Вулканы: как они образуются, извергаются и меняют Землю

Вулканы — геологические образования, через которые на поверхность поступают магма, вулканические газы, пепел и обломки горных пород. Они создают острова и горные цепи, меняют рельеф, влияют на атмосферу и оставляют после себя плодородные почвы.
Извержения бывают совершенно разными. Одни вулканы сравнительно спокойно изливают жидкую лаву, другие выбрасывают столбы пепла на огромную высоту и создают раскалённые пирокластические потоки. Даже один вулкан на разных этапах существования способен демонстрировать разные виды активности.
Опасность определяется не только размерами горы. Важны состав магмы, количество растворённых газов, геологическое строение, наличие снега и льда, направление ветра, окружающий рельеф и расстояние до населённых пунктов.

Художественное изображение извержения с фонтаном и потоками раскалённой лавы

Что такое вулкан

Вулканом называют участок земной коры, где магма и связанные с ней вещества могут выходить на поверхность.

Вулкан — это не только заметная гора с кратером. Вулканическая система включает:

• область образования магмы;
• магматические резервуары;
• трещины и каналы;
• главный и боковые жерла;
• лавовые потоки;
• слои пепла и других выбросов;
• кратеры, купола и кальдеры;
• гидротермальную систему.

Некоторые вулканы выглядят как высокие симметричные конусы. Другие образуют широкие пологие возвышенности, цепочки трещин, лавовые поля или огромные впадины.

Большая часть вулканической активности Земли происходит на океанском дне и остаётся незаметной для большинства людей.

Чем магма отличается от лавы

Расплавленную или частично расплавленную горную массу под поверхностью называют магмой. В ней могут находиться кристаллы и растворённые газы.

После выхода на поверхность магма называется лавой.

Это одна и та же горная масса на разных этапах движения. Пока она находится внутри Земли — это магма. После извержения — лава.

Магма не является полностью однородной жидкостью. Она может напоминать густую смесь расплава, кристаллов и газовых пузырьков.

После охлаждения и затвердевания лава превращается в вулканическую горную породу.

Откуда берётся магма

Недра Земли нельзя представлять как гигантский океан расплавленной породы. Большая часть мантии остаётся твёрдой, хотя способна очень медленно деформироваться.

Магма образуется локально, когда условия позволяют части горной породы расплавиться. Это происходит несколькими основными способами.

Понижение давления

Когда горячее вещество мантии поднимается ближе к поверхности, давление уменьшается. Порода может начать частично плавиться без дополнительного нагревания.

Такой механизм характерен для срединно-океанических хребтов и некоторых горячих точек.

Добавление воды и других летучих компонентов

В зонах субдукции океаническая плита погружается под другую плиту. Из нагревающейся породы высвобождаются вода и другие летучие вещества.

Они поступают в лежащую выше мантию и снижают температуру её плавления. Образовавшаяся магма начинает подниматься.

Передача тепла

Горячая магма, внедрившаяся в земную кору, может нагревать и частично расплавлять окружающие породы. В результате её состав изменяется.

Магма обычно образуется в верхней мантии или земной коре. Она не поднимается непосредственно из ядра планеты.

Почему магма движется вверх

Магма часто имеет меньшую плотность, чем окружающая твёрдая порода. Это создаёт выталкивающую силу.

Она проникает вверх по трещинам и ослабленным участкам коры. Часть магмы достигает поверхности, а часть останавливается на глубине и постепенно затвердевает.

Под вулканом не всегда существует одна огромная полая «камера», наполненная жидкостью. Магматическая система может состоять из сети небольших резервуаров, трещин и участков частичного расплава.

Движение магмы сопровождается небольшими землетрясениями, деформацией поверхности и изменением состава газов. По этим признакам учёные следят за состоянием вулкана.

Где образуются вулканы

Расположение большинства вулканов связано с движением литосферных плит.

Зоны субдукции

Когда одна плита погружается под другую, над ней может образоваться цепь вулканов. Такие районы расположены вокруг значительной части Тихого океана.

Эту систему границ плит называют Тихоокеанским огненным кольцом. К ней относятся вулканы Японии, Индонезии, Камчатки, Курильских и Алеутских островов, Аляски, Северной и Южной Америки.

Для зон субдукции характерны стратовулканы и взрывные извержения, хотя конкретное поведение каждого вулкана различается.

Расходящиеся границы плит

Там, где плиты расходятся, горячее вещество мантии поднимается, частично плавится и образует новую земную кору.

Этот процесс активно происходит вдоль срединно-океанических хребтов. Большинство таких вулканов скрыто под водой.

На суше расходящуюся границу плит можно наблюдать, например, в Исландии и Восточно-Африканской рифтовой системе.

Горячие точки

Некоторые вулканы расположены далеко от границ плит. Их связывают с горячими точками — длительно существующими областями образования магмы под движущейся плитой.

Когда плита перемещается над такой областью, последовательно возникают новые вулканы. Так сформировалась цепь Гавайских островов и подводных гор.

Какие бывают вулканы

Форма вулкана зависит от состава лавы, характера извержений и продолжительности активности.

Щитовые вулканы

Они имеют широкие основания и пологие склоны. Такие формы создаются многочисленными потоками сравнительно жидкой базальтовой лавы.

Лава способна растекаться на большие расстояния, постепенно наращивая огромную, но невысокую относительно ширины постройку.

К щитовым относятся многие вулканы Гавайских островов.

Стратовулканы

Стратовулкан, или сложный вулкан, обычно имеет форму высокого конуса. Он формируется из чередующихся слоёв лавы, пепла и других вулканических отложений.

Такие вулканы способны производить как лавовые потоки, так и мощные взрывные извержения. К ним относятся Везувий, Фудзи, Попокатепетль и многие вулканы Камчатки.

Шлаковые конусы

Это сравнительно небольшие крутые постройки, состоящие из обломков застывшей лавы, выброшенных из жерла.

Шлаковый конус может сформироваться за короткий период активности. Иногда он возникает на склоне более крупного вулкана.

Лавовые купола

Очень вязкая лава не успевает далеко растечься и накапливается возле жерла. Так образуется лавовый купол.

Купол может медленно расти и оставаться нестабильным. Его обрушение способно вызвать опасный пирокластический поток.

Трещинные вулканические системы

Лава извергается не только из центрального кратера. Она может выходить из длинных трещин, образуя обширные лавовые поля.

Крупные древние трещинные излияния создавали огромные вулканические плато.

Что такое кальдера

Кальдера — крупная впадина, возникающая при проседании поверхности над магматической системой.

После большого извержения часть магмы покидает подземный резервуар. Верхние породы теряют опору и обрушиваются внутрь.

Кальдера может иметь диаметр в несколько километров. Со временем в ней иногда образуется озеро, новые вулканические конусы или лавовые купола.

Кальдера не обязательно является «кратером от взрыва». Главную роль в её формировании обычно играет именно проседание.

Наличие кальдеры также не означает, что новое катастрофическое извержение неизбежно в ближайшем будущем.

Почему одни извержения спокойные, а другие взрывные

Характер извержения зависит от вязкости магмы и количества растворённых газов.

Жидкая базальтовая магма позволяет газам сравнительно легко выходить. Поэтому она часто создаёт лавовые фонтаны и потоки.

Магма, богатая кремнезёмом, обычно более вязкая. Газам трудно покинуть её, давление накапливается, и извержение может стать взрывным.

На поведение также влияют:

• температура магмы;
• глубина резервуара;
• скорость подъёма;
• кристаллизация;
• смешивание разных магм;
• контакт с водой;
• состояние вулканического канала.

Делить все извержения только на «спокойные» и «взрывные» удобно, но в природе существует множество промежуточных вариантов.

Основные стили извержений

Названия стилей описывают характерные особенности, но реальное извержение может переходить от одного типа активности к другому.

Гавайский стиль

Сравнительно жидкая лава образует фонтаны и протяжённые потоки. Количество пепла обычно невелико.

Стромболианский стиль

Через определённые промежутки происходят небольшие или умеренные взрывы. Они выбрасывают раскалённые обломки лавы.

Название происходит от вулкана Стромболи.

Вулканский стиль

Короткие сильные взрывы выбрасывают пепел, газы и фрагменты породы. Магма при этом более вязкая.

Название связано с итальянским островом Вулькано.

Плинианский стиль

Мощное продолжительное извержение создаёт высокий столб газа и пепла. Извержение способно распространить материал на огромную территорию и привести к образованию пирокластических потоков.

Термин связан с описанием извержения Везувия, оставленным Плинием Младшим.

Фреатическое извержение

Подземная вода соприкасается с горячей породой или магмой и быстро превращается в пар. Происходит взрыв, выбрасывающий старые породы и пепел.

Такое событие иногда начинается внезапно и не обязательно сопровождается выходом свежей магмы.

Почему вулканический пепел не похож на обычный

Вулканический пепел не образуется при сгорании дерева или другого топлива.

Он состоит из мелких острых фрагментов:

• вулканического стекла;
• минералов;
• разрушенной горной породы.

Частицы пепла имеют абразивные свойства. Они раздражают глаза и дыхательные пути, повреждают механизмы, загрязняют воду и ухудшают видимость.

Влажный пепел тяжёлый. При большом накоплении он создаёт серьёзную нагрузку на крышу и может привести к её обрушению.

Даже сравнительно далёкие территории способны пострадать от пеплопада, поскольку ветер переносит мелкие частицы на сотни и тысячи километров.

Какие опасности создают вулканы

Лава — лишь один из многих вулканических факторов.

Лавовые потоки

Лава сжигает и погребает здания, дороги, растительность и коммуникации. Чаще всего поток движется достаточно медленно, чтобы люди успели эвакуироваться, но существуют исключения.

Остановить крупный поток чрезвычайно сложно. Его направление определяется рельефом и свойствами лавы.

Пирокластические потоки

Это быстро движущаяся смесь раскалённых газов, пепла, пемзы и обломков породы.

Пирокластический поток идёт по склонам и низинам, обладает высокой температурой и способен уничтожить практически всё на своём пути. Убежать от него на близком расстоянии обычно невозможно.

Единственная надёжная стратегия — своевременная эвакуация из опасной зоны.

Лахары

Лахар — поток воды, вулканического пепла, камней и другого материала.

Вода может поступать от сильного дождя, растаявшего снега и льда, кратерного озера или разрушенного водоёма. Лахары движутся по долинам рек и способны удаляться на десятки километров от вулкана.

Они могут возникнуть во время извержения или спустя продолжительное время после него, когда дождь размывает рыхлые вулканические отложения.

Пеплопад

Пепел нарушает работу транспорта, загрязняет воду, повреждает электросети и сельскохозяйственные угодья.

На дорогах снижается видимость и ухудшается сцепление. Пепел попадает в двигатели, вентиляцию и электронное оборудование.

Вулканические газы

Магма выделяет водяной пар, углекислый газ, диоксид серы и другие вещества.

Диоксид серы раздражает дыхательные пути и участвует в образовании вулканического смога. Углекислый газ тяжелее воздуха и при определённых условиях способен скапливаться в низинах, вытесняя кислород.

Опасная концентрация газов возможна даже без эффектного извержения.

Вулканические бомбы

Крупные фрагменты расплавленной или твёрдой породы выбрасываются из жерла и падают возле вулкана.

Находиться рядом с кратером опасно даже при небольшом извержении.

Оползни и обрушения

Склоны вулканов состоят из чередующихся слоёв пород и могут быть нестабильными. Землетрясение, проникновение магмы или сильные осадки способны вызвать обвал.

Крупное обрушение возле моря может создать цунами.

Как вулканы влияют на климат

Крупное взрывное извержение способно временно охладить климат. Главную роль играет не углекислый газ и не видимый пепел, а диоксид серы, попавший в стратосферу.

Там он превращается в мелкие сульфатные аэрозоли. Они отражают часть солнечного света, уменьшая количество энергии, достигающей поверхности.

Такое охлаждение обычно продолжается ограниченное время, пока частицы не покинут атмосферу.

Не каждое крупное извержение заметно влияет на климат. Важны объём диоксида серы, высота выброса, широта вулкана и атмосферная циркуляция.

Вулканическая активность выделяет углекислый газ, но современные антропогенные выбросы значительно превышают вулканические.

Создают ли вулканы новые земли

Лава, достигнув поверхности, охлаждается и превращается в твёрдую породу. Многократные извержения постепенно формируют горы, плато и острова.

Подводный вулкан может вырасти настолько, что его вершина появится над уровнем моря. Однако молодой остров остаётся уязвимым: волны быстро разрушают рыхлый пепел и непрочные отложения.

Чтобы остров сохранился, извержения должны создать достаточно устойчивую основу из затвердевшей лавы.

Значительная часть океанической коры формируется благодаря подводной вулканической активности вдоль срединно-океанических хребтов.

Почему вулканические почвы плодородны

Свежая лава и пепел сами по себе не являются готовой плодородной почвой. Для её формирования требуется время.

Вода, перепады температуры, микроорганизмы и растения постепенно разрушают вулканические породы. Высвобождаются калий, фосфор, железо и другие элементы.

В результате в некоторых вулканических районах возникают продуктивные почвы. Они привлекают земледельцев, несмотря на существующий риск извержений.

Плодородие зависит от состава породы, климата, возраста почвы и способов её использования. Не вся вулканическая территория одинаково пригодна для сельского хозяйства.

Почему люди живут возле вулканов

Причин несколько:

• плодородные земли;
• доступ к воде;
• геотермальная энергия;
• полезные ископаемые;
• туризм;
• культурная связь с местностью;
• стоимость жилья;
• отсутствие возможности переселиться.

Некоторые вулканы бездействуют сотни лет, и опасность начинает восприниматься как далёкая. Но длительный покой не гарантирует, что активность не возобновится.

Безопасность зависит от наблюдений, карт опасности, строительных норм, маршрутов эвакуации и доверия к официальным предупреждениям.

Можно ли предсказать извержение

Точную дату и силу будущего извержения определить удаётся не всегда. Но учёные могут выявлять признаки изменения состояния вулкана.

Для наблюдения используют:

• сейсмометры;
• спутниковые снимки;
• GPS и другие методы измерения деформации;
• газовые анализаторы;
• тепловые камеры;
• наземные радары;
• исследования воды и гидротермальных источников;
• геологические данные о прошлых извержениях.

Подъём магмы часто вызывает серии небольших землетрясений. Поверхность может подниматься или смещаться, а состав газов и температура — изменяться.

Каждый отдельный признак имеет несколько возможных объяснений. Поэтому специалисты анализируют совокупность наблюдений.

Период беспокойства иногда заканчивается без извержения. Это не означает, что предупреждение было ошибочным: задача мониторинга — оценить риск при неполной информации.

Что показывает индекс VEI

Индекс вулканической эксплозивности, или VEI, используется для сравнения взрывных извержений.

Шкала включает значения от 0 до 8 и учитывает объём выброшенного материала, высоту эруптивного столба и некоторые другие характеристики.

VEI не является общей шкалой опасности. Извержение с небольшим индексом способно быть смертельно опасным рядом с жерлом, а крупное событие в удалённом районе может причинить меньше вреда людям.

Индекс также плохо описывает длительные излияния лавы и некоторые другие процессы. Его нельзя использовать как единственный показатель риска.

Активный, спящий и потухший вулкан

Эти определения кажутся простыми, но не всегда имеют строгие универсальные границы.

Активным обычно считают вулкан, который извергался в недавнем геологическом прошлом или демонстрирует признаки возможной будущей активности.

Спящим называют вулкан, давно не извергавшийся, но способный возобновить деятельность.

Потухшим считают вулкан, который, по геологическим данным, вряд ли снова получит магматическое питание.

Проблема состоит в том, что перерыв между извержениями может длиться тысячи лет. Поэтому отсутствие исторических записей не доказывает окончательное угасание.

Правда ли, что существует голубая лава

Фотографии синего свечения на вулкане Иджен часто подписывают как «голубая лава». Это неточно.

Синий цвет создаёт горящая сера. Горячие сернистые газы выходят из трещин, воспламеняются и образуют яркое синее пламя, особенно заметное ночью.

Расплавленная сера тоже может стекать по склону и светиться синим пламенем. Обычная силикатная лава при высокой температуре остаётся красной, оранжевой или жёлтой.

Насколько опасен Йеллоустоун

Йеллоустоунская кальдера связана с крупной вулканической системой и действительно создала несколько масштабных извержений в геологическом прошлом.

Однако слово «супервулкан» часто используется в сенсационном контексте. Наличие большой кальдеры не означает, что катастрофическое извержение скоро произойдёт.

Район постоянно контролируется приборами. Землетрясения, деформация поверхности и гидротермальная активность там естественны и не всегда указывают на приближение извержения.

Будущая активность может иметь разные формы, включая гидротермальные взрывы или лавовые излияния. Сценарий максимального извержения не является единственно возможным.

Как действовать при угрозе извержения

Главное правило — выполнять распоряжения местных властей и вулканологической службы.

Если объявлена эвакуация:

1. Не откладывайте выезд.
2. Используйте рекомендованный маршрут.
3. Не приближайтесь к кратеру.
4. Избегайте речных долин и низин.
5. Возьмите документы, воду, лекарства и средства связи.
6. Не возвращайтесь до официального разрешения.

Долины особенно опасны, поскольку по ним движутся лахары и пирокластические потоки.

Самостоятельно выбирать «более короткую» дорогу через опасную зону нельзя.

Что делать при пеплопаде

Если эвакуация не объявлена и власти рекомендуют оставаться дома:

• закройте окна и двери;
• отключите системы, затягивающие наружный воздух;
• по возможности заделайте щели;
• держите животных в помещении;
• защитите воду и продукты;
• используйте подходящий респиратор;
• наденьте защитные очки;
• не носите контактные линзы;
• ограничьте поездки;
• слушайте официальные сообщения.

Обычная тканевая повязка защищает хуже правильно подобранного респиратора. Людям с заболеваниями дыхательной системы следует соблюдать особую осторожность.

Пепел нельзя без необходимости сдувать или поднимать сухой щёткой. Его лучше слегка увлажнять, не перегружая крышу дополнительной водой.

Удалять толстый слой с крыши следует только безопасным способом: падение с высоты и обрушение конструкции представляют серьёзную угрозу.

Почему вулканы одновременно разрушают и создают

Извержение может уничтожить поселение, изменить русло реки и сделать территорию непригодной для жизни. Но в геологическом масштабе вулканизм создаёт новую кору, острова, горы и минеральные месторождения.

Он поддерживает гидротермальные системы, которые становятся средой обитания необычных организмов. Вулканическое тепло используется для получения энергии и обогрева.

Вулканы также помогают учёным исследовать внутреннее строение планеты. Состав лавы, газов и минералов несёт информацию о процессах в земной коре и мантии.

Опасность вулканов невозможно устранить, но её можно уменьшить благодаря наблюдениям, грамотному планированию и своевременной эвакуации. Чем лучше изучена конкретная вулканическая система, тем точнее можно оценивать возможные сценарии её активности.