Почему и как происходят извержения вулканов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Почему и как происходят извержения вулканов

Когда образуется расплавленная магма?

Ты, возможно, думаешь, что в магматическом очаге магма всегда находится в жидком (расплавленном) состоянии? На самом же деле высокая температура порядка 1000°С - еще не гарантия того, что магматическая порода должна расплавиться. Тут необходимо учитывать давление, под которым находится порода. Чем выше давление, тем больше должна быть температура, при которой твердая порода начинает плавиться. Обычно магматический очаг находится на глубине не менее 10-20 км и давление пород там составляет при обычных условиях 3000-5000 атм. При столь высоких давлениях базальтовая масса оказывается твердой, так что в данном случае вулканическое извержение невозможно.

Чтобы магма в магматическом очаге расплавилась, должен произойти хотя бы один из следующих двух процессов. Первый: при неизменной температуре быстро и значительно снижается давление магматических пород. Второй: при неизменном давлении быстро и значительно повышается температура. Еще лучше, если произойдут оба процесса одновременно.

Первый процесс может возникнуть (и возникает на практике), когда вдруг происходит подвижка литосферных плит, вызванная подземными толчками при землетрясении. Второй процесс может возникнуть (и тоже возникает на практике), когда внезапно и самопроизвольно происходит полимеризация магмы, т.е. когда молекулы вещества магмы начинают вдруг образовывать полимерные структуры. Этот процесс сопровождается высвобождением энергии, в результате чего резко повышается температура. В данном случае расплавление магмы вызывается не внешними причинами, связанными с землетрясениями, а причинами внутренними. Впрочем, вполне возможно, что рассматриваемые процессы взаимосвязаны. Возможно, что именно подземные толчки провоцируют полимеризацию магмы.

Итак, сделан первый шаг к началу вулканического извержения: магматический очаг расплавился (или, во всяком случае, начал плавиться). Однако, как ты понимаешь, для извержения этого еще недостаточно. Нужны какие-то силы, которые бы заставили подниматься расплавленную магму вверх по жерлу вулкана.

Почему расплавленная магма поднимается по жерлу вулкана?

Надо учесть, что в жидкой магме растворены водяные пары и различные газы (СО₂, СО, НС1, СН₄ и другие). Надо учесть также, что при снижении давления растворимость газа в любой жидкости, и в частности в жидкой магме, уменьшается. Этот эффект тебе знаком. В бутылке газированной воды находится под давлением углекислый газ. Когда ты открываешь бутылку, давление резко падает - и немедленно начинается бурное образование пузырьков. Это из воды выделяется углекислый газ, который был растворен в ней. Получается, что подвижка литосферных плит при землетрясении может подействовать на жидкую магму таким же образом, как действует открывание пробки на бутылку газированной воды (или, что еще эффектнее, на бутылку шампанского).

А что если расплавление магматического очага вызвано не землетрясением, а полимеризацией магмы, приводящей к повышению температуры? В этом случае начнется выделение пузырьков водяного пара - магма закипит. Подобно тому, как закипает на огне обычный чайник с водой.

Таким образом, при резком снижении внешнего давления или повышении температуры в магматическом очаге начинается не только плавление магмы, но и выделение содержавшихся в магме газов и паров.

Газы и пары давят на жидкую магму, и под их давлением магма начинает подниматься по жерлу вулкана. Процесс вулканического извержения начался!

А уж если он начался, то дальше будет усиливаться все больше и больше. Ведь по мере подъема внешнее давление на магму будет постепенно уменьшаться, а, значит, выделение газов из магмы будет происходить активнее. Газов будет становиться все больше и больше. Они будут сильнее гнать магму по жерлу. И если магма в каком-то месте жерла вдруг задержится, сгустится, создаст «пробку», то неизбежен взрыв...

Впрочем, мы уже начали обсуждать, как происходит вулканическое извержение. Займемся же теперь этим вопросом. Выясним, от чего зависит тот или иной характер извержения.

От чего зависит характер вулканического извержения?

магма вулканический извержение гейзер

Он зависит прежде всего от химического состава и физических свойств данной магмы. Тебе уже известно, что в зависимости от содержания оксида кремния различают кислые, средние, основные и ультраосновные магматические породы. Если оксида кремния больше 65%, то это породы кислые; при содержании оксида кремния от 65% до 52% говорят о средних породах, при содержании от 52% до 45% - об основных породах, при содержании менее 45% - об ультраосновных породах. Граниты и криолиты (в частности, обсидиан) являются кислыми породами; в них содержится достаточно много оксида кремния. А базальты относятся к основным породам; в них оксида кремния значительно меньше. Важно иметь в виду, что, чем кислее порода (чем больше в ней оксида кремния), тем более вязкой будет соответствующая магма и тем медленнее происходит выделение газов в ней.

В общих чертах можно представить две принципиально разных картины вулканического извержения. Первая картина соответствует достаточно кислой магме. В этом случае движение магмы по жерлу вулкана происходит сравнительно медленно как из-за того, что магма слишком вязкая, так и из-за того, что газы выделяются из магмы не слишком активно и потому не слишком сильно гонят магму по жерлу. При медленном движении вполне вероятно образование магматических пробок. При появлении пробок немедленно возрастает давление выделившихся из магмы газов и возникают взрывы. В результате извержение протекает со взрывами, приводящими к выбросу из кратера на большую высоту (до 10 км и более) пепла, пемзы, обломков породы вместе с парами воды и различными газами.

Изливающаяся при этом из кратера лава стекает по склону вулкана относительно медленно и быстро остывает. Уже на выходе из кратера ее температура составляет всего 800-900°С. Стекая по склону, лава быстро остывает до температуры 700-750°С, после чего ее движение прекращается, она затвердевает. В конечном итоге формируется типичный стратовулкан. Такая картина извержения характерна для многих наземных вулканов. Так извергаются большинство вулканов, расположенных вдоль зон субдукции, т.е. вблизи глубоководных желобов.

Совершенно иначе извергаются исландские вулканы и подводные вулканы, находящиеся в зонах спрединга, т.е. в срединно-океанических хребтах. Здесь магматические породы состоят в основном не из гранитов (как это было в случае вулканов на краях континентов), а из базальтов, т.е. из основных пород, характеризующихся пониженным содержанием оксида кремния. Базальтовые магмы и лавы обладают низкой вязкостью, они легкоподвижны, отличаются высокими температурами на выходе из кратера вулкана (1200-1300°С). Процесс извержения протекает достаточно спокойно (без взрывов и выбросов), лава изливается достаточно быстро и способна распространиться на значительные расстояния от вулкана (вспомним извержение вулкана Лаки, при котором лава распространилась на расстояния, измеряемые десятками километров). Скорость движения лавы может достигать 15 м/с, что соответствует 50 км/ч.

Таковы в общих чертах две принципиально разных картины вулканического извержения. Рассматривая конкретные вулканы, необходимо принимать во внимание дополнительные факторы. Один из них - это конкретное количество тех или иных газов, растворенных в данной магме. Другой фактор - структура разломов, трещин, каналов, по которым магма движется от магматического очага к вершине вулкана. Третий фактор -глубина, на которой находится магматический очаг данного вулкана. Есть и другие факторы.

Все это объясняет разнообразие вулканических извержений.

Вулканологи разбивают вулканические извержения на несколько типов. Отметим три из них. Первый тип: из кратера одновременно с изливанием лавы выбрасываются высоко в атмосферу вулканические массы, газ, пары воды; там они расходятся в горизонтальных направлениям, в результате чего возникает своеобразный «гриб» с тонкой высокой «ножкой» и широкой «шляпкой». Из этой «шляпки» сыплются вниз пепел, пемза, обломки пород. Именно таков был характер знаменитого извержения Везувия в I столетии. Его подробно описал очевидец события Плиний Младший - племянник известного ученого Плиния Старшего. Поэтому подобный тип вулканического извержения вулканологи называют плинианским.

Второй тип извержения: из кратера изливается лава, которая достаточно быстро стекает по склону; ее опережает устремляющаяся тоже по склону палящая туча из пепла, пемзы, мелких обломков, горячих газов. Таков был характер извержения вулкана Монтань-Пеле в 1902 году. Поэтому подобный тип извержения вулканологи назвали пелейским.

Третий тип извержения: вязкая, порядком остывшая лава достаточно спокойно выдавливается, словно паста, из кратера и, застывая, образует лавовый купол. Такие купола встречаются, в частности, на Гавайских островах.

Гейзеры

Слово «гейзер» исландского происхождения; происходит от «гейза», что означает «хлынуть».

Справка. Гейзер - источник, периодически выбрасывающий фонтаны горячей воды и пара до высоты 20-40 м и более. Гейзер - одно из проявлений вулканизма. Гейзеры обнаружены в Исландии, Российской Федерации (на Камчатке), США, Новой Зеландии, Японии.

Гейзерами можно любоваться не только в Исландии. Их очень много также на Камчатке (около 100 гейзеров). Одна из рек Камчатки так и называется - Гейзерная. В ее долине около 20 крупных гейзеров и среди них самый большой гейзер Камчатки под названием Великан. Он выбрасывает фонтан воды высотой до 40 м (выше десятиэтажного дома), а столб пара поднимается при этом до нескольких сотен метров. Извержение гейзера - очень красивое зрелище. Окутанная паром мощная струя кипятка с грохотом взметается вверх, рассыпаясь на большой высоте мириадами брызг. Фонтан бьет некоторое время, а затем струя вдруг исчезает, пар рассеивается, и все успокаивается. А через определенное время все снова повторяется. Как правило, вокруг гейзера есть небольшой природный бассейн диаметром до нескольких метров. Земля вблизи гейзера обычно очень теплая, даже горячая.

Главное, что отличает гейзеры от прочих теплых и горячих источников - это периодичность действия. Одни гейзеры извергают струю кипятка через каждые 10-20 минут, другие - всего один-два раза в месяц. Так, извержения гейзера Старый Служака, находящегося на территории Йеллоустонского национального парка в американском штате Вайоминг, повторяются всякий раз через 50-70 минут. Почти у всех гейзеров извержение длится всего несколько минут.

Заглянем в бассейн гейзера сразу после того, как прекратилось очередное извержение. Мы обнаружим, что воды в нем нет. В центре бассейна хорошо видно отверстие - это уходящий вглубь канал, его называют трубкой гейзера. Например, у Большого Гейзера в Исландии трубка имеет диаметр 3 м и уходит в глубину на 23 м. Перед началом извержения вода поднимается по трубке и постепенно заполняет бассейн. При этом она бурлит. И вдруг вверх взметается фонтан кипятка. По окончании извержения вода из бассейна уходит в трубку.

Гейзеры располагаются вблизи действующих или сравнительно недавно уснувших вулканов. Распространяющаяся от магматического очага теплота нагревает почти до кипения подземные воды, которые заполняют трещины и разломы вблизи поверхности. Извержения гейзеров не имеют ничего общего с извержениями вулканов. Однако для извержения гейзеров необходима теплота, поступающая от вулкана. Поэтому гейзеры принято рассматривать как вторичные вулканические явления.

Прежде чем обсуждать физику гейзера, вспомним, что температура кипения воды зависит от внешнего давления. С увеличением давления температура кипения повышается. На рисунке внизу страницы ты можешь видеть график зависимости температуры кипения воды Т от давления Р. При Р = 1 атм имеем Т = 100^оС. Когда давление понижается до 0,5 атм., температура кипения уменьшается до 80°С. При повышении давления до 2 атм. температура кипения увеличивается до 120°С.

А теперь представь себе 20-метровую трубку, наполненную горячей водой. Предположим, что непосредственно перед извержением температура воды у верхнего края трубки равна 85°С, на глубине Н = 13 м равна 122°С, а у самого дна трубки равна 126°С. Как видим, по мере увеличения глубины температура воды в трубке повышается. Ясно, что с глубиной растет также давление, оно складывается из атмосферного давления и давления столба воды в трубке. При этом везде по длине трубки температура воды немного ниже температуры кипения, соответствующей давлению на той или иной глубине, поэтому вода пока не кипит. В частности, на глубине Н = 13 м давление немного выше 2 атм., и температура кипения там равна 124°С. Вода же на этой глубине имеет, как было сказано, температуру 122°С - на два градуса ниже температуры кипения. Далее предположим, что по одному из боковых протоков в трубку поступила порция водяного пара. Пар вошел в трубку на глубине Н = 13 м и поднял воду, находившуюся на уровне Л, до уровня В - на два метра выше (смотри позицию «б» на рисунке); при этом соответствующая масса воды поступила в бассейн гейзера. В результате подъема вода, имеющая температуру 122°С, переместилась с глубины 13 м на глубину 11 м. А там температура кипения равна 121°С. Поэтому вода немедленно закипает.

При кипении образуется пар, который еще выше поднимает воду в верхней половине трубки, заставляя ее перемещаться в бассейн. И вот наступает момент, когда закипает вся масса воды в трубке. Сразу образуется большое количество пара. Расширяясь, пар с огромной скоростью устремляется вверх, выбрасывая остатки воды из трубки, а также часть воды из бассейна, - происходит извержение гейзера (смотри позицию «в» на рисунке).

Но вот весь пар из трубки вышел, вода, подброшенная вверх, стекла (по крайней мере, частично) снова в бассейн, охладилась и снова заполнила трубку. Гейзер на некоторое время успокаивается. Очередной выброс воды начнется лишь тогда, когда вода в трубке нагреется до температуры, близкой к температуре кипения. И все повторится сначала.

Агрономические руды

Поговорим еще об одной группе полезных ископаемых - так называемых агрономических рудах. Тебе наверняка не встречался такой термин. Поэтому требуются некоторые пояснения. Греческое слово «агрос» означает «поле». Агрономия - это наука о возделывании сельскохозяйственных культур. Агрономические руды - это минералы и породы, добываемые в земной коре с целью использования их для получения минеральных удобрений. Иными словами, речь идет об ископаемых, из которых можно приготовить «подкормку» для обрабатываемых почв с тем, чтобы поддерживать и улучшать плодородие этих почв.

Ты можешь спросить: зачем надо «подкармливать» почвы? Это серьезный вопрос, и его нельзя оставить без ответа. Ученые давно заметили, что растения во время своего роста довольно сильно потребляют некоторые химические элементы. К ним относятся в значительной степени фосфор, калий, азот; их недаром называют «триадой жизни». Подсчитано, что у фосфора среднее содержание этого химического элемента в золе растений в 90 раз больше, чем в почве, у калия - в 30 раз больше, у азота - в 150 раз больше. На первый взгляд, отсюда можно сделать вывод, что растения сильно истощают имеющиеся в почве запасы фосфора, калия, азота. Однако это не так. Выросшие на данной почве растения рано или поздно сгниют и возвратят почве позаимствованные у нее химические элементы. Именно так все и происходит в естественных условиях - на лесных и полевых почвах, которые не используются под сельскохозяйственные культуры.

Но все существенно меняется, если речь идет о сельскохозяйственных культурах. Во время уборки урожая человек забирает определенную часть выросших растений (в виде стеблей, листьев, зерен, плодов). Поэтому почвы, отведенные под сельскохозяйственные угодья, неизбежно истощаются с течением времени. И это касается, в первую очередь, фосфора, калия, азота. Понятно, что человек должен «подкармливать» эти почвы, искусственно восстанавливать их химический состав. Он это как раз и делает, внося в почву соответствующие удобрения. Эти удобрения могут быть органическими (торф, навоз, гуано, костная мука, компост и др.) и минеральными. Для получения минеральных удобрений как раз и используются агрономические руды.

К агрономическим рудам, помогающим подкармливать почву фосфором, относятся прежде всего апатиты, встречающиеся в горных породах магматического происхождения. Отметим фторапатит (Са₅(Р0₄)₃Г) и гидроксилапатит (Са₅(Р0₄)₃ * ОН). Уникальное месторождение апатитов открыл в 1926 году известный русский ученый Александр Евгеньевич Ферсман (1883-1945) на Кольском полуострове. К апатитам близки по своему химическому составу фосфориты (Са₃(Р0₄)₂). В отличие от апатитов фосфориты встречаются в осадочных породах. Эти породы образовались в результате отмирания живых организмов.

Для подкормки почв калием используют калийные соли, которые добывают из осадочных пород. К ним относятся минералы сильвин (КС1), карналлит (КМС1₃ * 6Н₂0), полигалит (К₂Са₂М(80₄)₄ 2Н₂0), каинит (КМ(80₄)С1 ЗН₂0). Богатые месторождения калийных солей находятся в России в районе Соликамска - Березняков.

Важнейшей агрономической рудой, используемой для подкормки почвы азотом, является селитра. Всемирно известны месторождения селитры в Чили и Перу - знаменитая чилийская селитра. Она представляет собой смесь нескольких минералов: нитрокалита, нитронатрита, сульфата натрия, сульфата магния.

Рассматривая приведенные здесь химические формулы, ты можешь заключить, что одна и та же агрономическая руда помогает подкормить почву сразу несколькими химическими элементами. Так, апатиты и фосфориты являются не просто фосфорными, а фосфорно-кальциевыми минеральными удобрениями. Калийные соли являются калийно-магниево-кальциевыми удобрениями. Селитра снабжает почву не только азотом, но также калием, магнием, натрием, серой.

Надо иметь в виду, что подкормка почв химическими элементами осуществляется не только за счет агрономических руд. Издавна хорошими калийными удобрениями считалась зола, остающаяся после сжигания растений, торфа, горючих сланцев. Азот подкармливают полученными промышленным способом соединениями (например, аммиаком). Ты уже знаешь про клубеньковые бактерии, помогающие подкармливать почву азотом. Кроме того, не надо забывать об органических удобрениях. Например, о рыбьей костной муке как фосфорном удобрении, о гуано (разложившемся птичьем помете) - естественном азотно-фосфорном удобрении, о навозе - естественном азотно-фосфорно-калийном удобрении.

Размещено на Allbest.ru