Как образуются вулканы: расплавленная порода, края плит и горячие точки
Вулканы образуются там, где глубоко под землёй порода плавится в магму: она легче окружающей твёрдой породы, поднимается по трещинам и извергается на поверхность лавой, газом и пеплом, а повторные извержения вырастают в гору. Большинство вулканов возникает на краях тектонических плит, где одна плита погружается под другую или две плиты расходятся, а несколько — над горячими точками вдали от любого края, как на Гавайях. USGS насчитывает около 1 350 потенциально активных вулканов на Земле, и примерно 500 из них извергались в историческое время.
Вулкан — это не просто горячая дыра. Это конец долгого пути, который начинается на глубине в десятки километров, где немного породы плавится. Это руководство идёт по пути по порядку: как рождается магма, где на планете она находит выход, почему один вулкан — пологий щит, а другой — крутой конус и как цепь Гавайских островов выросла над горячей точкой. В конце — официальные советы тем, кто живёт рядом с действующим вулканом. Это общая информация; в своей местности следуйте указаниям местной службы по чрезвычайным ситуациям и вулканологической обсерватории.
Главные идеи
- Вулкан — это отверстие в земной коре, через которое на поверхность выходят расплавленная порода, газ и обломки; магма возникает, когда часть породы плавится, и поднимается, потому что легче окружающей породы.
- Вулканы образуются в трёх обстановках: где одна плита погружается под другую (зоны субдукции), где плиты расходятся (например, Исландия на Срединно-Атлантическом хребте, который раздвигается примерно на 2,5 см в год) и над горячими точками (Гавайи, дальше 3 200 км от ближайшей границы плит).
- USGS насчитывает около 1 350 потенциально активных вулканов, примерно 500 из них извергались в историческое время; многие расположены вокруг Тихого океана, в Тихоокеанском огненном поясе.
- Форма зависит от магмы: жидкий малокремнезёмистый базальт (около 50 процентов кремнезёма) строит широкие щитовые вулканы; вязкая магма с 65–70 процентами кремнезёма задерживает газ и строит крутые взрывоопасные конусы.
- Официальный совет людям рядом с вулканом — выполнять приказы об эвакуации, эвакуироваться заранее, избегать подветренных районов и речных долин ниже по течению и укрываться от пепла.
Короткий ответ: порода плавится, поднимается и вырывается наружу
Ready.gov описывает вулкан как отверстие в земной коре, через которое на поверхность выходят расплавленная порода, газы и обломки. Чтобы туда попасть, порода сначала должна расплавиться. Земная кора под океанами толщиной всего около 5 км, а под материками в среднем около 30 км, а под ней лежит мантия — почти 2 900 км горячей, в основном твёрдой породы, которая течёт очень медленно. Вулкан начинается, когда небольшая часть этой породы плавится в магму при температуре примерно 700–1 300 градусов Цельсия.
Магма легче окружающей твёрдой породы, поэтому она собирается в камере и давит вверх по трещинам. В ней растворён газ, в основном водяной пар, углекислый газ и диоксид серы. По мере подъёма давление падает, и газ образует пузырьки — как пенится взболтанная бутылка газировки, когда её открывают. Когда магма достигает поверхности, она называется лавой. Извержение за извержением лава и пепел накапливаются вокруг жерла, и эта куча и есть вулкан.
Но почему порода вообще плавится, если глубоко в Земле такое давление? В учебниках называют две главные причины. Порода, поднимающаяся с глубины, испытывает меньшее давление и может начать плавиться без дополнительного тепла — так происходит под спрединговыми хребтами и горячими точками. А вода, выделяющаяся из погружающейся плиты, снижает температуру плавления мантии над ней — это обычное объяснение для зон субдукции. USGS отмечает, что учёные до сих пор спорят, откуда именно берётся магма в зонах субдукции, так что эта часть истории — хорошая модель, а не закрытый вопрос.
Где образуются вулканы? Три обстановки
Первая обстановка — зона субдукции. USGS объясняет, что там, где океаническая плита уходит под материк, как плита Наска под Южную Америку, сближение плит питает многие действующие вулканы Земли, например в Андах и в Каскадных горах на северо-западе США. Где сходятся две океанические плиты, одна погружается, образуется глубоководный жёлоб, а извергнутая лава и обломки накапливаются на морском дне, пока вулкан не поднимется над волнами; такие вулканы обычно вытянуты изогнутыми цепями — островными дугами, как Марианские и Алеутские острова.
Вторая обстановка — зона спрединга, где плиты расходятся, а магма поднимается из мантии и создаёт новую кору. Срединно-Атлантический хребет раздвигается примерно на 2,5 см в год, а Исландия, которая расположена на нём, разрывается между Североамериканской и Евразийской плитами. У вулкана Крафла на северо-востоке Исландии трещины в земле расширялись, а смещения при рифтинге с 1975 по 1984 год составили около 7 м, при этом некоторые эпизоды сопровождались извержениями. Большая часть вулканизма вдоль мировых хребтов происходит на дне океана, вне поля зрения.
Третья обстановка — горячая точка: долго живущая, необычно горячая область под плитой. USGS пишет, что подавляющее большинство землетрясений и извержений происходит вблизи границ плит, но есть исключения: Гавайские острова образовались посреди Тихого океана, более чем в 3 200 км от ближайшей границы плит. USGS насчитывает около 1 350 потенциально активных вулканов в мире, не считая непрерывных вулканических поясов океанского дна, и многие из них лежат вокруг Тихого океана в области, называемой Тихоокеанским огненным поясом.
Почему один вулкан плоский, а другой — крутой конус
Форма вулкана в основном зависит от его магмы. Базальтовая магма содержит около 50 процентов кремнезёма и течёт, как густой сироп, поэтому газ выходит тихо, а лава растекается далеко; множество таких потоков строит широкий пологий щитовой вулкан. Классический пример — Мауна-Лоа на Гавайях: он поднимается на 4 169 метров над морем и примерно на 9–10 километров от морского дна и считается самым большим действующим вулканом Земли по объёму. Магма с 65–70 процентами кремнезёма вязкая, как холодный мёд, удерживает газ, пока давление не прорвёт её, и даёт взрывное извержение с пеплом и пепловыми облаками. Реальные вулканы зависят ещё и от формы канала, так что это упрощённая модель.
USGS делит вулканы на четыре основных вида: шлаковые конусы, составные вулканы, щитовые вулканы и лавовые купола. Составные вулканы, они же стратовулканы, — крутые симметричные конусы из чередующихся слоёв лавы, пепла, шлака и глыб, которые могут подниматься до 8 000 футов (около 2 400 м) над основанием; примеры — Фудзи, Шаста, Рейнир и Сент-Хеленс. Шлаковые конусы — самые простые и строятся из шлака, выброшенного из одного жерла.
Один шлаковый конус наблюдали с самого рождения. В 1943 году на ферме близ деревни Парикутин в Мексике начал расти конус. За девять лет активности он вырос примерно до 1 200 футов (около 365 м), засыпал пеплом около 100 квадратных миль (260 квадратных километров) и уничтожил город Сан-Хуан. USGS отмечает, что геологи со всего мира изучали его и многое узнали о вулканизме.
Гавайи, горячие точки и то, что строят вулканы
В 1963 году канадский геофизик Дж. Туцо Уилсон предложил идею горячей точки: глубокий неподвижный источник тепла под Тихоокеанской плитой частично плавит породу, магма поднимается и строит вулкан на морском дне, который растёт, пока не станет островом. Потом движение плиты уносит остров от горячей точки, вулканизм прекращается, и над горячей точкой начинает расти новый вулкан. Получается цепочка островов, которые тем старше и тем сильнее размыты, чем дальше от горячей точки.
Цифры сходятся. USGS пишет, что древнейшим вулканическим породам на Кауаи, самом северо-западном из обитаемых Гавайских островов, около 5,5 миллиона лет, и они сильно размыты, а на Большом острове, самом юго-восточном в цепи, самым древним обнажённым породам меньше 0,7 миллиона лет, и новая порода продолжает образовываться. Кауаи лежит примерно в 500 км от Большого острова: делим 500 км примерно на 5 миллионов лет и получаем около 10 см в год, что близко к скорости Тихоокеанской плиты (всё это оценки).
Вулканы не только разрушают. Исландию и Гавайскую цепь построили они, а пепел и лава разрушаются до почвы, богатой минералами, поэтому люди и возделывают склоны вулканов. С другой стороны, Ready.gov предупреждает, что лава и другие обломки могут двигаться со скоростью до 100 миль/ч (около 160 км/ч), а пепел может разлетаться на сотни миль и причинять серьёзный вред здоровью.
Что говорят официальные советы о жизни рядом с вулканом
Советы Ready.gov практичны. Узнайте риск в вашем районе и спросите в местной службе управления чрезвычайными ситуациями о планах эвакуации и укрытий. Подпишитесь на Volcano Notification Service — бесплатный сервис, который присылает уведомления о вулканической активности. Подготовьте запасы на несколько дней, отработайте с семьёй план связи и эвакуации и продумайте, что делать с домашними животными и скотом.
При предупреждении об угрозе вулкана слушайте экстренную информацию и выполняйте приказы об эвакуации или укрытии. Если вам советуют эвакуироваться, делайте это заранее. Избегайте подветренных районов и речных долин ниже по течению от вулкана, потому что обломки и пепел переносят ветер и сила тяжести. Если приходится оставаться в зоне пепла, временно укройтесь, закройте вентиляционные отверстия, заклейте двери и окна, ограничьте время на улице, используйте хорошо прилегающую сертифицированную маску, например N95, и не ездите в густом пепле.
После извержения слушайте власти, чтобы узнать, когда безопасно выходить на улицу или возвращаться. Не залезайте на крышу, чтобы убрать пепел, если у вас нет руководства или подготовки: пепел делает поверхности скользкими и тяжёлый. Вулканологические обсерватории следят за действующими вулканами с помощью приборов, но никому не стоит рассчитывать, что он сам сможет прочитать предупреждающие признаки: следуйте указаниям официальных служб.
Как это показывает VJOURNAL SMART BOOK
Глава «Вулканы» бесплатного SMART BOOK «Всё обо всём», том II, на VITON13 SCHOOL проходит этот путь в пяти коротких эпизодах: от ядра Земли до кратера, магма ищет выход, жидкая и вязкая магма, Мауна-Лоа против Фудзи, а также Кракатау, Помпеи и острова и почва, которые строят вулканы. Рядом с текстом — живая 3D-картинка, где слои Земли светятся тем ярче, чем глубже, а по конусу поднимается столб раскалённой породы.
Под картинкой — песочница извержения: можно повышать содержание кремнезёма и газа и смотреть, как стиль меняется от спокойной реки лавы до взрыва. Глава заканчивается тремя фактами и викториной из трёх вопросов, а каждое число взято из источников, перечисленных ниже.
Простыми словами
Взболтайте бутылку газировки и откройте её: удерживаемый газ внезапно вырывается и выбрасывает жидкость. Вулкан — то же самое, только с расплавленной породой. Глубоко внизу порода немного плавится, более лёгкая магма всплывает, давление на неё падает, газ превращается в пузырьки, и она вырывается через верх.
Попробуйте сами
Откройте главу «Вулканы» в SMART BOOK «Всё обо всём», том II, и в песочнице извержения сначала задайте низкое содержание кремнезёма, а потом высокое, оставив газ прежним, и отметьте, как меняется извержение.
Ожидаемый результат
При низком кремнезёме (около 50 процентов) магма жидкая, газ выходит тихо и вы видите спокойную реку лавы; при высоком (65–70 процентов) она вязкая, удерживает газ и даёт взрывной выброс.
Проверьте себя: Кауаи имеет возраст около 5 миллионов лет и лежит примерно в 500 км от Большого острова, который находится над Гавайской горячей точкой. С какой скоростью двигалась Тихоокеанская плита, в см в год?
Около 10 см в год: 500 км — это 50 000 000 см, разделив на 5 000 000 лет, получаем 10 см в год, что близко к 7–10 см в год для Тихоокеанской плиты (оценка).
Вопросы и ответы
Как образуются вулканы, в одном предложении?
Часть породы под землёй плавится в магму, которая легче окружающей породы, поднимается по трещинам и извергается на поверхность, а повторные извержения вырастают в вулкан.
Где образуется большинство вулканов?
Вблизи краёв тектонических плит: там, где одна плита погружается под другую (зоны субдукции), и там, где плиты расходятся (спрединговые хребты). Многие лежат вокруг Тихого океана, в Тихоокеанском огненном поясе. Некоторые, например Гавайи, образуются над горячими точками вдали от границ плит.
Сколько существует действующих вулканов?
USGS насчитывает около 1 350 потенциально активных вулканов на Земле, не считая непрерывных вулканических поясов на дне океана, и примерно 500 из них извергались в историческое время.
Чем магма отличается от лавы?
Магма — это расплавленная порода под землёй. Когда она достигает поверхности и изливается, её называют лавой.
Почему некоторые извержения взрывные?
Вязкая, богатая кремнезёмом магма (65–70 процентов кремнезёма) удерживает растворённый газ, пока давление её не прорвёт, и даёт взрывное извержение с пеплом. Жидкая базальтовая магма (около 50 процентов кремнезёма) позволяет газу выходить тихо, поэтому её лава течёт далеко.
Как узнавать официальные предупреждения о вулканической активности?
В США Ready.gov рекомендует бесплатный сервис Volcano Notification Service, который присылает уведомления о вулканической активности. В других странах спросите в местной службе чрезвычайных ситуаций или вулканологической обсерватории о системе оповещения и выполняйте приказы об эвакуации заранее.
Вулканы образуются там, где порода плавится в более лёгкую магму, которая поднимается и извергается, в основном на краях плит и над несколькими горячими точками; вязкость магмы задаёт форму и силу извержения, а официальный совет — выполнять приказы об эвакуации и уезжать заранее. Чтобы самому менять кремнезём и газ и видеть, как меняется извержение, откройте бесплатную главу «Вулканы» в VJOURNAL SMART BOOK.
Источники и дальнейшее чтение
- USGS: This Dynamic Earth, understanding plate motions ↗Источники проверены:
- USGS: This Dynamic Earth, hotspots ↗Источники проверены:
- USGS: Volcanoes, principal types of volcanoes ↗Источники проверены:
- USGS: How many active volcanoes are there on Earth? ↗Источники проверены:
- Ready.gov: Volcanoes (before, during and after) ↗Источники проверены: