2. Динамические процессы литосферного характера

К эндогенным литосферным процессам прежде всего относятся вулканизм и земле-(море-)трясения.

Прежде всего, должны быть учтены важнейшие тектонические единицы Земли – устойчивые платформы и динамичные орогенные пояса (рис. 5.2).

Вулканизм

Это самое интригующее, неистовое и завораживающее природное явление, широко распространенное на Земле (рис. 5.3). Научное изучение вулканов считается связанным с первым документальным описанием Плинием Младшим извержения Везувия 79 г. Но как же мы мало знаем о законах вулканической деятельности, несмотря на более чем 1900-летие (!) научных исследований. В 1966 г. наш соотечественник ученый-вулканолог В.И. Владовец подсчитал общую численность действующих на Земле вулканов как около 600, с числом извержений за историческое время близким к 3500, и пришел к выводу об относительном нарастании интенсивности вулканической деятельности с течением времени. И в том же 1966 г. американец Х.У. Менард, анализируя материалы предшествующих океанологических исследований, провел первый подсчет вулканических построек на дне Тихого океана - 2000 (!) и пришел к заключению, что только в этой акватории следует ожидать около 100000 вулканов высотой более 1 км. Это была научная сенсация.

Действительно, до этого считалось, что вследствие небольшого парциального давления паров воды, не превышающего 217,7 бар, на морских глубинах свыше 2000 м взрывные явления невозможны. Поэтому эксплозивная деятельность здесь должна полностью отсутствовать. Появились предположения, что в момент вулканического взрыва давление может достигать величин в несколько килобар. Тогда прежний теоретический запрет может быть снят и эксплозии становятся допустимыми на самых больших океанических глубинах.

Рис. 5.2. Тектонические единицы континентов: щиты и орогенные пояса

Области складчатости: 1 – палеоген-неогеновой; 2 – мезозойской; 3 – верхнепалеозойской; 4 – нижнепалеозойской; 5 – докембрийской (по Umbgrove., 1947)

Тепловая энергия земных недр, проявляемая при вулканических процессах, оценивалась в 3% от общих потерь тепла Землей (за последние 500 млн лет). Надо ли говорить, что с учетом новых данных о масштабах вулканизма в океанах, эта первоначальная цифра должна быть существенно скорректирована.

Энергия вулканизма может выражаться в так называемой магнитуде, характеризующей количество затраченной энергии в логарифмической шкале, или, по почину венгерского геофизика Хедервари, - в эквиваленте атомных бомб, при принятой энергии одной атомной бомбы 8,410¹⁴ Дж (8,410²¹ эрг, или 210¹⁴ кал), что соответствует 10-кратной энергии атомной

бомбы сброшенной на Хиросиму. Количество энергии при разовых вулканических извержениях может достигать 21547,6 эквивалентов атомных бомб, как это было при извержении Кракатау в 1883 г., и даже 171488,6 тех же единиц при эксплозиях вулкана Тамборо в 1815 г. Суммарный геоэнергетический эффект вулканической и гидротермальной деятельности оценивается в 0,1710¹¹ Вт на платформах и в 1,710¹¹ Вт на островных дугах. Да в рифтовых зонах ежегодно извергается примерно 3,31-3,36 км³ ювенильного вещества и выделяется до 1010¹¹Вт вулканогенной энергии.

Рис.5.3. Схема размещения современных вулканов на Земле

1 – континентальная кора, окружающая материки в пределах океанических акваторий; 2 – срединно-океанические спрединговые зоны растяжения (двойные линии) и трансформные разломы (одиночные линии) в осевых частях подводных горных хребтов; 3 – зоны субдукций («подныривания» океанических литосферных плит под континентальные); 4 – зоны коллизий (столкновений) литосферных плит; 5 – условные границы литосферных плит (вне зон спрединга, субдукций и коллизий); 6 – направления движений литосферных плит; 7 – континентальные и островные вулканы; 8 – подводные вулканы Тихоокеанской акватории (по Менарду)

Рост населения и распределение жизненно важных ресурсов (территорий, плодородных почв и т.п.) заставляет человечество научиться жить у вулканов. Так, например, в Индонезии отмечается прямая тесная зависимость между интенсивностью вулканической деятельности и плотностью населения. Это опасное соседство: учтенные людские потери при извержениях за период около 500 лет составили порядка 190-240 тыс. человек. А проживает сейчас в вулканических областях в опасной близости к вулканам 200 млн человек. Современные вулканогенные ландшафты и экосистемы занимают примерно 6,75 млн км² (4,5% территории суши).

Поражающими факторами при вулканических извержениях явля-ются тефровые (пепловые) эксплозии с палящими тучами и пепловыми потоками, лавовые эффузии, ядовитые вещества, лахары, а также тепловое и электроразрядные воздействия, загрязнение воздушных и водных масс.

Что же представляют из себя вулканические сооружения, каковы их масштабы?

Параметры вулканических построек различны. Размеры конусов в основании составляет сотни метров-километры, но могут достигать 400 км, как у Мауна-Лоа (Гавайи); высоты - сотни метров до 3,9 км, а в целом, вместе субвулканической частью, до 10 км (у него же). Кратеры имеют диаметры чаще 100-500 м, при глубинах в сотни метров и до 1,8 км (Пальма). Углы склонов пирокластических конусов достигают 30-40, чаще составляя 10-35; у щитовидных – менее 7-8. Кальдеры могут достигать в диаметре 16-30 км (Исланд-Парк-Кальдера, штат Айдахо, США) - 40 км при объеме до 180 км³ (Тамборо). Подводные вулканы - гайоты имеют высоту над основанием дна в 300-3500 до 4500 м, обладая выровненной вершиной чаще на уровне 1800-1200 м от зеркала вод. В наземной экпозиции они вероятно представлены в Афари (северо-восточная Африка), где образуют горы высотой 300-400 м с диаметром в основании около 1000 м. Диаметр подобных построек вообще - несколько километров-несколько десятков километров. Углы круче чем у наземных (30-40), но в среднем 20-22. Промежуточную позицию в этом отношении занимают подводные извержения в зоне мелководий. Для Капелиньюша (Азорские острова) Г. Тазиев (1961) особенно подчеркивал, что хотя извержение и началось на морском дне, но оно почти сразу же превратилось в надводное. Особое место среди подводных извержений за-нимает Богослов (Алеутская дуга), который то исчезает, то появляется над поверхностью зеркала вод. Извержение сопровождается образованием куполов, растущих прямо с океанических глубин.

Есть и своеобразные подледные вулканы - резко выступающие конусо-цилиндры - star Исландии (table mountains).

Продолжительность извержений - от дней-месяцев (Кракатау – 3 месяца) - лет (Парикутина 9 лет) до тысячелетий. Ритм изменчив.

Так, для вулкана Лелхара (Япония) за 900 лет (между 634 и 1552 гг.) периоды затишья составляли от 115 до до 230 лет; с 1552 по 1938 гг. - всего 6-87 лет; с 1938 г. не превышают 10 лет.

Объем выброшенных вулканом твердых продуктов может быть огромен: по площади занимать до 827000 км² (Кракатау) и даже 4 млн км² (Косегвин, Карибское море, 1835 г.); по объему до 22-50-80 млн м³ (Галунггунг - Ява, Косигуина - Никарагуа); по мощности до 60 м. Высота выброса может составлять 30-43 км (Безымянный, Камчатка) и даже 80 км (Кракатау). При взрыве Тамборо была уничтожена гора на площади 630 км² диаметром 40 км и высотой 2850 м.

Объем лав при крупном групповом извержении Исландских вул-канов в 1783 г. достигал по площади 560 км², по мощности потоков до 35 м.

Согласно Е.К. Мархинину, объем горных пород при наиболее сильных экспозивных извержениях в период с 1800 по 1964 гг. измерялся величинами 10-28 и даже 186 (!) км³ (Тамборо, 1805 г.). По подсчетам Запера (1927), за примерно 400 лет (с 1500 по 1924 гг.) действующими вулканами поставлено около 50 км³ лав и почти 300 км³ рыхлого материала. Объем грязевого потока Электрон вулкана Рейнир (штат Вашингтон), сошедшего около 500 лет назад, составил около 150 млн м³, а более древний поток Осеола имел объем около 1,9 млрд. м³. Японский вулкан Галунггунг в 1822 г. выбросил из своего кратера поток объемом 30 млн м³.

По Х. Менарду, объем вулканических излияний только в Тихом океане составляет около 2,410⁷ км³. По Ферхугену (1946), объем всех известных плато-базальтов близок к 110⁷ км³. Средний темп накопления вулканических масс на дне Тихого океана 0,2 км³ в год.

На материках, по Куену (1950), за последние несколько сотен лет он составил около 1 км³. Однако, вулканические породы Тихого океана на площади 210⁷ км² накапливались в течении 10⁸ лет, тогда как на материках на площади 1510⁷ км² - в течении 4010⁸ лет. Таким образом, по мнению Х. Менарда, средняя интенсивность вулканизма на юго-западе Тихого океана была, по крайней мере, в несколько сот раз выше средней интенсивности вулканизма на материках.

Только на суше в биосферу ежегодно в среднем поступает примерно 0,65 км³ ювенильного вещества (0,18 км³/год на континентах и 0,47 км³/год в островодужных орогенах).

Скорость растекания лав изменяется от нескольких метров в сутки до 60 км/ч, продвижение палящих туч и пепловых потоков до более 160 км/ч. Температура лав 700-1300 С, палящих туч 700-1000 С, пепловых потоков - свыше 535 С. Скорость грязевых вулканических потоков - лахаров - до 100 км/ч при перемещениях до 300 км.

Максимальная доза газов, выделяемых вулканами, приходится на водяной пар, но в разных соотношениях содержатся и другие летучие соединения.

Значительна роль газоаэрозолей. При чисто эффузивных извержениях в атмосферу поступает от 2-3 до 5-7 вес. % магматических газов, из которых до 97 об. % приходится на пары воды. И примерно столько же составляют фумаролы, сульфатары и парогидротермы. Эксплозивная деятельность дает до 410⁶т пылевидного аэрозоля или в несколько раз больше после особенно катастрофических извержений.

Из этого вклада тепломассопереноса (примерно треть изменения радиационного баланса атмосферы), 2/3 приходятся в основном на сернокислотный аэрозоль - поступление с газово-пепловыми выбросами SO₂, H₂S, CS₂ (сероуглерод), OCS (карбонилсульфида) и мелких частиц серы. Совокупный их объем составляет примерно 2,810⁶ г/т и возрастает при самых катастрофических извержениях.

Таблица 5.2