Продукты вулканической деятельности. Вулканические извержения.

Вулканизм определяется как комплекс процессов, связанных с поступлением продуктов магматической деятельности на поверхность и в атмосферу Земли. Продукты вулканической деятельности разнообразны. К их числу относятся:

1. Лава – магматический расплав, излившийся на поверхность и потерявший газы.

2. Твёрдые продукты извержений – вулканический пепел, вулканический песок, лапилли, вулканические бомбы и глыбы, различающиеся между собой размером обломочных частиц. Они также в основном являются производными магмы, но не излившейся, а застывшей в жерле вулкана. Образуются эти обломки и выбрасываются на поверхность при извержениях эксплозивного (взрывного) типа, когда лавовая «пробка» разрушается под давлением скопившихся газов. Иногда твёрдые продукты являются производными не до конца застывшего расплава. Они выбрасываются при извержении в виде сгустков очень вязкой лавы, и окончательно застывают уже в полёте или на поверхности.

3. Вулканические газы – производные флюидной фазы магматических расплавов, отделяющиеся от них в процессе вулканической деятельности. Ведущий среди них компонент – водяной пар. Его доля среди газообразных продуктов извержений обычно составляет от 50 до 90%. Важную роль могут играть CO₂ (углекислый газ), SO₂ (сернистый газ), F, Cl, N, H₂S (сероводород); встречаются CO (угарный газ), CH₄ (метан) и другие газы. Струи газовых эманаций, возникающие в процессе вулканической деятельности, называются фумаролами (от латинского fumus – дым). Выделяются различные типы фумарол, отличающиеся друг от друга температурой и набором компонентов:

- сухие фумаролы – наиболее высокотемпературные (500ºС) эманации, почти не содержащие водяных паров;

- сольфатары – среднетемпературные (от 100º до 300ºС) фумаролы, в которых существенную роль играют сернистые соединения;

- аммиачные фумаролы – с высокими содержаниями углекислого аммония; для них типичны температуры порядка 100ºС;

- мофетты – низкотемпературные (менее 100ºС) фумаролы, в составе которых доминируют углекислый газ и водяной пар.

4. Термальные воды – продукт конденсации отделяющихся от магмы водяных паров. Нередко термальные воды вулканического происхождения могут быть высоко минерализованными, содержать большое количество растворённых газов. В целом они чрезвычайно разнообразны по температуре (может достигать точки кипения), степени минерализации и составу растворённых компонентов. Изливаясь на поверхность, они образуют термальные источники (спокойно изливающиеся) и гейзеры. Гейзерами называют фонтанирующие источники, в которых горячая вода выбрасывается под давлением скапливающегося внизу пара. Вулканические термальные воды могут использоваться в качестве лечебных, а также как источник тепловой энергии.

Если поднимающиеся к поверхности вулканические газы проникают в рыхлые осадки, конденсация водяных паров может привести к насыщению их водой. Образуется полужидкая грязевая масса, которая может под действием газов выдавливаться на поверхность. Так появляются грязевые вулканы. Следует иметь в виду, что грязевые вулканы могут возникнуть и вне связи с обычным вулканизмом, если смешиваются подземные воды и поступающие с глубины под давлением газы не вулканического происхождения (например, нефтяные).

Главной стадией любого вулканического процесса является вулканическое извержение – вынос на поверхность лавы и твёрдых, и одновременно значительной доли других продуктов вулканической деятельности. Механизм извержений бывает различным:

- эффузивный механизм заключается в спокойном излиянии достаточно жидкой лавы на поверхность;

- экструзивный – медленное «выдавливание» очень вязкого расплава из жерла вулкана;

- эксплозивный – извержение взрывного характера, в ходе которого «пробка» из застывающей или уже застывшей лавы выбрасывается давлением скопившихся под ней вулканических газов; иногда при эксплозивных извержениях возникают «палящие тучи» – выбросы раскалённых вулканических газов, насыщенных пепловыми частицами, которые потоками скатываются по склонам вулканов.

Механизм извержений зависит от состава магматических расплавов и содержания газовой фазы. Для лав основного состава характерна низкая вязкость, и они, как правило, изливаются на поверхность спокойно. Кислые лавы имеют наиболее высокую вязкость, и для их извержения более характерны экструзивный или эксплозивный механизмы. Переход экструзивного извержения в эксплозивное возможен в случае наличия достаточного количества скапливающихся вулканических газов.

Морфология вулканических аппаратов.

Вулканические аппараты, возникающие в местах извержений, могут иметь различную форму и строение, что определяется механизмом извержений и условиями, в которых они происходят.

1. Вулканы трещинного типа формируются, как правило, в зонах растяжения земной коры. В результате растяжения возникают протяжённые трещины, по которым непосредственно с большой глубины поступает сильно разогретая лава, обычно спокойно растекающаяся по сторонам.

2. Вулканы центрального типа характеризуются наличием субцилиндрического канала, по которому продукты извержения выносятся на поверхность. Они подразделяются, в свою очередь, на два типа: щитовые вулканы и стратовулканы.

3. Щитовые вулканы – более редкий тип. Они возникают, если изливающаяся через канал лава всегда имеет очень низкую вязкость и спокойно растекается по обширной площади. В результате формируется широкая и изометричная в плане вулканическая постройка. Стратовулканы («слоистые вулканы») формируются в результате чередования эффузивных и эксплозивных извержений. Продукты этих извержений накапливаются большей частью вблизи жерла – выхода вулканического канала на поверхность. В результате наслоения друг на друга многочисленных лавовых потоков и слоёв, сложенных продуктами эксплозивных извержений, вокруг жерла вырастает вулканическая гора конусовидной формы с воронкообразным углублением на вершине – кратером вулкана.

Географическое распределение вулканов.

Вулканы на Земле распределяются неравномерно. Одни области совершенно лишены вулканов, другие ими насыщены. Больше всего вулканов сосредоточено на побережьях и океанических островах, что породило распространённую в XIX в. ложную теорию, что причиной вулканической деятельности является проникновение морской воды в недра Земли по трещинам. В настоящее время установлено, что распределение областей активного вулканизма подчиняется тектоническим закономерностям. Подавляющее большинство вулканов приурочено к местам, где происходит взаимодействие литосферных плит. А так как эти области представляют собой узкие и протяжённые зоны, то и распределение вулканов на нашей планете носит поясной характер. Крупнейшей из этих зон является так называемое Тихоокеанское «огненное кольцо», окаймляющее крупнейший океан нашей планеты вдоль его границ с окружающими континентами (Австралией, Азией, Северной и Южной Америками и Антарктидой). Вторая – Средиземноморско-Азиатская – зона протягивается от бассейна Средиземного моря через южную Азию к Индонезийскому архипелагу. В настоящее время активны лишь западная и восточная части этого пояса, но есть немало свидетельств, что в недавнем геологическом прошлом активные вулканические процессы протекали и в других частях этого пояса (например, на Кавказе). Наконец, зоной постоянно высокой вулканической активности являются осевые части срединно-океанических хребтов всех океанов мира. Здесь извержения носят в основном подводный характер (одним из редчайших исключений является остров Исландия в Атлантическом океане).

Кристаллизация магм в плутоническом процессе.

Как мы уже отметили, магматические расплавы могут не достигать земной поверхности и застывать на глубине. В этом случае температура расплава снижается очень постепенно, и процесс кристаллизации растягивается на длительное время. Первым следствием этого является полнокристаллический характер структур плутонических горных пород. Другое важное следствие – то, что кристаллизация различных компонентов идёт не одновременно, а в определённой последовательности. Это связано с тем, что для разных компонентов магматического расплава характерны различные температуры кристаллизации. В любой смеси можно выделить наиболее легкоплавкую составляющую, которая при нагревании первой переходит в жидкое состояние, а при охлаждении кристаллизуется последней. Эта составляющая называется эвтектикой. При постепенном охлаждении магмы вначале кристаллизуются компоненты, являющиеся избыточными по отношению к эвтектическому составу. Эвтектическая составляющая наиболее распространённых магм силикатного состава состоит, главным образом, из SiO₂, Al₂O₃, K₂O и Na₂O. Из ведущих химических компонентов силикатных магм избыточными оказываются железо, магний, кальций. Поэтому первыми в плутоническом процессе кристаллизуются минералы, содержащие именно эти химические элементы, а именно темноцветные минералы (в последовательности: оливин – пироксены – роговая обманка – биотит) и плагиоклазы (вначале – содержащие больше кальция, т.е. более основные). На поздних стадиях кристаллизации образуются лишь светлоокрашенные минералы: калиевые полевые шпаты, мусковит, кварц или фельдшпатоиды.

В целом расплавы, в которых содержание эвтектической составляющей более высоко, кристаллизуются при более низких температурах. Кислые магмы, состав которых наиболее близок к эвтектическому, полностью кристаллизуются при температурах порядка 700-800ºС, средние – 900-1000С, основные – 1100-1400С, ультраосновные – до 1600С. Последние из-за столь высокой температуры кристаллизации крайне редко достигают земной поверхности, и потому ультраосновные вулканические породы пользуются крайне незначительным распространением. При этом большая часть обнаруженных геологами вулканических пород ультраосновного состава сформирована на самых ранних этапах развития Земли, когда её литосфера, по-видимому, была более тонкой, и путь мантийных расплавов к поверхности – более коротким.