וולקנולוגיה
היסטוריה של המחקר הוולקנולוגי > תפקיד המים

אי-אפשר היה שלא להבחין כי פעילות געשית מלווה בענני אדים הנפלטים מהרי געש או מסביבתם הקרובה, וההנחה הייתה כי מקורם במי תהום או בגופי מים סמוכים. להבנת החוקרים, הימצאותם של הרי געש בסמוך לאוקיינוסים ולימים הייתה עדות לכך כי למים תפקיד מכריע ביצירת התפרצויות מתפוצצות והשפעה על רמת הצמיגות של המאגמה. בשנת 1794 הכיר ספלנצאני בחשיבות הימצאותם של כמה גזים בלבה ובחבלים געשיים, גזים הכוללים גזים מימניים, גזים מימניים מגופרים, גזים חנקנים ופחמן דו-חמצני, וציין כי למי הים חשיבות רבה במיוחד, בהתקשרותם ל"שורשי הרי הגעש": בהגיעם לשריפה תת-קרקעית הם מתאדים, והגז הגמיש מתרחב במהירות וגורם להתפרצות הגעשית. כדי לתמוך בטענתו מציין ספלנצאני תאונות המתרחשות במפעלי ייצור זכוכית, כאשר זכוכית מותכת נמזגת לתבניות שאינן יבשות ויוצרת התפוצצות אדים.
ב-1825 ייחס ג'ורג' סקרופ את נזילוּת המאגמה לנוכחות מים:
יכול להיות ספק קטן כי המתווך המרכזי... מורכב מהכוח המתפשט של נוזלים גמישים הנאבקים להימלט מתוך פנים מסה תת-קרקעית של לבה, או עפר במצב של התנזלות בחום עז.
לדעת סקרופ, אותם "נוזלים גמישים" הם בעיקר אדים וגזים געשיים, וכי הייתה זו התפשטות הגז בתוך המאגמה שגרמה לעלייתה כלפי הקרום והובילה להתפרצות מתפוצצת ואלימה בהגיעה אל פני השטח. לאחר שחקר לעומק את התפתחות האדים בתוך המאגמה במעמקי כדור הארץ הדגיש סקרופ כי מים המצויים בלחץ רב יתמוססו אל תוך הנתך, וכי עם הפחתת הלחץ או עלייה בטמפרטורה יתאדו המים ויגרמו להתפרצות מתפוצצת. הוא נשען על עדויות מנקודות עמוקות במכרות – שם חלה עלייה בטמפרטורה – והסיק כי בעומק רב שורר חום מתמשך וכי הצטברות קלוריק הוא הגורם לזרימה כלפי מעלה במגמה להשיג שיווי משקל קלורי. הנחתו הייתה כי היווצרות המאגמה נובעת ממעבר קלוריק באמצעות הולכה מעומק כדור הארץ לשכבות העליונות, שם חלה התכה של סלעים. לדבריו, כמות הקלוריק בסלעים מותכים הייתה גדולה בשל נוכחות מים ויש סיבה להאמין כי "נוזל זה אינו אלא אדי מים הקשורים עם המרכיבים המינרליים של הלבה" ומתנדפים באמצעות חום רב בתנאים המאפשרים את התפשטותו.
במחצית השנייה של המאה ה-19 נערכו מחקרים נוספים הקושרים נוכחות מים בפעילות געשית. בשנת 1865 מדד הגאולוג הצרפתי פרדיננד פוק (Ferdinand André Fouqué‏, 1828–1904) את כמות המים בתוצרים הגעשיים של אטנה, וחישב את כמות פליטת האדים מצינור ההזנה. מודלים מתוחכמים יותר פותחו על ידי גאולוגים אחרים, שהציעו כי פליטת האדים בהתפרצויות געשיות נבעה ממקור עמוק ולא ממים הקיימים על פני השטח. אחד מהם היה אוסמונד פישר, שבשנת 1881 ראה במאגמה את מקור הגזים הנפלטים. באותה עת החל להתפתח רעיון המייחס לפליטת מים מהרי געש תפקיד חשוב בהתפתחות האוקיינוסים. אדוארד סואס (Eduard Suess‏, 1831–1914) – הגאולוג האוסטרי שהגה בשנת 1861 את קיומם של ים טתיס ויבשת העל גונדוונה – הציע כי כל המים באוקיינוסים ובאטמוספירה נובעים מפליטת גזים מתוך פנים כדור הארץ. הגאולוג הבריטי ג'ון וסלי ג'אד (John Wesley Judd;‏ 1840–1916) העלה בשנת 1881 את התפיסה לפיה פעילות געשית ממחזרת מים מן האוקיינוסים והאטמוספירה ובחזרה אל פנים כדור הארץ. הוא הצביע על קיומם של הרי געש בסמוך לאוקיינוסים ושיער כי סדקים בקרום עשויים להיות המוליכים של מי הים מן האוקיינוסים אל המאגמה וכי התפרצויות געשיות עשויות להיגרם ממים שמצאו את דרכם למטה, אל שכבות סלע חמות – שם הורידו את טמפרטורת ההתכה וגרמו להמסת הסלעים. ג'אד שיער כי טמפרטורות גבוהות ונוכחות מים וגז הם גורמי המפתח לפעילות געשית, וטען כי מאגמה יכולה לספוג ולהמיס לתוכה כמויות מים גדולות, הנפלטות באלימות במהלך התפרצות מתפוצצת – כפי שהציע ספלנצאני לפניו. לדבריו, המאגמה יכולה לספוג מים וגזים בתהליך ראשוני בעת היווצרות כדור הארץ, או בכל יחידת זמן גאולוגית מאוחרת יותר באמצעות חלחול מים לקרום כדור הארץ.
לאחר שכבר ברור היה כי מים מצויים בתוך המאגמה, היה חשוב לשקול את תפקידם בהתפרצויות מתפוצצות. עם פיתוח מנוע הקיטור בתקופת המהפכה התעשייתית הצביע ג'אד על כך כי "הר געש הוא סוג של מנוע קיטור טבעי עצום". הגאולוג האנגלי תומאס בוני (Thomas George Bonney‏, 1833–1923) השווה ב-1899 הרי געש לדוד חימום, בהדגישו כי האדים במאגמה הוא הכוח הנפיץ העיקרי בעת התפרצות, בציינו כי נפח האדים גדול פי 1,700 מזה של מצבם הנוזלי – כוח התפשטות עצום שיש בו כדי לעורר התפרצות מתפוצצת. לדעתו, מקור המים הגעשיים קשור לקרבת הרי הגעש לאוקיינוס ולחלחול מי גשמים לתוך המאגמה. הוא הדגיש את חשיבות המים בהורדת נקודת ההתכה של סלעים, וחיזק בכך את דעתם של פישר ומדענים אחרים בייחוס התפרצויות לנוכחות המים. אחד מהם היה דאודה דה דולומייה, שקבע כי סלעים רבים שמצא באיטליה ובסיציליה – אשר במבט ראשון נראו כסלעי משקע משוכבים – היו למעשה משקעים של אפר געשי. דולומייה הסיק כי משקעים אלה נוצרו מתוצרים של התפרצויות געשיות הנוצרים בעת היפרדות במאגמה עת שהיא מועפת מתוך הלוע, וכי הסיבה העיקרית להיפרדות זו היא התפשטות מתפוצצת של אדים בתוך המאגמה.
גם פון ואלטרסהאוזן, שעסק רבות במחקר סלעים פירוקלסטיים, ייחס את היווצרותם להשפעת המים על המאגמה. בשנת 1853 הציע כי מאגמה מתרוממת ומתפרצת בשל לחץ אדי המים הנפלט מתוכה, וכי עליית הנפח של אדי המים הייתה אחראית לתהליך ההיפרדות – תהליך יצירתם ופליטתם של חומרים פירוקלסטיים כאפר געשי ופומיס. הוא גם הכיר בכך שמשקעים געשיים ייחודיים עשויים לנבוע מחדירת לבה מן היבשה אל מי הים או מתהליך של התפרצות תת-ימית. במסעות מוקדמים שערך בסיציליה בשנת 1835 ראה לראשונה טוף חום – סלע הומוגני המורכב בעיקר ממינרל אחד. הוא קרא לסלע פלגוניט – על שם העיירה הסמוכה, פלגוניה (Palagonia). בדיקה כימית של הסלע – שקבעה כי הוא עשיר באופן לא רגיל במים (12%–23%) ובברזל – עוררה את סקרנותו באשר למוצאו. פון ואלטרסהאוזן מצא כי הסלע קשור למשקעים ימיים, וכי הוא יצר שכבות עבות במקווי מים רבים בתצורות געשיות תת-ימיות. מסע נוסף נערך בשנת 1845 לאיסלנד, ביחד עם רוברט בונזן, שם חקרו השניים הרי פלגוניט והבחינו בהשתרעותם הנרחבת על פני האי. הוא הבחין כי בסמיכות לפלגוניט נמצא חומר זכוכיתי נטול מים הדומה לאובסידיאן, לו קרא סידרומלן, והוכיח כי פלגוניט הוא בעצם סידרומלן – או זכוכית געשית שספגה מים – וממיקומה הגאולוגי הסיק כי היא תוצר של התפרצות תת-קרחונית. פון ואלטרסהאוזן צדק בהנחותיו ובמסקנתו כי סלעי איסלנד נוצרו מתחת לשכבת קרח עבה שכיסתה את איסלנד במהלך תקופת הקרח האחרונה, וכי הפלגוניטים מאיטליה ומסיציליה נוצרו בים. בונזן, לעומתו, טען כי טוף פלגוניטי הוא תוצר של סלעים בזלתיים שהותמרו בסביבה עתירת מים ופחמה, ובאמצעות ניתוח כימי הראה כי לאחר שהוצאה מהם תכולת המים – סלעי הטוף היו זהים בהרכבם ללבה בזלתית. מחקרו לא הוגבל לסלעים מאיסלנד; הוא ערך מחקר דומה על דוגמאות פלגוניט מאיי כף ורדה שקיבל מידי צ'ארלס דרווין.
סלע געשי אחר בעל הרכב בזלתי הוא בזלת כרים או "לבת כרים" (pillow lava) – סלע עגלגל במבנה הדומה לכרים, המורכב מגבישים זעירים במעטה זכוכיתי. מבנה זה אופייני להתפרצויות תת-ימיות ותת-קרחוניות, ונוצר כאשר הלבה מתקררת במהירות בבואה במגע עם מים קרים, תוך שהיא מתכווצת ומתכדררת. הזרימה הפנימית של הלבה נמשכת ומבקעת את הקרומים החיצוניים של הכרים, ויוצרת כרים חדשים. השפעת המים על היווצרותו של סלע זה אינה בשל נוכחותם בתוך המאגמה, אלא להפך: נוכחות המאגמה בתוך המים היא זו היוצרת את הצורה האופיינית להם ואת הציפוי הזכוכיתי. טמפסט אנדרסון (Tempest Anderson‏, 1846–1913) – אופתלמולוג בהכשרתו – היה וולקנולוג אנגלי חובב וחבר בוועדה של החברה המלכותית שעסקה בחקר תוצאות של התפרצויות געשיות ברחבי העולם. אנדרסון צפה בהתפרצות געשית ובהיווצרות הכרים בעת ביקור בסמואה. בשנות ה-60 של המאה ה-20 הכירו מדענים בסלעים אלה כנפוצים ביותר, לאחר שגילו את היווצרותם ברכסים מרכז אוקייניים ברחבי העולם.
בתחילת המאה ה-20 נערכו ניסויי המסה בתנאי לחץ גבוה, שהוכיחו כי מאגמה המצויה בשכבות עמוקות עשויה להכיל כמויות גדולות מאוד של מים בתמיסה, וכי מים אלה משתחררים כאשר הם מגיעים אל פני השטח. הניסוי הראשון נערך בשנת 1903 על ידי קורנליו דוטלר (Cornelio August Severius Doetler‏, 1850–1930) – מינרלוג ופטרוגרף שכיהן כפרופסור באוניברסיטת וינה. תמיכה בתאוריה זו התקבלה בשנת 1906 מהגאולוג הצרפתי ארמנד גוטייה (Armand Gautier‏, 1837–1920) שפרסם תוצאות ניסויי מעבדה שערך, והוסיף כי המאגמה עולה בקרום כתוצאה מהתפשטות גז, התורמת לנפיצות אלימה של התפרצויות באמצעות שחרור אדי המים הכלואים בתוך המאגמה.