Vulkaan

Teadmised vulkaanidest antiikajal

Enne Vesuuvi purset 79. aastal tegeles antiikvulkanoloogia peamiselt Sitsiilias asuva Etna vulkaani vaatlustega. Üks esimesi selles osas oli Theophrastos. Vallanduvaid aurupurskeid, laavavoole ja vulkaanilise materjali väljapaiskumist püüti seletada ratsionaalselt. Maa-aluse tule kütteaineks peeti põlevaid "kivimeid", näiteks bituumenit ja väävlit. Usuti ka, et tugev torm võib õhu- ja veemassid maa sisse suruda.
Vana-Kreeka ajaloolane Herodotos kirjeldas Hiera saart, mille tipust paiskus aeg-ajalt suitsu ja tuld. Kreeka mütoloogias oli tegemist Hephaistose sepikoja ääsiga. Seda sepikoda väideti kasutavat ka ktoonilised jumalad, kes mõnikord olid kääbuskasvu. Roomlased nimetasid Hephaistose analoogi Vulcanuseks ja andsid saarele nimeks Vulcano, mida see Lipari saarte hulka kuuluv saar tänini kannab. Selle saare järgi ongi vulkaanid nime saanud.
Antiikaja vulkaanikäsitlus on üksikasjalikult Pseudo-Vergiliuse õpetusluuletuses "Etna".

Vulkaanide asukohad

Vulkaanid ei paikne ükskõik kus. Maakoor on jaotunud umbes tosinaks suuremaks ja paljudeks väiksemateks laamadeks, mis aeglaselt liiguvad. Vaba ruumi aga laamade vahel pole, mistõttu nad pidevalt omavahel hõõrduvad ja kokku põrkavad.
Maa sügavusest tõusvate kuumade ainevoogude kohal laamad lahknevad. Tekkinud tühimikku pressitakse aga pidevalt uut magmat. Niisugustele kohtadele tekivad ookeani keskahelikud.
Et lahknemine toimuda saaks, peab kusagil mujal toimuma koondumine, mis väljendub ühe laama sukeldumises teise alla või kahe laama kokkupõrkes. Niisugustele kohtadele tekivad süvikud ja mäestikud. Nii lahknemise kui sukeldumise ehk subduktsiooniga kaasneb vulkaaniline aktiivsus.

Lahknevate laamade vaheline piir

Vahevööst tõusvate kuumade ainevoogude tagajärjel hakkab maakoor õhenema ja pragunema. Tekkinud tühimiku täidab Maa sügavusest ülespoole surutav kivimmass, mis rõhu vähenemise tõttu adiabaatiliselt sulama hakkab. Sulaainese ehk magma tihedus on väiksem kui sama koostisega kivimeil, mistõttu surutakse ta maapinnale. Tavaliselt toimub seda tüüpi vulkanism ookeanisügavustes. Ookeanibasseinid ongi tekkinud maakoore rebenemisest (vaata artiklit Wilsoni tsükkel). Kuid ka mandrilise maakoore rebenemisel tekivad vulkaanid, näiteks Ida-Aafrika riftivööndi vulkanism. Mõnikord on aga ookeani keskahelik merepinnast kõrgemal (Island).
Selle vulkanismitüübi tagajärjel tekivad ookeani keskahelikud, mustad tossutajad, padilaava ja ookeaniline maakoor. Peamiseks pursketüübiks on basaltne laava.

Põrkuvate laamade vaheline piir

Vulkaanid tekivad ka siis, kui omavahel põrkuvad kaks ookeanilise maakoorega laamaosa või ookeaniline ja mandriline laam. Ookeaniline maakoor on raskem (suurema tihedusega) ning surutakse mandrilise või mõnel juhul ka teise ookeanilise laama alla. Sukelduv laam satub järjest suureneva rõhu kätte, mistõttu hakkavad merepõhjas moodustunud vett sisaldavad mineraalid ja kivimid moonduma, vabastades kristallstruktuuris sisaldunud vee kivimite pooriruumi. See tegur alandab kivimite sulamistemperatuuri olulisel määral, mistõttu hakkavad kivimid sulama ning tekkinud magma hakkab taas ülespoole tungima. Magmatilgad koonduvad ja moodustavad lõpuks magmakambreid, nende kohale tekivad aga vulkaanid. Seda tüüpi vulkanismi nimetatakse ka subduktsioonivööndi vulkanismiks. Väga levinud on sellist tüüpi vulkanism Vaikse ookeani aktiivsetel äärtel ehk Vaikse ookeani tulerõngas. Eestile lähimad seda tüüpi tegevvulkaanid asuvad Vahemere piirkonnas.
Et sulamagma läbib maapinna poole liikudes paksu mandrilise maakoore (ookeanilise ja mandrilise maakoorega laama kokkupõrke korral), siis sulatab ta ka seda ning seguneb selle materjaliga. Mandriline maakoor on aga väga varieeruva koostisega ning seetõttu on ka subduktsioonivööndite vulkanism mitmekesine. Tekkinud vulkaanilistest kivimitest on levinumad basalt, andesiit, datsiit ja rüoliit (subduktsioonivööndi vulkanism ning ühtlasi kogu mandriline maakoor on keskmiselt andesiitse koostisega). Vulkanism on tihti plahvatusliku iseloomuga, sageli kaasnevad purskega lõõmpilved.
Kui põrkuvad kaks mandrilise maakoorega laama, siis on tulemuseks mäestike teke, kuid vulkanismi sellega reeglina ei kaasne. Samuti ei kaasne vulkanismi sellise laamadevahelise piiriga, kus laamad ei liigu üksteise poole või üksteisest eemale, vaid ainult nihkuvad teineteise suhtes (näiteks San Andrease murrang, mis eraldab Vaikse ookeani ja Põhja-Ameerika laamu).

Kuumad täpid

Esineb siiski ka vulkaane, mis ei paikne laamade piiridel. Kuulsad näited on Hawaii saared ja Yellowstone'i vulkaan. Siin on tegemist kuuma täpi vulkanismiga. Kuuma täpi all on vahevööst tõusvad kuumad ainevood, mis kõrgemale tõustes sulavad ning tekitavad vulkaane. Kuuma täpi vulkanism võib esineda nii mandrilise kui ka ookeanilise maakoorega laama kohal. Mõned kuumad täpid on olnud nii võimsad, et tekitasid hiiglaslikke platoobasalte ja ookeanilisi platoosid (vaata artiklit Suur magmaprovints). Ka Island on üle merepinna ulatunud just seetõttu, et lisaks ookeani keskaheliku kohal paiknemisele on tema all ka kuum täpp. Mandrite alused kuumad täpid võivad panna aluse mandri rebenemisele, mis areneb hiljem edasi ookeaniliseks basseiniks koos lahknevate laamade tekitatud vulkanismiga (nii on tekkinud Atlandi ookean). Et kuum täpp püsib ühe koha peal, tema kohal olev laam aga liigub, siis moodustab kuuma täpi vulkanism sageli ahelikus paiknevaid saarestikke (näiteks Hawaii saared).

Vulkaanide tüübid

Vulkaanitüübid on järgmised: gaiot, kaldeera, kihtvulkaan, kilpvulkaan, laavakuppel, liitvulkaan, liustikualune vulkaan, lõhevulkaan, maar, monogeneetiline vulkaaniväli, mudavulkaan, polügeneetiline vulkaaniväli, püroklastiline kilp, šlakikoonus, veealune vulkaan, vulkaaniline koonus, vulkaaniline plahvatuskraater ja vulkaaniväli.
Kõige üldisemalt jaotatakse vulkaanid lõhe- ja lõõrvulkaanideks. Lõhevulkaanide korral toimub vulkaanilise materjali väljutamine piklikust lõhest, mis tekib reeglina maakoores valitsevate venituspingete tagajärjel (riftistumine). Lõhevulkaanide kõige tüüpilisemaks purskeproduktiks on vedel basaltne laava, kuid esineb ka teistsuguse koostisega laavat, vulkaanilist tuhka ning vulkaanilisi gaase. Lõhevulkaane esineb näiteks ookeani keskahelikes. Maismaal on nad esindatud Islandil, mis asetsebki Atlandi ookeani keskahelikul. Lõhevulkaanide pursked ei ole tänapäeval maapinnal kuigi tavalised, kuid geoloogilises ajas on peamiselt basaltseist laavavooludest moodustunud hiiglaslikud magmaprovintsid, mis on valdavalt lõhevulkaanide vulkanismi tagajärg.
Lõõrvulkaanist väljuvad vulkaanilised produktid maapinnale läbi enam-vähem ümara läbilõikega lõõri, mis lõpeb kraatriga. Selline vulkaanitüüp on maapinnal tavalisim ja nii enamik inimesi vulkaane ette kujutabki. Lõõrvulkaanid jaotatakse mitmesuguste tunnuste alusel veel kihtvulkaanideks, kus esineb nii laavat kui ka vulkaanilist tuhka, sageli kihiti, kilpvulkaanideks, mis koosneb peamiselt basaltseist laavavooludest, šlakikoonusteks, mis on monogeneetilised suhteliselt väiksed valdavalt šlakist koosnevad künkad, maarideks, mis on magmalise kuumutamise abil paisunud põhjavee põhjustatud plahvatuslehtrid, ja teisteks liikideks.
Võimsate vulkaanipursete tagajärjel võib magmakamber osaliselt tühjeneda, jättes ülalasuva vulkaani toetuseta, mille tagajärjel viimane sisse variseb, jättes järgi negatiivse pinnavormi, mida nimetatakse kaldeeraks.
Hoolimata nimetuse sarnasusest ei ole mudavulkaanid vulkanismiga otseselt seotud.

Kilpvulkaan

Kilpvulkaanid on võrreldes ülejäänud vulkaaniehitistega suhteliselt lamedad. Selle põhjuseks on kilpvulkaanide vulkaaniliste produktide keemilisest koostisest tulenevad omadused. Kilpvulkaanid purskavad reeglina aluselist laavat, mis võrreldes ränirikkamate laavadega on tunduvalt vedelam. Seega saab laava kraatrist kaugemale voolata, moodustadeski lameda kilpvulkaani.
Kilpvulkaanid on oma mahult reeglina märksa suuremad ülejäänud vulkaanidest.
Tuntud on see kilpvulkaan, mille ülemine osa moodustab Hawaii saare.

Kihtvulkaan

Kihtvulkaan on suhteliselt suur ja pikaealine valdavalt koonilise kujuga vulkaaniline pinnavorm, mis on tekkinud vulkaanilõõrist pärit vulkaanilise materjali kuhjumisel maapinnale.
Kihtvulkaanid on laia levikuga, ehkki enamasti on nad seostatavad subduktsioonivööndi vulkanismiga. Reeglina kujutavad inimesed vulkaani just kihtvulkaanina. Kihtvulkaanid tegutsevad suhteliselt tihti ja tulevad reljeefis hästi esile. Enamik ajaloolise aja suuri ja kuulsaid vulkaanipurskeid on seotud kihtvulkaanidega.
Kõige suuremad vulkaanid on kilpvulkaanid ja kõige väiksemad vulkaanid on šlakikoonused. Kihtvulkaanid on reeglina suuremad kui šlakikoonused, kuid väiksemad kui kilpvulkaanid. Kihtvulkaani nimetus tuleb ettekujutusest, et vulkaani läbilõige koosneb vahelduvatest laava ja tefra kihtidest. Kihtvulkaanid võivad enda koosseisu haarata ka väiksemaid vulkaane, näiteks šlakikoonuseid.
Kihtvulkaanid on levinud peaaegu kõigis piirkondades, kus esineb vulkanism, kuid kõige levinumad on nad mandrilise ja ookeanilise maakoorega laama kokkupõrkepiiril ehk subduktsioonivööndeis. Divergentses vööndis ehk laamade lahknemispiirkonnas esinevad kihtvulkaanid harva, näiteks Kilimanjaro. Ookeanide keskahelikel kihtvulkaanid praktiliselt puuduvad, kui välja jätta Island (Hekla ja Askja), mis lisaks asetsemisele keset ookeani keskahelikku asub ka kuuma täpi kohal. Kuuma täpi kohal võivad olla nii kiht- kui ka kilpvulkaanid.

Šlakikoonus

Šlakikoonus on vulkaanilise tekkega kooniline küngas või mägi, mis koosneb peamiselt šlakist ja muust püroklastilisest materjalist.
Püroklastiline materjal, millest šlakikoonused on moodustunud, on enamasti basaltse või andesiitse koostisega. Koonused on enamasti järsu kaldega (10...40°). Aluselise koostise ja sellele vastava mineraalide sisalduse tõttu on šlakikoonused tumedat värvi. Vulkaaniline materjal, millest koonused on moodustunud, on kiirest jahtumisest tulenevalt enamasti klaasja struktuuriga. Koonuste kõrgus ulatub enamasti mõnekümnest mõnesaja meetrini.
Šlakikoonused esinevad tihti kiht- või kilpvulkaanide jalamitel, moodustades parasiitkoonuseid, mis toituvad peavulkaaniga samast magmakambrist. Šlakikoonuse tipus on kausjas kraater. Šlakikoonused on monogeneetilised vulkaanid ehk kord tegevuse lõpetanud koonused enam aktiivseks ei muutu.

Maar

Maar on vulkaanilise plahvatuse tagajärjel tekkinud negatiivne pinnavorm. Maarid on suhteliselt madalad, lameda põhjaga ja laiad vulkaanilised kraatrid, mis on enamasti täitunud veega, moodustades maarijärve.
Plahvatuste põhjuseks on kuuma magma tungimine põhjaveekihti, mille tagajärjel osa põhjaveest aurustub ja põhjustab suure rõhu tõttu plahvatuse. Selle käigus väljapaiskunud materjal moodustab kraatrivalli, aga kraatrisse koguneb vesi, mis moodustab järve.
Kuulsaimad maarijärved on Saksamaal Rheinland-Pfalzi liidumaal.

Kaldeera

Kaldeera on vulkaani või selle tipu kokkuvarisemisel tekkinud negatiivne pinnavorm.
Kaldeera tekib enamasti pärast plahvatuslikke ja võimsaid vulkaanipurskeid, mis tühjendavad osaliselt magmakambri, mistõttu selle kohal asuv toetuseta jäänud vulkaan kukub kokku.
Kaldeera põhja võib tekkida järv, näiteks Crater Lake USA-s, mis moodustus kunagise vulkaani Mazama kokkuvarisemisel. Kui vulkaan on endiselt aktiivne, tekib kaldeera põhja uus kraater, nagu näiteks Aso vulkaanil Jaapanis.

Supervulkaan

"Supervulkaan" ehk "hiidvulkaan" on suhteliselt hiljuti loodud termin, millega tähistatakse Maa ajaloo kõige võimsamaid vulkaanipurskeid. Ajaloolisel ajal ühtegi supervulkaani purset esinenud ei ole. Supervulkaanid võivad olla seotud kuuma täpi vulkanismiga (näiteks Yellowstone'i vulkaan), aga ka subduktsioonivöönditega (näiteks Toba vulkaan). Tavaliselt ei ole sellised vulkaanid lihtsalt äratuntavad, sest esiteks on nad tohutu suured ning teiseks oli purse nii võimas, et vulkaanist jäi järele vaid kaldeera ehk hiiglaslik lohk maapinnas, mitte mägi.
Supervulkaanide poolt õhkupaisatud vulkaanilisel tuhal ja aerosoolidel on kliimale ja elustikule väga tugev mõju. Arvatakse, et Maa ajaloo suurima väljasuremissündmuse Permi ajastu lõpul põhjustas Siberi platoobasaldi teke, mida võibki käsitleda supervulkaani purskena.
Supervulkaanid on pälvinud Ameerika Ühendriikide meedias viimasel ajal tähelepanu, sest Yellowstone'i vulkaan ilmutab elavnemise märke. Selle vulkaani purse oleks väga raskete tagajärgedega mitte ainult USA-le, millest suur osa mattuks vähemalt meetripaksuse tuhakihi alla, vaid tõenäoliselt kogu maailmale.

Merealune vulkanism

Suurem osa Maa vulkanismist toimub ookeanisügavustes, kus kaks ookeanilist laama üksteisest eemalduvad. Seda tüüpi vulkanism esineb maismaal ainult Islandil. Põhiline purskeprodukt on vedel basaltne laava. Kui laava purskub välja, siis jahtub ja tardub ta pind külma mereveega kokku puutudes väga kiiresti. Seetõttu moodustub midagi kotilaadset, mille sees olev vedel laava vormib ta padjalaadseks laavakogumiks, mida tuntaksegi padilaavana. Sellist tüüpi vulkaaniline maastik katabki suurt osa ookeanide põhjast, kui jätta arvestamata vulkaaniliste kivimite peale ladestunud meresetted. Ookeanide keskahelikus esinevad lõhevulkaanid, sest magma tuuakse vahevööst üles daikide ehk plaatjate intrusioonidena, mis pinnani jõudes moodustavadki lõhepurskeid.
Ookeanide vulkanism ei pruugi aga olla seotud keskahelike ja laamade lahknemisega. Ka kuumad täpid tekitavad merepõhja vulkaanilisi mägesid. Need on peamiselt lõõrvulkaanid. Üle merepinna ulatudes moodustuvad sellistest vulkaanidest ookeanilised saared, mis on eriti levinud Vaikses ookeanis.
Suurte magmaprovintside ehk väga võimsate kuumade täppide tegevuse tulemusel moodustuvad hiiglaslike mõõtmetega ookeanilised basaltplatood.

Pursketüübid

Tavaliselt jaotatakse vulkaanipursked kaheks: plahvatuslikeks ja efusiivseteks. Plahvatuslikud vulkaanipursked on raevukamad, sest magma on suurema ränisisalduse tõttu paksem ega pääse nii kergelt kraatrist välja. Plahvatuslike pursetega kaasnevad maavärinad, vulkaanilise ja lõõmtuha pilved ning laavavoolud. Plahvatuslik vulkanism on omane eelkõige vulkaanidele, mida toitev magma on segunenud ränirikkama mandrilise koore materjaliga. Sageli ongi vastav magma mandrilise koore osalise ülessulamise tulemiks. Tavaliselt on plahvatuslik vulkanism seotud subduktsioonivöönditega. Just seda tüüpi vulkaanidega on seotud kõige võimsamad ja kuulsamad vulkaanipursked. Reeglina tegutsevad nad lühikest aega ja sellele järgneb pikem paus.
Ränivaesem ehk aluseline magma on oluliselt vedelam ning voolab kraatrist välja rahulikumalt. Tüüpiline purskeprodukt on basalt, harvem vulkaaniline tuhk. Basalt on ultraaluselise koostisega vahevöö osalise sulamise tulemus, mistõttu tekib basalt peamiselt siis, kui teekonnal maapinnani pole magma mandrilise maakoore materjaliga oluliselt segunenud. Sellist tüüpi vulkaanid ei kujuta endast väga suurt ohtu, välja arvatud laavavoolud, mis võivad voolata kraatrist väga kaugele ja hävitada kõik enda teele jääva. Inimohvreid aga sellega reeglina ei kaasne, sest laava liikumine on piisavalt aeglane, et inimesed jõutaks evakueerida.

Klassikalised pursketüübid

20. sajandi algul lõi itaalia geoloog Giuseppe Mercalli vulkaanipursete klassifikatsiooni, mis põhines tuntud vulkaanidele iseloomulikul käitumisel. Süsteem on tänapäevalgi kasutusel, ehkki tema subjektiivsuse tõttu mitte nii laialt kui varem.
Hawaii tüüpi purse on efusiivne, purske saaduseks on peamiselt laava.
Stromboli tüüpi purse on pideva ja pikaajalise aktiivsusega ning sellega kaasnevad mõõduka intensiivsusega plahvatuslikud pursked.
Vulcano tüüpi purse on raevukam kui Stromboli tüüpi vulkaanil, purskepilv tõuseb kõrgemale ja plahvatused võivad hävitada osa vulkaaniehitisest.
Pliinia tüüpi purse on plahvatuslik ja väga ohtlik. See on saanud nime Vesuuvi purske järgi, mis hävitas Pompei. Seda tüüpi pursked teevad ajalugu. Purskega kaasneb suur kogus püroklastilist materjali ja purskepilv võib tõusta kümnete kilomeetrite kõrgusele. See pursketüüp jagatakse subpliinia-, pliinia- ja ultrapliinia tüüpi purseteks. Nende nimi tuleb sellest, et seda tüüpi purset kirjeldas esimesena Plinius Noorem kahes Tacitusele saadetud kirjas.
Pelée tüüpi purse ei ole otseselt seostatav purske võimsusega, kuid seda tüüpi vulkaanipursetele on omased lõõmpilved. See nimi tuleb Martinique'i saarel asuvast Pelée vulkaanist, mis aastal 1902 hävitas täielikult Saint Pierre'i linna.

Vulkaanilise plahvatuslikkuse indeks

Vulkaanilise plahvatuslikkuse indeks ehk VEI (Volcanic Explosivity Index) on võetud kasutusele, et muuta vulkaanipursete võimsuse hindamine vähem subjektiivseks. Arvestatakse väljapaisatud tefra kogust, purskepilve kõrgust ja hinnanguid purske võimsusele. Skaalal ei ole ülemist piiri. Magnituud 0 omistatakse mitteplahvatuslikele Hawaii tüüpi pursetele, mille käigus paisati atmosfääri vähem kui 10⁴ m³ tefrat. Ajaloolise aja võimsamaid purskeid hinnatakse magnituudiga 7–8 (100–1000 km³ tefrat). Magnituudi suurenemine ühe ühiku võrra tähendab plahvatuslikkuse kümnekordset suurenemist.

Pursete kestus

Vulkaanipursete kestus varieerub suurtes piirides. Stromboli on tegutsenud juba viimased 2500 aastat, mistõttu nimetatakse teda Vahemere majakaks. Kümneid aastaid on tegutsenud ka näiteks Etna (Itaalia), Erta Ale (Etioopia), Yasur (Vanuatu), Sangay (Ecuador), Erebus (Antarktika) jne. Enamik pursetest ei ole siiski nii pikaealised. Ühe päevaga piirdub umbes 10% vulkaanidest, suurem osa neist lõpetab tegevuse kolme kuuga ja vaid väga vähesed tegutsevad üle kolme aasta järjest. Pursete mediaanpikkuseks on 7 nädalat.

Vulkaanide aktiivsus

Sageli jagatakse vulkaanid tegevateks, uinunuteks ja kustunuteks. Tegevvulkaan on vulkaan, mis on pursanud ajaloolisel ajal. Uinunud vulkaani tegevust pole kunagi kirjeldatud, kuid tema aktiveerumist peetakse tulevikus tõenäoliseks. Kustunud vulkaan arvatakse olevat oma tegevuse igaveseks lõpetanud.
Ülalkirjeldatu pole siiski üldaktsepteeritud seisukoht, sest uinunud ja tegevvulkaani vahele on raske mõistlikku piiri tõmmata. Teaduslikust vaatepunktist lähtudes ei pruugigi siin mingit vahet olla, mistõttu on sellisele jaotusele vulkanoloogide seas märgatav vastuseis. Probleemid ilmnevad juba kasvõi seetõttu, et ajaloolise aja ulatus on erinevais maailma piirkondades erinev. Samuti ei ole mõtet võrrelda vulkaane inimkonna ajalooga ja tõmmata sellest lähtuvalt piire. Vulkaanid elavad oma elu, mis on palju pikem kui inimestel, isegi inimkonnal, ega sõltu sellest. Sageli juhtub, et kustunuks loetud vulkaan ärkab uuesti ellu.
Dokumenteeritud vulkaanipurskeid on teada umbes 550 vulkaani kohta. Viimase 10 000 aasta jooksul on tegutsenud umbes 1500 vulkaani. Need arvud kehtivad aga vaid siis, kui vaatluse alla võetakse maismaal toimunud vulkaanipursked. Suurem osa laavast produtseeritakse ookeanide keskmäestikes ning kui kõik sealsed laavalõhed ka tegevvulkaanide hulka arvata, võib nende koguarv ületada miljoni.