М. Д. Хуторской, В. П. Зволинский, А. А. Рассказов мониторинг и прогнозирование геофизических процессов и природных катастроф

Вид материала

Рассказ

Содержание Гавайский тип извержений Рис.14. Типы вулканических извержений Пелейский тип Рис.17. Положение дуги островов после взрыва

Подобный материал:

• Элективный курс «Физика природных процессов» (методическое пособие для учителя) Омск, 336.07kb.
• От экологических кризисов и катастроф к устойчивому развитию, 113.48kb.
• Рабочей программы учебной дисциплины физика природных процессов уровень основной образовательной, 60.78kb.
• Фгугп «Кавказгеолсъемка», г. Ессентуки, 42.38kb.
• Безопасность в чрезвычайных ситуациях мониторинг и прогнозирование опасных метеорологических, 192.6kb.
• Тема урока: "Природные катастрофы", 43.66kb.
• Государственный стандарт российской федерации безопасность в чрезвычайных ситуациях, 248.3kb.
• Государственный стандарт российской федерации безопасность в чрезвычайных ситуациях, 420.28kb.
• «Мониторинг птичьего населения в районе особо охраняемых природных территорий (остров, 25.39kb.
• Оценка параметров современных геодинамических процессов по данным региональных геофизических, 277.53kb.

Вулканизм

...Если только есть на Земле место, где можно встретить дьявола, то искать его надо у этих диковинных отдушин, где беспокойная огненная масса прорывается через тонкую скорлупу земной коры.

Гарун Тазиев. «Встречи с дьяволом»

В душах людей, начиная с первобытных времен, эти величественные проявления внутриземной энергии связывались с дьявольской силой.

Цивилизованный человек не ассоциирует больше огнедышащие горы с этими злыми духами; но даже одержимый страстью к познанию, он все же порой не может преодолеть первобытный страх, унаследованный от давних времен. Ведь вряд ли бывают в природе явления, которые по своему грозному величию могли бы сравниться с разгулом вулканической стихии. И любой смертный, сколь бы высоко развит он ни был, не может перед лицом таких зрелищ обуздать чувство ужаса, которое невольно возникает в его душе.

Знаменитый исследователь вулканов, бельгийский геолог Гарун Тазиев не сравнивал вулканы с источниками «всепожирающих драконов и сатанинского племени». Он как настоящий естествоиспытатель отдал все свои знания, опыт и энтузиазм делу изучения вулканов и проявлений вулканизма,

«Вулканы, подобно людям, имеют собственную индивидуальность, – писал он. Как и человеку, каждому вулкану присущи свои настроения, каждый вулкан развивается и изменяется до тех пор, пока он существует. Но если человеческая жизнь исчисляется годами, то жизнь вулкана нередко насчитывает столетия, а еще чаще тысячелетия».

В Японии вулканы, как и вся природа – цветы, деревья, горы, – объекты поклонения, и весь народ совершает паломничество к Фудзияме и Асаме, которые славятся не столько как вулканы, сколько как места поклонения последователей синтоизма. Вулкан Фудзияма спит уже более 250 лет, но Асама – вулкан в разгаре своей деятельности, и, к несчастью, нередко случается, что при внезапном извержении из его жерла вылетают огромные вулканические бомбы, которые застают паломников врасплох вблизи кратера. Известны жертвы таких паломничеств к вершине.

Всем известна трагедия античных времен, когда при извержении Везувия в 79 г. н.э. полностью погибли цветущие города Помпеи и Геркуланум. Уже с тех пор люди поняли, что вулканы требуют постоянного к себе внимания и изучения. На многих действующих вулканах, находящихся в разных частях планеты, существуют вулканологические обсерватории, на которых в режиме мониторинга ведутся наблюдения за поведением подопечного объекта. Эти наблюдения, которые проводятся уже два тысячелетия, позволили многое узнать о природе вулканизма и поведении отдельных вулканов. Они позволили классифицировать вулканы по типам и оконтурить границы вулканических провинций, они научили людей использовать в своих целях огромную энергию, сконцентрированную в недрах вулкана.

Что же такое вулканизм? Каковы причины его возникновения? Почему лава не везде прорывается сквозь толщу земной коры на поверхность? Попробуем последовательно разобраться во всех этих вопросах.

Вулканизм – это частный случай более мощного земного процесса – магматизма.

Магматизмом называются явления, связанные с образованием, изменением состава и движением магмы из недр Земли к ее поверхности. Магма представляет собой природный высокотемпературный расплав, образующийся в виде отдельных очагов в литосфере и верхней мантии (главным образом, в астеносфере). Подъем магмы и прорыв ее в вышележащие горизонты происходит в ослабленных по прочности разломных и флексурных зонах вследствие инверсии плотностей между твердой и жидкой фазами мантийного вещества. Если внутри литосферы расплавленное вещество занимает плоскопараллельный слой, то на него не действует архимедова сила, но стоит появиться неоднородности в этом плоскопараллельном слое – выступу, куполу, дайке или штоку, как сразу же начинают действовать выталкивающие силы, которые позволяют магме подняться, нарушить термодинамическое равновесие уже в вышележащих слоях, подняться еще выше и т.д. Таким образом магматизм – это глубинный процесс, обусловленный тепловым и гравитационным полями Земли.

В зависимости от характера движения магмы различают интрузивный и эффузивный магматизм. При интрузивном магматизме (плутонизме) магма не достигает земной поверхности, а активно внедряется во вмещающие вышележащие породы, частично расплавляя их, и застывает в трещинах и полостях коры. При эффузивном магматизме (собственно вулканизме) магма через подводящий канал достигает поверхности Земли, где образуются вулканы различных типов, и застывает на поверхности. В обоих случаях при застывании расплава образуются магматические горные породы. Температуры магматических расплавов, находящихся внутри земной коры, судя по экспериментальным данным, результатам физического моделирования и изучения минерального состава магматических пород, находятся в пределах от 700 до 1300^оС.

С точки зрения химического состава магма представляет собой сложную многокомпонентную систему, образованную в основном кремнеземом SiO₂ и веществами, химически эквивалентными силикатам Al, Na, K, Ca. Преобладающим компонентом магм является кремнезем. В природе существует несколько типов магм, различающихся по химическому составу. Состав магм зависит от состава материала, за счет плавления которого они образуются. Однако при подъеме магмы происходит ее частичное плавление и растворение вмещающих пород земной коры, или их ассимиляция; при этом ее первичный состав меняется. Таким образом, состав магм изменяется как в процессе их внедрения в верхние горизонты коры, так и в процессе кристаллизации. На больших глубинах в магмах в растворенном состоянии присутствуют летучие компоненты – пары воды и газов (H₂S, H₂, CO₂, HСl и др.). В условиях высоких давлений их содержание может достигать 12%. Они являются химически активными, подвижными веществами и удерживаются в магме только благодаря высокому внешнему давлению.

В процессе подъема магмы к поверхности, по мере снижения температур и давлений происходит распад системы на две фазы – расплав и газы. Если движение магмы медленное, ее кристаллизация начинается в процессе подъема, и тогда она превращается в трехфазную систему: газы, расплав и плавающие в нем кристаллы минералов. Дальнейшее охлаждение магмы приводит к переходу всего расплава в твердую фазу и к образованию магматической породы. При этом летучие компоненты отделяются и основная их часть удаляется по трещинам, окружающим магматическую камеру, или непосредственно в атмосферу в случае излияния магмы на поверхность. В затвердевшей породе сохраняется лишь незначительная часть газовой фазы в виде мельчайших включений в минеральных зернах. Таким образом, состав исходной магмы определяет состав главных, породообразующих минералов сформировавшейся породы, но не является строго идентичным ему в отношении содержания летучих компонентов.

Процессы магматизма играют исключительно важную роль в формировании земной коры, поставляя в нее материал из мантии, наращивая кору и приводя к перераспределению материала внутри самой коры. Магматические породы составляют основную часть земной коры, занимая более 90% ее объема. Характерными их особенностями являются массивное строение и залегание в большинстве случаев в виде несогласных, резко ограниченных тел, активно контактирующих с вмещающей осадочной толщей. Наличие таких активных контактов связано с температурным воздействием магмы на окружающие породы и с деформацией пород кровли при подъеме магмы.

В основу классификации магматических пород по химическому составу положено содержание в них кремнезема. В природе не встречены породы, у которых содержание SiO₂ было бы меньше 24% и больше 85%. Породы с содержанием SiO₂ более 65% называются кислыми, 65-52% – средними, 52-45% – основными и менее 45% – ультраосновными. Название “кислые породы” произошло от слова “кремнекислота”, которым раньше обозначали SiO₂; название “основные породы” – от слова “основание” (Ca, Mg, Fe и др.). По содержанию других главных оксидов магматические породы подразделяются на известково-щелочные (породы нормального ряда) и щелочные. Для пород нормального ряда характерно следующее соотношение содержаний главных оксидов: Na₂O+K₂O+CaO > Al₂O₃ > Na₂O+K₂O; для пород щелочного ряда: Na₂O+K₂O > Al₂O₃. Породы щелочного ряда встречаются крайне редко и составляют в природе не более 2% всей массы магматических пород.

Основными породообразующими минералами магматических пород являются силикаты и свободный кремнезем – кварц. Среди силикатов в кислых, средних и основных породах преобладают полевые шпаты, которые в ультраосновных породах отсутствуют. В связи с этим классификация магматических пород по минеральному составу проводится по наличию или отсутствию полевых шпатов, их количеству и составу. Вторым по классификационному значению минералом является кварц, далее следуют железо-магнезиальные силикаты (оливин, пироксены, роговая обманка, биотит). Кислые породы в минеральном отношении характеризуются наличием кварца. В состав средних пород кварц не входит, так как весь кремнезем идет на постройку силикатов, которые однако насыщены SiO₂. В основных и, особенно, в ультраосновных породах содержится оливин – силикат, не насыщенный SiO₂.

На основании количественных соотношений главных породообразующих минералов с учетом химического состава, структур и условий образования пород А.Н.Заварицким составлена классификация магматических пород. Согласно этой классификации, магматические породы нормального ряда по содержанию полевых шпатов, кварца и железо-магнезиальных силикатов подразделены на пять групп, в каждую из которых входят близкие по химическому и минеральному составу породы интрузивного и эффузивного рядов. Название каждой группы составлено из названий наиболее распространенной интрузивной породы и ее эффузивного аналога:

1. группа перидотитов, по содержанию кремнезема соответствующая ультраосновным породам – гипербазитам;
   
2. группа габбро-базальтов, соответствующая основным породам – базитам;
   
3. группа диоритов-андезитов, соответствующая средним породам;
   
4. группа сиенитов-трахитов, соответствующая средним породам щелочного ряда;
   

1. группа гранитов-риолитов и гранодиоритов-дацитов, соответствующая кислым породам.
   

Магматические породы характеризуются исключительным разнообразием, так, в настоящее время известно более тысячи их разновидностей. Однако широко распространено лишь около ста из них, причем некоторые слагают обширные участки земной коры, а некоторые встречаются спорадически. Различные магматические породы встречаются не в произвольных сочетаниях, а в определенных ассоциациях. Совместно находятся породы, связанные общностью происхождения.

Существует по крайней мере две гипотезы о происхождении первичной магмы. Споры на этот счет продолжаются и в настоящее время. Гипотеза о происхождении двух первичных магм: базальтовой и гранитной была выдвинута российским петрографом Ф.Ю.Левинсоном-Лессингом в 20-х годах ХХ века. Но вскоре Н.Боуэн выдвинул другую гипотезу о происхождении только одной первичной магмы – базальтовой, которая пользуется широким признанием. Особенно много приверженцев эта гипотеза завоевала после появления и разработки в теоретической геологии концепции тектоники литосферных плит. В этой концепции основным источником магматизма рассматривается астеносфера, которая наиболее близко к поверхности Земли располагается в срединно-океанических хребтах. Именно в этом поясе происходит излияние подавляющего количества типичных океанических базальтов (им даже присвоено соответствующее название – MORB – mid oceanic ridge basalts). По мере движения литосферной плиты от зоны спрединга к зоне субдукции происходит эволюция вулканизма, которая сильнее всего выражена в островодужных системах – здесь, как уже выше упоминалось, вулканизм приобретает андезито-базальтовый облик, т.е. несколько обогащается кремнеземом. Гранитный вулканизм не характерен ни для океанической, ни для переходной земной коры, поэтому считается, что излияние кислых риолитовых лав и внедрение гранитов и гранодиоритов – это признак уже сформировавшейся континентальной коры. Таким образом, процесс тектонической эволюции океанической коры в континентальную ассоциируется с эволюцией вулканизма – базальтовая магма, продвигаясь к поверхности, как бы постепенно обогащается легкими и легкоплавкими компонентами.

Имеются однако доводы и в пользу существования первичной гранитной магмы. Самые основные из них – это очень широкое распространение гранитов, их самостоятельное, независимое от базальтов залегание и невозможность образования больших масс гранитов за счет дифференциации базальтовой магмы. Очаги гранитной магмы возникают в пределах коры на глубинах 10-30 км. По современным представлениям, гранитная магма образуется в результате переплавления осадочных и метаморфических пород. Энергетическим источником для локального плавления на таких глубинах, как показывает термодинамическое моделирование, могут быть только астенолиты, достигшие глубин земной коры по проницаемым зонам. Другой значительный энергетический источник – радиоактивный распад – не может дать сконцентрированного тепла в таких масштабах, чтобы поднять температуры до точки плавления гранитов.

Огромное разнообразие магматических пород, встречающихся в природе, обязано своему происхождению тем физико-химическим процессам, которые нарушают однородность первичного магматического расплава. К таким процессам относятся дифференциация, ассимиляция и гибридизация.

Дифференциация – это процесс разделения однородного первичного расплава на различные по химическому составу фракции, из которых образуются горные породы разного минерального состава. Дифференциация бывает трехэтапная: ликвация – появление первых кристаллов в расплаве, кристаллизационная дифференциация – отделение кристаллов от расплава и гравитационное фракционирование – последовательная кристаллизация силикатов, начиная от наиболее тугоплавких и тяжелых (железо-магнезиальные силикаты и основные плагиоклазы) и кончая легкоплавкими и легкими (калиевые полевые шпаты и кварц). В процессе фракционирования тяжелые минералы погружаются в нижние слои расплава, а оставшийся расплав последовательно обедняется железо-магнезиальными соединениями и обогащается кремнеземом. Таким образом, в процессе гравитационной дифференциации в нижних частях расплава могут образовываться ультраосновные породы, а в верхних частях расплав приобретает такой состав, что из него начнут формироваться диориты, сиениты и даже граниты.

Ассимиляция – это процесс полной переработки вмещающих пород, контактирующих с магмой или попадающих в нее в виде обломков – ксенолитов. Расплавляя и растворяя вмещающие породы, магма тем самым изменяет свой состав.

Гибридизация – процесс неполной переработки магмой вмещающих пород. В ходе этого процесса внутри магматической камеры сохраняются непереплавленные ксенолиты, а на окружающих их участках магма контаминируется («загрязняется») чужеродными компонентами. При застывании таких участков образуются гибридные породы с нарушенным, нетипичным для магматических пород соотношением главных оксидов с нехарактерными для этих пород минералами. По своему составу участки гибридных пород резко отличаются от пород главной части массива.

Эффузивный магматизм, или вулканизм проявляется в обстановке дробления земной коры и образования разломов, по которым магма поднимается и изливается на поверхность Земли. Магма, излившаяся на поверхность, превращается в лаву. Лава отличается от магмы тем, что почти не содержит летучих компонентов, которые при падении давления отделяются от магмы и уходят в атмосферу.

При излиянии магмы на поверхности образуются вулканы различного типа. По характеру пространства, занимаемого поднимающейся магмой, вулканы подразделяются на площадные, трещинные и центральные. Площадные вулканы существовали только на ранних стадиях истории Земли, когда земная кора была тонкой (а на отдельных участках и вовсе отсутствовала) и излияния магмы происходили на обширных площадях. Площадные вулканы – это моря расплавленной лавы. Трещинные вулканы представляют собой излияния лав по протяженным трещинам. Вулканизм трещинного типа в отдельные отрезки времени достигал очень широких масштабов, в результате чего на поверхность Земли выносилось огромное количество вулканического материала. На современном этапе трещинные вулканы распространены ограниченно, хотя и встречаются в отдельных районах, например, вулкан Лаки в Исландии, вулкан Толбачик на Камчатке и др. Большинство современных вулканов относится к центральному типу. При извержении таких вулканов обычно образуются конусообразные постройки.

Иногда на склонах конуса возникают маленькие конусы. Они образуются в месте выхода побочных каналов, ответвляющихся от основного. Такие маленькие конусы получили название побочных, или паразитических.

С течением времени конус вулкана, сложенный лавами и туфами, может быть полностью или частично разрушен процессами денудации. Особенно часто это наблюдается у потухших вулканов. При этом на вершине конуса возникает обширная округлая депрессия – кальдера. Как правило кальдеры имеют крутые внутренние стенки и довольно плоское дно¹². Размеры кальдер бывают довольно внушительными. Например, диаметр кальдеры Аниакчак на Аляске достигает 10 км. Примерно такие же размеры у кальдеры Узон на Камчатке. Одна из кальдер Мауна-Лоа имеет 6 км в длину и 3 км в ширину; кальдера Килауэа имеет 3,7 км в длину и 2,5 км в ширину. Обе эти кальдеры на Гавайях образовались в результате обрушения вершин гор вслед за оттоком лавы на глубине.

Извержения вулканов носят различный характер: они могут сопровождаться взрывами и землетрясениями или протекают спокойно. Взрывы часто происходят в результате закупорки жерла вязкими лавами и скопления газов под образовавшейся пробкой. Жидкие лавы спокойно переливаются через край кратера и растекаются по окружающей местности. Если говорить о фазовом состоянии продуктов вулканизма, то они могут быть в любом из них: газообразные, жидкие и твердые продукты вулканической деятельности.

Газообразные продукты – фумаролы характеризуются высокой температурой и разнообразным составом. В них содержатся H₂O, CO₂, N₂, H₂S, CO, Cl₂ и др. В зависимости от температуры выделяются сухие, кислые и щелочные фумаролы. Сухие фумаролы отличаются высокой температурой (около 500°С). В них практически не содержится водяных паров, но зато они насыщены хлористыми соединениями: NaCl, KCl, FeCl₂ и др. Кислые фумаролы обладают температурой 300-400°С. В отличие от сухих, они содержат водяные пары, HCl и H₂S. Щелочные фумаролы характеризуются средними температурами 180-200°С, и содержат главным образом NH₄Cl, при разложении которого выделяется свободный аммиак.

Газовые выделения с температурой около 100°С называются сольфатарами; они состоят преимущественно из водяных паров и H₂S. Газовые выделения с температурой менее 100°С называются мофетами; они представлены главным образом углекислым газом и водяными парами.

В ряде случаев выделение вулканических газов достигает грандиозных масштабов. Наличие газов в магме замедляет ее остывание, а их потеря приводит к быстрому затвердеванию жидких продуктов извержения.

Жидкие продукты, или лавы, при извержении характеризуются высокими температурами, колеблющимися в пределах 800-1200°С. Как отмечалось выше, лава представляет собой магму, в значительной степени потерявшую газовые компоненты.

Поскольку лавы обладают различными минералогическим составом и физическими свойствами, то при излиянии их на поверхность Земли образуются эффузивные тела разной формы: купола (конусы), покровы и потоки. Лавы базальтового состава имеют очень низкую вязкость, поэтому в начальной стадии извержения такие лавы свободно текут в виде лавовых потоков. Остывая, они затвердевают, и при этом образуется хрупкая твердая корка, а затем полностью затвердевшая масса. Пока растворенные в лаве газы имеют свободный выход, извержение протекает относительно спокойно, хотя временами вспенивание приводит к выбросу лавовых фонтанов и разбрызгиванию шлака вокруг жерла. Таким типом извержений характеризуются вулканы Гавайских островов и срединно-океанических хребтов, поэтому лавовыми потоками в виде застывших пиллоу-лав («подушечных лав») сложена большая часть океанского дна.

Лавы островных дуг и окраин континентов имеют в основном андезитовый (средний) или риолитовый (кислый) состав. Кислые, богатые кремнеземом лавы характеризуются гораздо большей вязкостью по сравнению с базальтовыми и поэтому имеют тенденцию скапливаться на крутых склонах, образовывать пробки в виде куполов и, закупоривая жерло, вызывать взрывы.

Помимо газообразных и жидких продуктов во время извержения вулкана выбрасывается большое количество твердых продуктов, которые представлены обломками горных пород или кусками успевшей застыть лавы. Твердые продукты, выбрасываемые в воздух, падают на различном расстоянии от кратера. При этом наблюдается определенная закономерность: более крупные обломки падают у края кратера и скатываются вниз по его внешнему и внутреннему склонам, более мелкие выбрасываются на прилегающие равнины или откладываются у подножья конуса. В зависимости от величины обломков твердые продукты вулканизма подразделяются на вулканические бомбы (куски от нескольких сантиметров до 1 м и более в диаметре), лапилли ¹³ (2-3 см в диаметре), вулканический песок (1-5 мм) и пепел (менее 1 мм). При накоплении и уплотнении пепла формируется вулканический туф. Из скоплений вулканического материала различных размеров образуются породы, называемые агломератом, или вулканической брекчией.

Размещение вулканов подчиняется определенной закономерности, обусловленной современной геодинамикой литосферы. Можно выделить по крайней мере четыре группы вулканов, связанных с определенной тектонической обстановкой. Из 700 известных сейчас активных вулканов, т.е. действовавших в историческое время, примерно 65% сосредоточены в островных дугах вокруг Тихого океана или на континентальной стороне границ между плитами. Примером могут служить Алеутские и Курильские острова, Камчатка, Япония, Марианские острова, Филиппины, Центрально-Американский пояс, Анды и т.д. Второй пояс концентрации вулканов, в котором сосредоточено примерно 25% их общего количества, протягивается вдоль Средиземноморско-Гималайского сегмента, т.е. через Италию, Грецию, Турцию, Армению, Иран и т.д. с выходом к Южной Азии и Индонезии. Вулканы третьей группы, связанные со срединно-океаническими хребтами (примерно 7% от общего количества), расположены в Исландии, на Азорских островах, на о-вах Тристан-да-Кунья, Асунсьон, Ян-Майен и др. Четвертая группа включает цепочки вулканических островов в Тихом океане, и в первую очередь Гавайские острова. Кроме наземных вулканов, в акватории океанов по разным оценкам насчитывается от 8 до 15 тыс. подводных вулканов высотой не менее 1 км. Большинство из них никогда не поднимались выше уровня моря, но часть из них некогда были вулканическими островами, теперь погруженными вследствие тектонических движений.

Рассмотрим типы вулканических извержений. Характер извержений бывает весьма различным и зависит от температуры лавы и ее химического состава. Эти свойства определяют качество и количество продуктов извержения, наличие и силу сопровождающих землетрясений и т.д. По таким признакам установлено несколько четко выраженных типов извержений – гавайский, стромболианский, везувианский и пелейский

Содержание