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.
Отметим, впрямую размеры причинённого людям ущерба не связаны с мощностью извержения. Во многом они определяются локальными условиями и близостью к вулканам населённых пунктов, исключая случаи глобального воздействия на среду обитания человека.
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. Отметим, схожий приём часто применяется для сравнения различных природных явлений. К примеру, шкала магнитуд Рихтера также сравнивает все землетрясения по силе без учёта особенностей их очагов – глубины, характера разрыва и др. Это позволяет классифицировать по энергии различные землетрясения.
По вулканической шкале VEI извержения с объёмом выбросов менее десяти тысяч кубометров относятся к нулевому, а с выбросом в атмосферу более тысячи кубокилометров пепла и высотой столба пепла более 25 километров относятся к максимальному – восьмибалльному. В нулевом диапазоне находятся часто происходящие, если не сказать непрерывно с учётом подводного вулканизма, неэксплозивные извержения.
Значение в VIII баллов присваивается супер или мегаизвержением оказывающих разрушительное влияние на атмосферу планеты. Таковых за исторический период было немного, но все они ставили под угрозу существование высокоразвитых организмов. С учётом имеющихся данных повторение VIII бальных извержений нестрого оценивается как одно на пятьдесят тысяч лет. С момента появления предков современных людей – около 150—200 тысяч лет назад их было три, но все они имели знаковое значение для человеческой популяции.
Достаточно часто происходят извержения вулканов с показателем V и VI баллов VEI. Их случалось немало на исторической памяти и почти все они приводили к социальным потрясениям. Так, извержению вулкана Лаки в 1783 году последовал голод и революция во Франции оказавшая огромное влияние на становление современной цивилизации.
По общим характеристикам извержения подразделяются на несколько типов получивших наименования по местам, где они впервые наблюдались.
Вулканический тип назван по итальянскому острову Вулькано. Он также называется плинианским по имени римского учёного Плиния погибшего при извержении Везувия в 79 году. Это извержение характеризуется возникновением сильных и внезапных взрывов следующих после длительного периода покоя. Выбрасывается большое количество пепла, образуются палящие тучи и пирокластические потоки, но лавовые потоки образуются не всегда. Извержение может завершиться обрушением вулканического сооружения и образованием кальдеры.
Гавайский тип получил наименование от извержений характерных для вулканов Килауэа, Кохала, Мауна-Кеа, Мауна-Лоа и Хуалалаи на Гавайских островах. Главная особенность вулканов этого типа это свободное фонтанирование и излияние жидкой базальтовой лавы, а также образование лавовых озёр. Фонтаны лавы способны достигать высоты тысячи и более метров. Лавы изливаются из трещин, отверстий или кратеров. Когда жерло у вулкана одно, то лава растекается радиально, образуя щитовой вулкан с пологими склонами.
Исландский тип извержений подобен гавайскому, но характеризуется излиянием жидкой базальтовой лавы из тектонических трещин. Кратеры наполняются лавой, которая затем растекается многочисленными потоками. Примером может служить извержение 1782 года щитового вулкана Лаки в Исландии.
Пелейский тип получил название по вулкану Монтань-Пеле расположенном на острове Мартиника в Карибском море. Он характеризуется проявлением мощных направленных взрывов после длительного периода покоя. При этом образуются мощные раскалённые лавины и палящие тучи. Лавы обычно очень вязкие и успевают затвердеть до выхода из жерла с образованием одного или нескольких экструзивных куполов и выжиманием над ним обелиска. В 1956 году на Камчатке произошло подобное извержение. Тогда взрывом была уничтожена вершина вулкана Безымянный, произошёл выброс тучи пепла, а по его склонам сошли раскалённые лавины.
Стромболианский тип назван по имени вулканического острова Стромболи в Средиземном море. Это длящееся последние двадцать тысяч лет одно почти непрекращающееся извержение. Оно характеризуется небольшими умеренными взрывами на вершине кратера с интервалом от нескольких минут до часа. Во время которых происходит выброс вулканических бомб, пепла, газов и образование лавовых потоков. Высота эруптивного столба достигает около десяти километров. Известны случаи когда происходило разбрызгивание лавы в радиусе до трехсот метров. Вулкан Стромболи находится в активной фазе более четырёхсот лет, а вулкан Ясур на острове Вануату в Тихом океане уже более двухсот.
При отдельных извержениях стромболианского типа образуются небольшие шлаковые конусы из базальтового или андезитового шлака. При извержении вулкана Парикутин в Мексике за период с 20 февраля 1943 до его окончания 9 марта 1952 образовался конус вулканического шлака, а ближайшие окрестности оказались засыпаны пеплом. Лава покрыла площадь почти в двадцать квадратных километров и уничтожила несколько населенных пунктов.
Гавайский тип извержений преобладает в районах горячих точек, что характерно для действующего вулкана Питон-де-ла-Фурнез на острове Реюньон и в рифтовых зонах. Вулканический и пелейский типы извержения происходят в основном в зонах субдукции. Известны и исключения, например стромболианский тип извержения наблюдался в различных геодинамических условиях.
Процесс образования вулканического сооружения связан с понятием кальдеры. Это обширная циркообразная котловина с крутыми стенками и относительно ровным дном окруженная валом. Кальдеры образуются при мощных взрывных извержениях, при обрушении стенок кратера в процессе эрозии, гравитационном проседании тела вулкана из-за разгрузки магматического очага. Примером может служить кальдера в Лонг-Велли. Её размеры составляет 16х32 километра, а на поверхность поступило примерно шестисот кубокилометров вулканического материала.
По форме вулканические кальдеры схожи с ударными кратерами как на земной поверхности так и других космических телах. Это вносит определённую неопределенность при объяснении характера рельефообразующих процессов на внеземных объектах.
Извергающиеся вулканы могут быть подразделены в зависимости от строения кратеров. Сама форма вулканического образования определяется состоянием лав и их составом. По форме вулканические образования подразделяются на несколько типов.
Купольные вулканы образуются, когда вязкая магма не способна стекать со склонов и образует куполообразную возвышенность. Застывшая лава перекрывает вулканическое жерло перемычкой, которую в какой-то момент выбивает давление скопившихся газов. Такой купол формируется сейчас над кратером вулкана Св. Елены (Сент-Хеленс) на северо-западе США после извержения 1980 года.
Сложные (смешанные, составные) вулканы. При одновременном сочетании действия различных факторов образуются сложные вулканические образования. Это структуры с несколькими вершинами и кратерами. К ним относятся вулканы Хома в Кении, Пакая в Гватемале, Келимуту в Индонезии и другие.
Стратовулканы или слоистые вулканы это периодически извергающие вязкую и быстро застывающую лаву, пирокластические вещества из смеси горячего газа, пепла и раскалённых камней. При таком извержении образуется конструкция вулкана в виде конуса, на склонах которого предыдущие остывшие отложения магмы перекрываются новыми пластами. Они постепенно наращивают высоту и крутизну склонов вулкана. Застывающие выходы лавы из трещин формируют ребристые коридоры.
К стратовулканам относится Везувий и Этна в Италии, а в Японии – Фудзияма. Местоположение большинства стратовулканов связано с областями субдукции располагающимися вдоль границ тектонических плит. Также это континентальный вулканизм, к которому относятся Каскадные горы, Центральные Анды и вулканизм островных дуг Алеутских островов и Японии.
Щитовые вулканы формируются многочисленными выбросами лавы с пониженной вязкостью позволяющей ей растекаться на значительное расстояние. При этом образуется форма напоминающая щит с небольшим возвышением в центре – кратере, пологими склонами изрезанными ущельями и трещинами. Самый крупный действующий вулкан подобного типа на суше это Мауна-Лоа на острове Гавайи. Его основание занимает площадь в 7,5 тысячи квадратных километров. К ним щитовым относятся вулканы в Исландии, где извержения происходит по трещинам. Примером может служить щитовой вулкан Гекла, а крупнейшим щитовым вулканом на планете считается подводный массив Таму диаметром 625 километра и высотой в четыре километра. Он находится в 1600 километрах от берегов Японии в Тихом океане.
Шлаковый конус это относительно небольшое вулканическое образование конической формы с усечённой вершиной. При извержении таких вулканов крупные фрагменты пористых шлаков нагромождаются вокруг кратера слоями в форме конуса, а мелкие фрагменты формируют у подножия покатые склоны. С каждым новым извержением высота вулкана увеличивается. На суше это самый распространённый тип вулканов. В высоту они не превышают несколько сотен метров. К таким вулканам относится Плоский Толбачик в России образовавшийся на древнем щитовом вулкане.
Самый очевидный фактор, различающий вулканические образования, это их местоположение – на суше и под водой на Земле или на иных космических телах. Наземными считаются вулканы находящиеся на суше, вдоль разломов тектонических плит и на островах вулканического происхождения. Подводные вулканы расположены на дне Мирового океана и в отдельных случаях их деятельность приводит к образованию вулканических островов. Таковых в Мировом океане насчитывается более десяти тысяч.
Острова Вест-Мата и Мёдзин в Тихом океане вулканического происхождения. У берегов Японии обнаружены подводные кальдеры в островной дуге Идзу-Бонин (Izu-Bonin), а в восточном Хоккайдо расположена кальдера Кусхаро (Kussharo) размером 23х24 километра. Исландия это древнее вулканическое плато сохраняющее свою вулканическую активность.
Развитие космонавтики вписало в вулканологию новую страницу. Были обнаружены подобные земным вулканические образования на Венере и Марсе. На спутниках планет-гигантов найдены отличающиеся по природе возникновения и составу извергающегося вещества вулканические образования.