулканология — наука, изучающая вулканы. Вулканолог — учёный, изучающий вулканы.
Производные понятия:
Наиболее интенсивно вулканизм проявлен в следующих геологических обстановках:
Вулканы на Земле делятся на два типа:
На суше насчитывается около 900 активных вулканов (см. список крупнейших вулканов ниже), в морях и океанах их число уточняется.
Период извержения вулкана может продолжаться от нескольких дней до нескольких миллионов лет.
Астрофизики, в историческом аспекте, считают, что вулканическая активность, вызванная, в свою очередь, приливным воздействием других небесных тел, может способствовать появлению жизни. В частности, именно вулканы внесли вклад в формирование земной атмосферы и гидросферы, выбросив значительное количество углекислого газа и водяного пара. Так, например, в 1963 году в результате извержения подводного вулкана у юга Исландии возник остров Сюртсей, который в настоящее время является площадкой для научных исследований по наблюдению зарождения жизни.
Учёные также отмечают, что слишком активный вулканизм, как например, на спутнике Юпитера Ио, может сделать поверхность планеты непригодной для жизни. В то же время слишком слабая тектоническая активность ведёт к исчезновению углекислого газа и стерилизации планеты. «Эти два случая представляют собой потенциальные границы обитаемости планет и существуют наряду с традиционными параметрами зон жизни для систем маломассивных звёзд главной последовательности».
В общем виде вулканы подразделяются на линейные и центральные, однако это деление условно, так как большинство вулканов приурочены к линейным тектоническим нарушениям (разломам) в земной коре.
Формы вулканов центрального типа зависят от состава и вязкости магмы. Горячие и легкоподвижные базальтовые магмы создают обширные и плоские щитовые вулканы (Мауна-Лоа, Мауна-Кеа, Килауэа). Если вулкан периодически извергает то лаву, то пирокластический материал, возникает конусовидная слоистая постройка, стратовулкан. Склоны такого вулкана обычно покрыты глубокими радиальными оврагами — барранкосами. Вулканы центрального типа могут быть чисто лавовыми, либо образованными только вулканическими продуктами — вулканическими шлаками, туфами и т. п. образованиями, либо быть смешанными — стратовулканами.
Различают также моногенные и полигенные вулканы. Первые возникли в результате однократного извержения, вторые — многократных извержений. Вязкая, кислая по составу, низкотемпературная магма, выдавливаясь из жерла, образует экструзивные купола (игла Монтань-Пеле, 1902 год).
Отрицательные формы рельефа, связанные с вулканами центрального типа, представлены кальдерами — крупными провалами округлой формы, диаметром в несколько километров. Кроме кальдер, существуют и крупные отрицательные формы рельефа, связанные с прогибом под воздействием веса извергнувшегося вулканического материала и дефицитом давления на глубине, возникшим при разгрузке магматического очага. Такие структуры называются вулканотектоническими впадинами, депрессиями. Вулканотектонические депрессии распространены очень широко и часто сопровождают образование мощных толщ игнимбритов — вулканических пород кислого состава, имеющих различный генезис. Они бывают лавовыми или образованными спёкшимися или сваренными туфами. Для них характерны линзовидные обособления вулканического стекла, пемзы, лавы, называемых фьямме и туфовая или тофовидная структура основной массы. Как правило, крупные объёмы игнимбритов связаны с неглубоко залегающими магматическими очагами, сформировавшимися за счёт плавления и замещения вмещающих пород.
Форма вулкана зависит от состава извергаемой им лавы; обычно рассматривают пять типов вулканов:
Извержения вулканов относятся к геологическим чрезвычайным ситуациям, которые нередко приводят к стихийным бедствиям. Процесс извержения может длиться от нескольких часов до многих лет.
Под извержением понимается процесс поступления из недр на поверхность значительного количества раскалённых и горячих вулканических продуктов в газообразном, жидком и твёрдом состоянии. При извержениях формируются вулканические постройки — характерной формы возвышенности, приуроченные к каналам и трещинам, по которым из магматических очагов поступают на поверхность продукты извержения. Обычно они имеют форму конуса с углублением — кратером на вершине. В случае её проседания и обрушения образуется кальдера — обширная циркообразная котловина с крутыми стенками и относительно ровным дном.
Общепринятая оценка силы извержения, или его эксплозивности, без учёта индивидуальных особенностей вулкана производится по шкале Volcanic Explosivity Index (VEI). Она предложена в 1982 году американскими учёными К. Ньюхоллом (C. A. Newhall) и С. Селфом (S. Self) позволяя дать общую оценку извержения по воздействию на земную атмосферу. Показателем силы извержения вулкана, независимо от его объёма и местоположения, в шкале VEI является объём извергнутых продуктов — тефры и высота столба пепла — эруптивной колонны.
Среди различных классификаций выделяются общие типы извержений:
По оценкам вулканологов, на поверхность Земли ежегодно выносится около 9 ⋅ 10 15 {\displaystyle 9\cdot 10^{15}} граммов магмы, вулканического пепла, газов и различных паров. В предположении, что вулканизм Земли за всю её геологическую историю имел одинаковую интенсивность, то за 5 миллиардов лет на её поверхность было вынесено около 4.5 ⋅ 10 25 {\displaystyle 4.5\cdot 10^{25}} граммов вулканических материалов с плотностью около 2.6 / г 3 . {\displaystyle 2.6/{\text{г}}^{3}.} Если всю эту массу равномерно распределить по поверхности Земли, то получится слой в 34 километра. Таким образом, современная кора Земли — результат длительной переработки вещества верхней мантии путем выветривания, переосаждения и окисления пород атмосферой и гидросферой Земли, а также преобразования пород жизнедеятельностью организмов.
После извержений, когда активность вулкана либо прекращается навсегда, либо он «дремлет» в течение тысяч лет, на самом вулкане и его окрестностях сохраняются процессы, связанные с остыванием магматического очага и называемые поствулканическими. К ним относят:
Во время извержений иногда происходит обрушение вулканического сооружения с образованием кальдеры — крупной впадины диаметром до 16 км и глубиной до 1000 м. При подъёме магмы внешнее давление ослабевает, связанные с ней газы и жидкие продукты вырываются на поверхность, и происходит извержение вулкана. Если на поверхность выносится не магма, а древние горные породы, и среди газов преобладает водяной пар, образовавшийся при нагревании подземных вод, то такое извержение называют фреатическим.
Поднявшаяся к земной поверхности лава не всегда на эту поверхность выходит. Она лишь поднимает слои осадочных пород и застывает в виде компактного тела (лакколита), образуя своеобразную систему невысоких гор. В Германии к таким системам относятся области Рён и Эйфель. На последней наблюдается и другое поствулканическое явление в виде озёр, заполняющих кратеры бывших вулканов, которым не удалось сформировать характерный вулканический конус (так называемые маары).
Гейзеры встречаются в районах с вулканической деятельностью, там, где горячие породы расположены близко к поверхности земли. В таких местах подземные воды нагреваются до температуры кипения, и в воздух периодически выбрасывается фонтан горячей воды и пара. В Новой Зеландии и Исландии энергия гейзеров и горячих источников используется для выработки электричества. Один из самых знаменитых гейзеров в мире — гейзер Старый служака в Йеллоустонском национальном парке (США), который каждые 70 минут выстреливает струю воды и пара на высоту 45 м.
Грязевые вулканы — небольшие вулканы, через которые на поверхность выходит не магма, а жидкая грязь и газы из земной коры. Грязевые вулканы намного меньше по размерам, чем обыкновенные. Грязь, как правило, выходит на поверхность холодной, но газы, извергаемые грязевыми вулканами, часто содержат метан и могут загореться во время извержения, создавая картину, похожую на извержение обыкновенного вулкана в миниатюре.
В России грязевые вулканы распространены на Таманском полуострове; они встречаются также на Крымском полуострове, в Сибири, около Каспийского моря, на Байкале и на Камчатке. На территории Евразии грязевые вулканы часто встречаются в Азербайджане, Грузии, Исландии, Туркменистане, Индонезии.
Одной из нерешённых проблем проявления вулканической активности является определение источника тепла, необходимого для локального плавления базальтового слоя или мантии. Такое плавление должно быть узколокализованным, поскольку прохождение сейсмических волн показывает, что кора и верхняя мантия обычно находятся в твёрдом состоянии. Более того, тепловой энергии должно быть достаточно для плавления огромных объёмов твёрдого материала. Например, в США в бассейне реки Колумбия (штаты Вашингтон и Орегон) объём базальтов более 820 тыс. км³; такие же крупные толщи базальтов встречаются в Аргентине (Патагония), Индии (плато Декан) и ЮАР (возвышенность Большое Кару). В настоящее время существуют три гипотезы. Одни геологи считают, что плавление обусловлено локальными высокими концентрациями радиоактивных элементов, но такие концентрации в природе кажутся маловероятными; другие предполагают, что тектонические нарушения в форме сдвигов и разломов сопровождаются выделением тепловой энергии. Существует другая точка зрения, согласно которой верхняя мантия в условиях высоких давлений находится в твёрдом состоянии, а когда вследствие трещинообразования давление падает, происходит так называемый фазовый переход, — твёрдые породы горной мантии плавятся и по трещинам происходит излияние жидкой лавы на поверхность Земли.
Вулканы имеются не только на Земле, но и на других планетах и их спутниках. Первой по высоте горой Солнечной системы является марсианский вулкан Олимп высотой 21,2 км.
В Солнечной системе наибольшей вулканической активностью обладает спутник Юпитера Ио. Длина шлейфов вещества, извергаемого вулканами Ио, достигает высоты 330 км и радиуса 700 км (патеры Тваштара), лавовые потоки — длины в 330 км (вулканы Амирани и Масуби).
На некоторых спутниках планет (Энцелад и Тритон) в условиях низких температур извергаемая «магма» состоит не из расплавленных скальных пород, а из воды и лёгких веществ. Такой тип извержений отнести к обычному вулканизму нельзя, потому данное явление получило название криовулканизм.
Учёные наблюдали извержения на 560 вулканах. Последние крупнейшие из них представлены в списке:
Крупнейшие районы вулканической активности — Южная Америка, Центральная Америка, Ява, Меланезия, Японские острова, Курильские острова, Камчатка, северо-западная часть США, Аляска, Гавайские острова, Алеутские острова, Исландия и др.
Список крупнейших извержений в истории Земли постоянно пополняется по мере исследования вопроса.
В фумарольных газах и магме вулканов содержится большое количество рения, индия, висмута и других редких элементов. Имеются проекты использования фумарольных газов и вулканической магмы для извлечения из них редких элементов .
Из вулканических продуктов изготавливается так называемый римский бетон (opus caementicium), знаменитый своей долговечностью.