Химические комбинаты Земли

Отвлечемся на время от описательного рассмотрения вулканизма. Не столько грандиозность, сколько его механизм и технологичность в широком смысле слова будут объектами нашего внимания.

То, почему мы называем их комбинатами, вытекает из существа определения. Продукция вулканов комплексная. Широкий набор химических соединений, газов, веществ, элементов. Технологичность тоже понятна. Существует некоторый природный агрегат, этакая довольно сложная система малоизученных аппаратов, где происходят разнообразные превращения: нагрев, сжатие под давлением, процесс реагирования, перемешивание и т. д. Все известные да еще неизвестные нам химические операции, которыми сопровождается вулканическое извержение.

В работе любого химического предприятия есть три по крайней мере существенных фактора: сырье, условия технологического процесса и конечная продукция. В работе вулканов для нас доступней всего их, так сказать, конечная продукция: потоки лавы, выбросы газа и пепла, пара, камней. О том, как протекают глубинные процессы подготовки извержения, по какой технологической схеме они идут, мы можем лишь догадываться, так же как и о сырье, служащем при вулканизме исходным материалом.

Например, вода. Мы уже говорили, что в составе вулканических выбросов, особенно на первых стадиях, преобладают водяные пары. Воды этой получается слишком много. Во время извержения вулкана Тамбора на о.Сумбава выделилось около 1000 кубических километров воды. За 1700 лет своего существования вулкан Шивелуч на Камчатке, крупнейшие извержения которого происходят в среднем через полтора столетия, выбросил несколько тысяч кубических километров воды в виде пара.

Вряд ли такие количества воды могли так быстро прийти к вулканам из глубин мантии и земного ядра. Вернее предположить, что в основном эта вода – участница великого круговорота вещества. Это отмечал и В. И. Вернадский:

«Среди эмпирических обобщений и отдельных фактов, с этой проблемой связанных, обращает на себя внимание, отмеченное уже в начале XIX столетия, сходство между солевым составом воды Океана и составом летучих возгонов вулканических извержений».

Подтверждение этого сходства мы находим и в совершенно новой области исследований. Ориентировочно расчеты показывают, что концентрация растворенных минеральных веществ в надкритических растворах дренажной оболочки составляет 4–5 процентов. Примерно такая же концентрация обнаруживается в водяных парах вулканических выбросов. Связь дренажной оболочки и вулканизма особенно прослеживается через воду. И здесь вновь уместно напомнить провидческие рассуждения В. И. Вернадского:

«Изучение вулканов ясно указало, что их извержение есть результат газового процесса, т. е. прежде всего является проявлением горячих водяных паров биосферы. Неизбежно ставился вопрос, откуда берутся огромные количества воды, выходящие в виде паров во время извержений...»; «Поверхностная и волосная вода играют огромную роль в вулканических извержениях, может быть, более активную, чем это думают».

Итак, химкомбинаты вулканизма прежде всего перерабатывают воду. Они обращают ее в пар, который обладает могучей динамической силой: он рвется на свободное пространство, преодолевая сопротивление окружающих пород. Водяной пар, собственно, и есть главный транспорт для всех веществ, которые поднимаются из земных недр. Особенно для пеплов. За период с 1500 по 1941 год вулканами на сушу выброшено 392 тысячи кубических километров лавы и рыхлых масс, главным образом пеплов. Доля последних в вулканических выбросах достигала 84 процентов. Топкие пеплы долго носятся в воздухе. При извержении Кракатау в 1883 году они много раз обошли вокруг Земли, прежде чем полностью осели. Поднявшись в верхние слои атмосферы, они вызвали красные зори в Европе, а пепел из вулкана Безымянного на Камчатке за два дня одолел расстояние 10 тысяч километров и выпал в Лондоне.

Технологическая схема производства пеплов с участием вод дренажной оболочки выглядит более понятной. Давление в канале вулкана достигает 2–4 тысяч атмосфер. Поднимаясь вверх по каналу, пары расширяются и охлаждаются, давление падает, резко снижается растворимость различных химических соединений и минералов, содержащиеся в растворах вещества выпадают, образуя жидкие и густеющие массы. Они, вероятно, скапливаются в устье канала, по которому поднимаются растворы, и вокруг него. Парогазовый поток подхватывает, выталкивает и несет их под сильным напором вверх. По пути они дробятся, измельчаются, превращаются в пепельные облака и скопления мельчайших частиц лавы.

Если вулканический пепел рассеять, то обнаружатся частицы разных размеров – от 3–5 миллиметров в диаметре до мельчайшей пыли, повисающей в воздухе туманным облаком. Особо тонкий пепел выпадает непосредственно из парового облака, имеющего температуру 400 – 500° С и выбрасываемого из жерла на большую высоту. При охлаждении из такого облака выпадают частицы, соизмеримые с молекулами, способные удерживаться в атмосфере неограниченное время.

Вот еще что интересно: подмечено, что по мере удаления облака от вулкана из него выпадают на земную поверхность пеплы все более изменяющегося состава. Чем дольше продолжалось пребывание частиц пепла в облаке, тем заметнее перемены в химическом составе пеплового материала. Например, содержание магния в пеплах вулкана Безымянного увеличилось раз в тридцать, когда облако удалилось от вулкана на 90 километров, хотя для анализа отсеивались частицы пепла одинакового размера.

В марте 1947 года вулкан Гекла выбросил облако, которое было отнесено на 3800 километров, и в выпавшем там пепле содержание окислов магния и калия в 4 раза превышало содержание этих соединений в пеплах, выпавших неподалеку от кратера. Интересно, что накопление этих соединений происходит в тончайшей поверхностной пленке частиц пепла. Выходит, она обладает высокой избирательной сорбиционной способностью, она настоящий магнит для содержащихся в облаке молекул. Ассортимент химических соединений в облаке оказывается неожиданно разнообразным. Это удивительная машина из атомов, анионов, катионов, молекул самых различных химических соединений, и разные частицы пепла извлекают те, которые им по душе. Мелкий пепел хорошо сорбирует анионы серной и угольной кислот. Пепел покрупнее предпочитает ионы хлора. Есть пеплы, которые извлекают ионы калия, натрия, магния. Особые стекловидные пеплы склонны принимать в свой состав ионы железа, марганца, фосфора. В тонюсеньких пепловых пленочках накапливается 35–75 процентов общего содержания таких элементов, как титан, магний, марганец, никель, ванадий, талий, медь, хром, стронций, цирконий и уран.

Сходство химических составов вулканических выбросов с широчайшим набором элементов в водах океанов свидетельствует о роли дренажной оболочки в вулканизме и в образовании солевого состава океанов. Ведь химический состав солей океана, его фосфорных и железомарганцевых залежей должен во многом определяться деятельностью дренажной оболочки. Правда, пепловое облако материкового вулкана беспрепятственно поднимается в атмосферу и вершит свою химико-планетарную деятельность в условиях низких давлений и низких температур.

Иное дело – «химический комбинат» на дне океана. Там извержения происходят «спокойно», без выбросов паров и пепла. Да и как им выброситься, если сверху лежит слой воды толщиной 4–5 километров и создает давление на уровне 400–500 атмосфер? Даже если надкритические пары и растворы прорвутся в водную толщу, они очень быстро в ней превратятся в жидкость, теряя объем.

Подсчитано, что ежегодно на Земле происходит 20 катастрофических, 150 разрушительных, 800 сильных, 6200 довольно сильных и свыше 100000 слабых землетрясений, а также 4–5 крупных вулканических извержений.

Ученые установили много случаев совершенно очевидной связи между землетрясениями и вулканической деятельностью. Например, во время сильного землетрясения в Перу и Чили 10 апреля 1952 года пришли в действие 25 вулканов. Если передача давлений осуществляется по воде, заполняющей дренажную оболочку, то возможность «разбудить уснувшие» вулканы не представляется странной.

Именно через дренажную оболочку передается волна гидростатических колебаний. Землетрясения нарушают водную систему разломов, трещин и других пустот, по которым движутся глубинные воды. Эти нарушения, естественно, отзываются на подвижном слое пароводяных смесей дренажной оболочки.

Пробуждение и прекращение жизни вулканов тесно связаны с водами дренажной оболочки.

Проявления стихии разнообразны. В 1957 году к девяти Азорским островам, растянувшимся на 650 километров, неожиданно прибавился десятый. Произошло это так. Жители острова Фаял в ночь на 28 сентября были подняты с постелей сильными толчками. Землетрясение уничтожило небольшую деревушку. Людям, в панике покидавшим рушившиеся дома, представилось фантастическое зрелище.

Море кипело. На бурлящую поверхность выскакивали гигантские мутные пузыри, которые с шумом лопались, образуя облака пара. В небо рванулся исполинский столб дыма, пепла... Через три недели после своего возникновения поднялся из воды на 200 метров подковообразный вулканический кратер. Ветер развеял дым, унес пепел, морские волны смыли шлак, посреди океана возвышалась лишь голая скала. Родился новый остров.

Такие вулканические острова не редкость. Они то исчезают, то появляются вновь.

У тех же Азорских островов из-под воды поднялись вулканические конусы в 1867 и в 1911 годах. Просуществовав несколько месяцев, они вновь скрылись в водной пучине, чтобы, может быть, опять возродиться через неведомое число лет.

Почти все острова в Атлантическом океане обязаны своим возникновением вулканам. Вулканические кратеры, порой угасшие, а кое-где и дымящиеся, видят моряки, подплывающие к Исландии, Канарским или Антильским островам, к островам Зеленого Мыса, Тринидад, Вознесения, Фернандо-По и Тристан-да-Кунья.

Но никто не видит превращений, которые происходят с подобными вулканами при их погружении. Процесс погружения таких гор своеобразен: вулкан опускается вместе с небольшим участком океанического дна. При этом вокруг вулканической сопки возникают кольцевые ров и вал. Причины их появления в общем понятны. Вулканы нагружают земную кору, она прогибается, образуя кольцевые впадины и рвы, а вытесняемые из-под прогиба массы вещества выходят к периферии и, приподнимая кору океана, порождают кольцевой вал.

Остается в этой схеме одна неясность. Почему вулканические горы стали тяжелы для земной коры и начали опускаться? Значит, было привнесено дополнительное вещество? Откуда оно взялось?

Из той же уже известной нам дренажной оболочки. Вещества, образовавшие вулканические сопки, принесены растворами издалека. Растворы формировались ещев коре материков, где они, охлаждая восходящие из мантии породы, извлекали вещества, растворимые привысоких давлениях и температурах. Этот привнос и создал избыточный вес, вызвавший погружение сопки.[2]