Катастрофы в природе: вулканы. Гипотезы, факты, причины, последствия

В состоящей из силикатных расплавов мантии происходят перенос тепла из внутренних частей планеты к поверхности. Раскалённая магма поднимается из глубин, охлаждается, а затем снова погружается, замещаясь новым горячим веществом. Тепловая конвекция в мантии приводит к тому, что более холодный материал литосферы разрушается и сегментируется на огромные тектонические плиты.

Примерно 90% твёрдой поверхности Земли образовано восемью литосферными плитами, а остальная часть десятками меньшего размера и множеством мелких. За миллионы лет под воздействием конвекционных процессов в мантии, гравитационных и ротационных сил они совершают сложные разнонаправленные движения. Образуются новые и исчезают старые литосферные плиты, а вместе с ними меняется лик земной поверхности.

Тектоника литосферных плит лучше всего объясняет распределение вулканов на поверхности земного шара. Определены три основных механизма межплитового взаимодействия и современного вулканизма. Если литосферные плиты раздвигаются, то между ними образуется рифтовая зона – крупная линейная впадина в земной коре в областях спрединга. Они приурочены к разломным зонам в земной коре, из которых на океаническое дно изливается базальтовый расплав. Вулканы рифтовых зон находятся в осевой части Срединно-атлантического хребта и вдоль Восточноафриканской системы разломов.

Схема спрединга в срединно-океанических хребтах и субдукции у континентальных окраин с образованием вулканов.

Там где одна океаническая плита пододвигается под другую, опускаясь в мантию, возникли зоны субдукции. В них вещество погружающейся плиты расплавляется, а затем может вновь подняться к поверхности и образовать островные дуги – цепочки вулканических островов над зоной субдукции. К ним относятся Алеутские, Курильские, Марианские острова и другие архипелаги, помеченные в рельефе океанического дна глубоководными желобами расположенные параллельно береговым линиям и островным дугам.

Иной тип взаимодействия происходит при смещении тектонических плит относительно друг друга по трансформным разломам. Наибольшее их число находится океаническом дне. Наиболее известен разлом Сан-Андреас в Калифорнии, возникший между Тихоокеанской и Североамериканкой плитами, смещающимися относительно друг друга примерно на 0,6 сантиметра за год.

Общая площадь земной поверхности остаётся квазипостоянной в силу того, что расширение земной коры в зонах спрединга компенсируется погружением участков литосферных плит в мантию в зонах субдукции. Само погружение плиты под островные дуги и континентальные окраины трассируется очагами землетрясений возникающих по наклонной плоскости до глубин в 700 километров названной зоной Вадати-Бениофа.

Поскольку угол погружения плиты близок к 45 градусам вулканы располагаются между сушей и глубоководными желобами на удалении до 150 километров от их осей, в плане образуя повторяющую очертания желоба и береговой линии вулканическую область. В этих местах на глубинах до 150 километров от дневной поверхности образуются магматические очаги, содержащие расправленное вещество, водяные пары и различные газы.

Схема образования стратовулкана в зоне субдукции. Красные точки это очаги землетрясений возникающих по фронту погружающейся по континентальную окраину литосферной плиты.

Образование очагов магмы под земной корой приводит к деформированию и подъёму её поверхности. В Андах огромный купол магмы поднимает плато Альтиплано-Пуна над которым возвышаются действующие вулканы. Плато шириной в сотни километров поднято на километр относительно уровня моря. Из-за давления магмы расположенный в центре купола вулкан Утурунчу растёт примерно на один сантиметр в год.

Особый тип вулканизма связан с горячими точками – мантийными плюмами. Это исходящие от границ ядра раскалённые струи мантийного вещества. Они пробивают литосферу и осаждаются на земной поверхности. В процессе дрейфа Тихоокеанской литосферной плиты на запад над такой горячей точкой образовалась цепь Гавайских островов. Схожий процесс проходит в США, где литосферная плита над горячей точкой за 17 миллионов лет сместилась на большое расстояние, пока над ней не оказалась Йеллоустонское плато.

За исключением нескольких континентальных щитов земная поверхность многократно подвергалась тектонической переработке. Под воздействием глубинных эндогенных процессов и внешних – экзогенных происходит кругооборот вещества планеты. Осадочные породы опускаются в земные недра, где преобразуются в магму, а затем вновь выносятся тектоническими процессами на поверхность. Главными областями современных тектонических движений являются Тихоокеанская, Средиземноморская, Атлантическая и Индийская области. Поэтому большинство вулканов расположено в их пределах вследствие следующего механизма.

У верхней границы мантии давление меньше чем на больших глубинах и здесь образуется очаг расплавленного вещества – магмы. Под колоссальным давлением магма, плотность которой меньше чем окружающих более холодных горных пород, по трещинам и разломам поднимается к земной поверхности. По мере приближения к ней давление в магме снижается, из неё выделяются газы, она становится менее вязкой и более лёгкой. Последние десятки метров кипящая магма проходит очень быстро и начинает извергаться на поверхность в виде лавы.

Процесс истечения лавы можно сравнить с шампанским в бутылке. Пока она закрыта присутствие в ней газа визуально не обнаруживается, но как только вынута пробка из-за резкого сброса давления происходит быстрая дегазация. Газ улетучивается и увлекает за собой часть содержимого бутылки.

Распределение вулканов в России и схема расположения вулканов на территории Камчатки (чёрные точки).

Характер извержения определяется содержанием в магме газов. Если большая их часть успела покинуть магму, то происходит относительно медленное истекание лавы. Её текучесть определяется химическим составом магмы и количеством оставшихся в ней газов. Она может быть вязкой как расплавленное стекло, но способна течь и как кипящая смола.

В том случае если при извержении магма не успела освободиться от большей части газов, в основном водяных паров, оно будет носить взрывной – эксплозивный характер. Это может произойти из-за образовавшейся в вулканическом канале пробки из застывшей лавы препятствующей дегазации магмы. Под нарастающем давлением магмы, в какой-то момент, этот своеобразный тромб прорывается и происходит быстрое высвобождение газов с образованием выхлопа – облаков пепла.

Извержение может длиться часы и сутки, а может продолжаться месяцы и годы. Лавы будут изливаться так долго, пока не иссякнет питающий вулкан магматический очаг. В том случае если летучих веществ в составе магмы останется слишком мало для продолжения извержения, она может кипеть в глубине вулканического кратера многие годы. Так происходит сейчас на вулкане Эрта Але в Эфиопии. В его кратере кипит лавовое озеро площадью шестьсот квадратных метров.

Лавовые озёра имеются в кратерах вулкана Эребус в Антарктиде, гавайского вулкана Килауэа, Марум Бенбоу и Марум на острове Амбрим в Вануату. Крупнейшее на Земле лавовое озеро находится в кратере вулкана Ньирагонго в Конго. До середины прошлого века кипящая лава полностью заполняла его кратер шириной два километра и глубиной в 250 метров.

Тихоокеанское огненное кольцо (разовый цвет) и входящие в него вулканы Центральной Америки (чёрные точки).

Конвекционные течения в верхней мантии являются исходной причиной поднятия магмы к поверхности, а газы основной движущей силой вулканического извержения. Возникновение в земной коре каналов транспортировки веществ из мантии к поверхности приводит к возникновению новых вулканов. Это может происходить при тектонических подвижках вызывающих сильные землетрясения, что не раз наблюдалось в геологической истории планеты.

Выделяются три основные области расположения вулканов. Это зоны где континентальная кора граничит с океанической. Затем континентальная группа, главным образом система горных областей Евразии и Африканского континента преимущественно в зонах глубинных тектонических разломов земной коры. Наконец это океанические впадины в Мировом океане.

Больше всего вулканов и очагов крупных землетрясений расположено в зоне контакта литосферных плит. Это дислоцированные области активной тектоники, где магме относительно легко продвигаться к поверхности. Наиболее крупная из них получила название Тихоокеанского огненного кольца. Есть и другие, в Центральной Африке, по некоторым краевым зонам Атлантического, Индийского океанов и в Средиземном море.

Атлантическая зона включает в северной части Исландию, а к северо-западу от неё в Атлантическом океане действующий вулкан на острове Ян-Майен. Далее Канарские острова с несколькими вулканами и острова Зеленого Мыса с действующим вулканом Фогу. К северо-западу от Канарских островов располагается группа Азорских островов вулканического происхождения. В экваториальной и южной части Атлантического океана расположены вулканические острова Гвинейского залива, Вознесения, Св. Елены и Тристан-да-Кунья. К этой зоне принадлежит Гвинея с действующим вулканом Камерун.

Индийская зона включает три группы вулканических островов в Индийском океане. К ней отнесены вулканы Аравийского полуострова, Восточной Африки и Малой Азии, а также действующие в Антарктиде вулканы Эребус и Террор.

Обнаруженные на Земле вулканические образования к 2015 году

Средиземноморская зона охватывает вулканическую деятельность в пределах альпийской геосинклинали от крайнего запада Европы до юго-восточного окончания Азии и островов Малайского архипелага. Она включает вулканы Большой и Малый Арарат, Эльбрус и Казбек на Кавказе и Демавенд в Иране. Южнее Каспийского моря вблизи озера Ван в Турции находится вулкан Тендюрюк. Далее зона охватывает область Малайского архипелага, где она смыкается с Тихоокеанским огненным кольцом.

Тихоокеанское Огненное Кольцо протягивается от Камчатки на юг через острова Курильской гряды, Японский архипелаг, Филиппинские, Новую Гвинею, Соломоновы, Новые Гебриды и Новую Зеландию. Оно проходит вдоль западного побережья Южной Америки – от Огненной Земли и Патагонии через Анды и Кордильеры к южному берегу Аляски и Алеутским островам. В центральной части Тихого океана к нему приурочена вулканическая группа Сандвичевых островов, острова Самоа, Тонга, Кермадек и Галапогосские острова.

Общее количество действующих, спящих или потухших вулканов на планете точно неизвестно. Огромные пространства планеты пока недоступны для прямых наблюдений. Здесь есть и терминологическая проблема – что считать вулканом. Все известные вулканические образования, включая палеовулканы, только действующие или только те которые проявляли себя за тот или иной период времени. Имеются расхождения в ответе на вопрос как вести подсчёт вулканов. Только вулканические поля или учитывать каждый кратер, конус или маар в их пределах.

Если на суше число действующих вулканов или проявивших активность в историческое время в основном известно, то количество вулканических образований под водами Мирового океана определить достаточно трудно. Предполагается, что на суше сосредоточено только около двух процентов от всех существующих на Земле вулканов.

В каталоге вулканов Смитсоновского института (Smithsonian Institution) и Геологической службы США составленного по программе исследования вулканизма (Global Volcanism Program) приводятся данные о 1532 вулканических образованиях проявивших активность за последние десять тысяч лет.

Они расположены в США на Аляске, в Алеутской гряде, на Гавайях и вдоль западного побережья Тихого океана – всего 180 крупных вулканов.

На территории России выявлены 187 вулканических образований, из которых большинство находятся на Курильской гряде и на Камчатке. В Индонезии насчитывается 141 вулкан, в Японии – 128, а на территории Чили – 104. На территории Коста-Рика выявлено 120 вулканических образований, из которых 70 считаются активными.

Какие бывают вулканы и извержения?

Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастлива по-своему.

Лев Толстой «Анна Каренина», 1878 год

Перефразируя крылатую цитату Льва Толстова – все вулканы своим происхождениям обязаны протекающим в земных недрах магматическим процессам и в этом заключается их схожесть, но каждое извержение само по себе уникально. В силу этого их сравнение между собой затруднительно, а составление общей картины вулканической деятельности на планете проблематично просто из-за того что отвечающая научным критериям систематизация сведений о вулканах началась только к середине прошлого века.

Также достаточно сложно сравнивать вулканы из-за отсутствия равноточных данных о них. Есть относительно хорошо изученные вулканические провинции со статистикой извержений за сотни лет, но большинство действующих вулканов исследованы сравнительно мало. Об извержениях происходивших сотни и тысячи лет можно судить только по косвенным сведениям вскрывая отложения тефры, изучая геоморфологию лавовых полей или путём численного моделирования по ограниченным данным.

Изучение вулканов требует проведения масштабных изыскательских работ, включая геодезическое геологическое, геоморфологическое, гидрологическое исследование местности и многие другие виды исследований. Сравнение вулканов между собой осложнено тем, что характер извержений может меняться в одном и том же месте от одного события к другому и, даже, в ходе одного и того же извержения.

Вулканические образования могут быть разделены на группы по ряду общих признаков. Вулканы условно подразделяются на активные, спящие и потухшие. Для отнесения вулкана к активным или действующим используются разные подходы. Один из них применён Смитсоновским институтом в США. Для составления мирового каталога активных вулканов было принято считать таковыми те вулканические образования, которые хотя бы раз извергались за последние десять тысяч лет. Это подход имеет свои недостатки.

На планете есть хорошо изученные территории, где сведения о вулканизме можно найти за исторический период. К примеру, в Средиземноморье известны извержения более чем за три тысячи лет, а на Гавайских островах о вулканической деятельности можно судить только за последние двести лет. На дне Мирового океана действуют многочисленные вулканы, но об их активности почти ничего неизвестно.

В Японии метеорологическое агентство относит к вулканам горное образование, где происходило хотя бы одно извержение за последние 2,6 миллиона лет. В зависимости от времени их последних извержений они делились на активные, спящие и потухшие, но в 1979 году произошла серия извержений считавшегося потухшим вулкана Онтаке. С этого времени японские вулканологи перестали делить вулканические образования на классы.

Новый подход предполагал, что вулканы могут извергаться хотя бы раз за несколько десятков тысяч лет, но определить будет ли конкретный вулкан извергаться или нет в будущем невозможно. Комиссия по предсказанию извержений вулканов Японии отнесла к активным вулканам такие, которые не только извергались в прошлом, но и проявляют свою активность теми или иными признаками. В соответствии с этим критерием число активных вулканов на территории страны составило 77.

По мере натурных изысканий включавших изучение вулканических лав оказалось, что считавшийся потухшим вулкан сравнительно недавно извергался, но упоминаний об этом не сохранились. В 1991 году Комиссия по предсказанию извержений вулканов изменила критерий определения активного вулкана и к ним начали относить извергавшиеся хотя бы раз в последние две тысячи лет вулканы. По такому подсчету число активных вулканов составило 83. В 2003 году расчётный период увеличили до десяти тысячи лет и число активных вулканов выросло до 110.

В отличие от Японии или Италии, где издавна существует письменная культура, сопоставимой информации об имевшей на планете вулканической активности по многим регионам нет. Аналогичная ситуация сложилась и с землетрясениями. Там где издавна жили люди можно найти информацию о сильных землетрясениях и за тысячу лет. Но там где не было человеческих поселений судить об их сейсмоопасности можно только по кратковременному периоду инструментальных наблюдений или данным полеоизысканий.

Оценка состояния вулкана может быть дана по данным геофизических наблюдений. Это сейсмическая активность, характер фумарольной деятельности, химического состава газов и воды и т. д. Но предысторию извержений таким способом выявить сложно и не всегда геологические изыскания позволяют установить их точную датировку и оценить время возникновения новых.

Мониторинг состояния вулкана может быть эффективен, но требует больших затрат как интеллектуальных так и материальных. С одной стороны не всякое государство способно на проведение широкомасштабных исследований, а с другой, в механизме вулканических извержений многое остаётся неизвестным. Важно и то, что существуют районы, где мониторинг состояния вулканов никогда не проводился или его невозможно осуществить, как например на морском дне.

Таким образом, условно активные вулканы это те, которые проявляют признаки вулканической активности в настоящее время. Спящие это те, которые извергались в исторический период, но не проявляющие вулканическую активность на данный момент. Потухшие вулканы это не извергавшиеся в заданный интервал времени, например десять тысяч лет. Такая градация в общем виде позволяет сконцентрировать усилия исследователей и предохранительным службам на наиболее опасных вулканах.

Шкала VEI и положение на них наиболее известных вулканических извержений.

Другой важный момент в сравнении между собой вулканических извержений это их мощность. В большинстве случаев она оценивается постфактум и может быть дана разными способами – по объёму извергшейся лавы, массе выброшенных в атмосферу веществ, а также, по результатам воздействия на окружающую среду.