Цели и задачи исследований

Деятельность многих вулканов является одним из наиболее грозных явлений природы. Извержения вулканов нередко сопровождаются катастрофами, гибелью целых городов и селений, уничтожением огромных материальных ценностей.

Например, в 1883 г. при обрушении острова-вулкана Кракатау возникла гигантская волна, уничтожившая 36 тысяч человек на побережье соседних островов Ява и Суматра. При извержении вулкана Тамборо в Индонезии в 1815 г. по одним данным 57 925 человек, по другим - около 92 000. При этом были уничтожены большие площади пахотной земли на острове Сумбава, на котором находится вулкан, и на соседнем острове Ломбок.

Иногда в связи с извержением вулканов возникают массовые болезни. Известно, что в Конго во время извержений вулканов в дождливые периоды население схватывает болезнь, сходная с дизентерией; в действительности же это более тяжелое и опасное заболевание. При извержении вулканов выделяются газы, насыщенные HCl и SO₂ ,которые растворяются в дождевой воде и образуют кислоты. Они попадают в водоемы, а эта вода используется затем для питья населением и вызывает тяжелый недуг.

Внутренняя энергия Земли, с которой связана деятельность вулканов, не подвластна человеку. Но люди предпринимают разные меры для уменьшения губительных последствий катастрофической деятельности вулканов. Проще всего было бы расселиться подальше от опасных мест. Но часто люди не могут далеко уйти от вулканов, особенно на Японских, Филиппинских, Индонезийских и других островах. Тогда особо важное значение приобретает своевременная информация населения о возобновлении деятельности вулканов. Эти мероприятия называют пассивной защитой. Если уж вулкан начал действовать, то используются действенные меры защиты людей и материальных ценностей от пеплопадов, потоков огненной лавы и других опасных явлений вулканической деятельности. Для этой цели организованы специальные станции и наблюдательные пункты.

В ряде случаев возможна активная защита от вулканических извержений. Она заключается: 1) в бомбардировке авиацией или артиллерией движущихся лавовых потоков и стен кратеров, через которые изливается лава; 2) в создании дамб и других препятствий на пути движения лавы;    

3) в проведении туннелей к кратерам для спуска воды кратерных озер.

 

Объекты непосредственных наблюдений и предмет исследования

В данной курсовой работе объектом исследования являются вулканы, а предметами их типы, строение и продукты извержения.

Современные знания в данной области

Типы вулканов

Каждый действующий вулкан обладает своими индивидуальными особенностями. Более того, нет двух совершенно одинаковых вулканов, так же как среди многомиллионного населения нашей планеты нет двух совершенно одинаковых людей. Однако вулканы можно объединить в группы со сходными чертами.  

Так, например, выделяют вулканы трех типов:

1) Площадные вулканы. В настоящее время такие вулканы не встречаются, или можно сказать не существуют. Так как эти вулканы приурочены к выходу большого количества лавы на поверхность большой площади; т.е отсюда мы видим, что они существовали на ранних этапах развития земли, когда земная кора была довольно тонкой и на отдельных участках она могла целиком быть расплавленной.

2) Трещинные вулканы. Они проявляются в излиянии лавы на земную поверхность по крупным трещинам или расколам. В отдельные отрезки времени, в основном на доисторическом этапе, этот тип вулканизма достигал довольно широких масштабов, в результате чего на поверхность Земли выносилось огромное количество вулканического материала - лавы. Мощные поля известны в Индии на плато Декан, где они покрывали площадь в 5^.10⁵ км²   при средней мощности от 1 до 3 км. Также известны на северо-западе США, в Сибири. В те времена базальтовые породы трещинных излияний были обеднены кремнеземом (около 50%) и обогащены двухвалентным железом (8-12%). Лавы подвижные, жидкие, и поэтому прослеживались на десятки километров от места своего излияния.

    Мощность отдельных потоков была 5-15 м. В США, также как и в Индии накапливались многокилометровые толщи, это происходило постепенно, пласт за пластом, в течение многих лет. Такие плоские лавовые образования с характерной ступенчатой формой рельефа получили название платобазальтов или траппов.      

    В настоящее время трещинный вулканизм распространен в Исландии (вулкан Лаки), на Камчатке (вулкан Толбачинский), и на одном из островов Новой Зеландии. Наиболее крупное извержение лавы на острове Исландия вдоль гигантской трещины Лаки, длиной 30 км, произошло в 1783 г., когда лава в течении двух месяцев поступала на дневную поверхность. За это время излилось 12 км ³ базальтовой лавы, которая затопила почти 915 км² прилегающей низменности слоем мощностью в 170м. Сходное извержение наблюдалось в 1886 г. на одном из островов Новой Зеландии. В течении двух часов на отрезке 30 км действовала 12 небольших кратеров диаметром в несколько сотен метров. Извержение сопровождалось взрывами и выбросом пепла, который покрыл площадь в 10 тыс.км², около трещины мощность покрова достигала 75 м. Взрывной эффект усиливался мощным выделением паров из озерных бассейнов, прилегавших к трещине. Такие взрывы, обусловленные наличием воды, получили название фреатические. После извержения на месте озер образовалась грабенообразная впадина длиной в 5км и шириной 1,5-3 км. 

3)   Центральный тип. Это самый распространенный тип эффузивного магматизма. Он сопровождается образованием конусообразных вулканических гор; высота их контролируется гидростатическими силами. Дело в том, что высота h, на которую способна подняться жидкая лава плотностью p_{l ,} из первичного магматического очага, обусловлена давлением на него твердой литосферы мощностью H и плотностью p_s. Эта зависимость может быть выражена следующим уравнением:         

ghp_s=gHp_l

где, g - ускорение силы тяжести.

(h-H)/H=(p_s-p_l)/p_s

 Выражение < h-H> и есть высота вулканической горы 5 h; отношение (p_s-p_l)/p_s   можно выразить как некий плотностной коэффициент j, тогда 5 h = jH. Так как данное уравнение связывает высоту вулкана с мощностью литосферы через некий плотностной коэффициент, который для разных регионов различен, значит высота вулкана в разных районах земного шара различна.

 

 Обобщая данные о деятельности вулканов центрального типа, ученные предложили классифицировать вулканы по характеру их деятельности (рис.1).

К гавайскому типу извержений относятся Мауна-Лоа, Килауэа на Гавайских островах, некоторые вулканы Исландии, Нямлягира и Нирагонго в Африке. По многим признакам к гавайскому типу близок Плоский Толбачик на Камчатке. Деятельность этих вулканов характеризуется спокойным, без взрывов, излиянием текучей базальтовой лавы и отсутствием мощных выделений газов и пара. Когда кратер переполняется, лава переливается через край и стекает по склонам, образуя длинные потоки. Склоны вулканов этого типа очень пологие, по форме они напоминают гигантский щит, поэтому их еще называют щитовыми вулканами.

По деятельности вулкана Стромболи выделен стромболианский тип извержений. Базальтовая лава этих вулканов несколько более вязкая, нежели у гавайских, но еще достаточно подвижная. Вулканические газы выделяются из нее со взрывами, образуя закрученные вулканические бомбы. Пепла нет или очень мало. Вулканы конической формы с усеченной вершиной состоят из переслаивания лав и продуктов взрывной деятельности т.е. представляют собой типичные слоистые вулканы (стратовулканы).

Для вулканского типа извержений, примером которого служит вулкан Вулкано на Липарских островах, характерна вязкая андезито-базальтовая лава, с трудом отдающая газы. Нередко лава закупоривает жерло вулкана. Газы скапливаются под вулканической пробкой и прорываются наружу с большой силой, выбрасывая бомбы, лапилли и пепел. Куски вязкой лавы в воздухе не могут закручиваться, но при охлаждении растрескиваются, приобретая вид хлебной корки. При извержениях происходит также излияние лавы в виде коротких потоков. Застывшая лава обладает глыбовой поверхностью.

Везувианский тип извержений близок к вулканскому, но отличается от него очень сильной взрывной деятельностью. Вулканические извержения этого типа обусловлены несколько более кислой, с большим количеством кремнезема, а поэтому более вязкой лавой. Накапливающиеся под лавовой пробкой газы и пары прорываются наверх, выбрасывая большое количество пепла, лапилли и бомб. Характерна форма бомб в виде лепешек и караваев с растрескавшейся поверхностью (скрученные формы не образуются из-за вязкого состояния лавы). Потоки лав короткие, обычно неправильной формы. Вулканы по типу строения принадлежат к стратовулканам. К везувианскому типу относятся Везувий и Этна в Италии, многие вулканы Камчатки и Курильских островов.

Плинианский тип извержения является дальнейшим развитием везувианского. Для него характерны сильные взрывы стремящегося кверху газа, который поднимается на высоту нескольких километров, а затем образует расширяющуюся тучу, по форме напоминающую крону итальянской сосны пинии. Сильные взрывы приводят к разрушению вулканического конуса.

Особенности вулканических извержений пелейского типа (от названия вулкана Мон-Пеле) обусловлены очень большой вязкостью выбрасываемой лавы, которая, застыв, прочно закупоривает жерло вулкана. Газы на глубине развивают огромное давление, и в конце происходит колоссальный взрыв с выбросом огромного количества пепла, бомб и газов. Эта газовая высоконагретая туча с температурой до 700⁰ С, наполненная каменным материалом, стремительно скатывается по склону вулкана, неся с собой разрушение и смерть. Одновременно туча разрастается вверх огромным кудрявым столбом. Такие высоконагретые тучи пепла и газа называются палящими тучами. К вулканам пелейского типа, кроме Мон-Пеле, относятся Катмаи на Аляске, Безымянный на Камчатке и др.

Наконец, выделяют извержения бандайсанского типа (Бандай-Сан - один из крупных японских вулканов), для которого характерна чисто взрывная деятельность, без выхода лавы в виде потоков или куполов на поверхность. Кратер вулкана закрыт вязкой лавой, которая не дает выхода газам и парам. Затем в определенный момент происходит мощный взрыв, в результате которого разрушается весь вулкан и выбрасывается масса застывшей лавы. Свежая лава на поверхность не выходит. К этому относится Кракатау в Индонезии, а также некоторые другие вулканы.

К рассмотренным типам деятельности относятся вулканы центрального типа, безраздельно господствующие в современный период жизни Земли. Но в прошлые геологические эпохи были также широко распространены извержения трещинного типа, для которых характерно излияние лавы из зияющих в земной коре трещин. В настоящее время извержения такого рода происходят в Исландии, поэтому трещинные вулканы называют еще вулканами исландского типа.

  Не следует думать, что один и тот же вулкан действует только по одному типу. Вулканы в течение своей жизни проходят некоторый путь развития поэтому меняется и характер их деятельности. Действие вулкана по определенному типу по существу является временным, хотя оно и охватывает промежутки времени во многие десятки и даже сотни тысяч лет. Изменения типа извержения вызваны изменениями в составе магмы поступающей из глубин Земли, и теплового режима. Так, например, Везувий в историческое время извергался по типу Стромболи, Вулкано, плинианскому и выбрасывал палящие тучи.

6.2.Строение вулканов (рис. 2)

Корни вулкана, т.е. его первичный магматический очаг располагается на глубине 60-100км в астеносферном слое. В земной коре на глубине 20-30 км находится вторичный магматический очаг, который непосредственно и питает вулкан через жерло. Конус вулкана сложен продуктами его извержения. На вершине располагается кратер - чашеобразное углубление, которое иногда заполняется водой. Диаметры кратеров могут быть различны, например, у Ключевской сопки – 675 м, а у известного вулкана Везувий, погубившего Помпею - 568м. После извержения кратер разрушается и образуется впадина с вертикальными стенками - кальдеры. Диаметр некоторых кальдер достигает многих километров, например кальдера вулкана Аниакчан на Аляске равно 10 км.

Иногда на склонах вулканов возникают паразитические, или побочные кратеры, через жерло которых также может извергаться определенное количество лавы.

Продукты извержения

При извержении вулкана выделяются продукты вулканической деятельности, которые могут быть жидкими, газообразными и твердыми.

                                                          

  Газообразные, или летучие играют важную роль в вулканической деятельности. Во время кристаллизации магмы на глубине выделяющиеся газы поднимают давление до критических значений и вызывают взрывы, выбрасывая на поверхность сгустки раскаленной жидкой лавы. Также при извержении вулканов происходит мощное выделение газовых струй, создающих в атмосфере огромные грибовидные облака. Такое газовое облако состоящее из капелек расплавленной (свыше 700⁰С) пепла и газов, образовавшееся из трещин вулкана Мон-Пеле, в 1902г., уничтожило город Сен-Пьер и 28000 его жителей.

Состав газов и их концентрация в пределах одного вулкана очень сильно меняются от места к месту и во времени. Зависят они и от температуры, и в самом общем виде от степени дегазации мантии, и типа земной коры. По данным японских ученых, зависимость состава вулканических газов от температуры выглядит следующим образом:

Температура, ⁰С                                            Состав газов (без воды)

1200-800                                                         HCl, CO₂, H₂O, H₂S, SO

800-100                                                           HCl, SO₂, H₂S, CO₂, N₂, H₂

100-60                                                             H₂, CO₂, N₂, SO₂, H₂S

60                                                                    CO₂, N₂, H₂S

Характер выделения газов зависит от состава и вязкости магмы, а скорость отделения газов от расплава определяет тип извержения.

Жидкие - характеризуются температурами в пределах 600-1200⁰С. Представлена именно лавой.

Вязкость лавы обусловлена ее составом и зависит главным образом от содержания кремнезема или диоксида кремния. При высоком ее значении (более 65%) лавы называют кислыми, они сравнительно легкие, вязкие, малоподвижные, содержат большое количество газов, остывают медленно. Меньшее содержание кремнезема (60-52%) характерно для средних лав; они как и кислые более вязкие, но нагреты обычно сильнее (до 1000-1200⁰С) по сравнению с кислыми (800-900⁰С). Основные лавы содержат менее 52% кремнезема и поэтому более жидкие, подвижные, свободно текут. При их застывании на поверхности образуется корочка, под которой происходит дальнейшее движение жидкости.

Твердые продукты включают в себя вулканические бомбы, лапилли, вулканический песок и пепел. В момент извержения они вылетают из кратера со скоростью 500-600м/c.

Вулканические бомбы - крупные куски затвердевшей лавы размером в поперечнике от нескольких сантиметров до 1м и более, а в массе достигают нескольких тонн (во время извержения Везувия в 79г., вулканические бомбы ‘слезы Везувия’ достигали десятков тонн). Они образуются при взрывном извержении, которое происходит при быстром выделении из магмы содержащихся в ней газов. Вулканические бомбы бывают 2-х категорий: 1-ая, возникшие из более вязкой и менее насыщенной газами лавы; они сохраняют правильную форму даже при ударе о землю из-за корочки закаливания, образовавшейся при их остывании. 2-ая, формируются из более жидкой лавы, во время полета они приобретают самые причудливые формы, дополнительно усложняющиеся при ударе. Лапилли (лат.”лапиллус“- маленький камень)- сравнительно мелкие обломки шлака величиной 1,5-3см, имеющие разнообразные формы.                                                                                                                            Вулканический песок - состоит из сравнительно мелких частиц лавы (³ 0,5см). Еще более мелкие обломки, размером от 1мм и менее образуют вулканический пепел, который оседая на склонах вулкана или на некотором расстоянии от него образует вулканический туф. Мощные выбросы пеплов, снижая солнечную радиацию, вызывают понижение температуры. Так, извержение вулкана Эль-Чичон в Мексике в 1982 г. привело к снижению средней температуры на земном шаре на 2,5 ⁰С. Похолодание произошло и после извержения вулкана Пинатубо в 1991 г. на Филиппинах.

 

6.4.Вулканы на службе у человека (рис.3)

 

Внутренняя энергия Земли, с которой связана деятельность вулканов, еще не подвластна человеку, и поэтому мы не можем пока избавиться от этого грозного явления. Но люди находят разные средства для уменьшения этой опасности. Более того, человек научился получать выгоду от своего “страшного соседа”.

Прежде всего нужно отметить, что вулканические силы Земли заключают в себе огромную энергию. Расход тепла, связанный с извержениями и горячими источниками, по подсчетам ученых, составляет примерно от 8,4 ^. 10¹⁷ до 31,5 ^. 10¹⁸ дж в год.

Тепловая энергия вулканов давно и очень широко применяется в Исландии- стране вечных льдов, не имеющей запасов топлива. Также это самая дешевая энергия.

Широко используется горячая вулканическая вода в Японии. Ею отапливаются дома, прогревается почва на рисовых полях и огородах, а благодаря значительному содержанию солей аммония и фосфора она применяется как удобрение.

Горячие воды не только источник тепла и различных химических соединений. Многие из них содержат вещества, обладающие лечебными свойствами. Например, установлено, что горячие воды многих источников Камчатки и Курильских островов по своим бальнеологическим свойствам не уступают минеральным водам известных курортов. Так, на Камчатке большую славу снискали воды Налачевских источников, содержащие мышьяк. Горячие вулканические воды используются при лечении многих болезней, в том числе ревматизма, различных заболеваний суставов, нервной системы и т.д.

 Современная деятельность вулканов сопровождается образованием ряда месторождений минералов, некоторые из них возникают на глазах человека, Например, выделяющиеся из глубин газовые струи бывают настолько насыщены сернистым газом и сероводородом, что у выхода их на поверхность возникают серные бугры. С действующими вулканами также связано образование нашатыря, борной кислоты и других химических соединений.

 В древних вулканах, чьи вулканические постройки в большей или меньшей мере разрушены и под которыми на глубине уже нет очагов лавы, встречается другой комплекс полезных ископаемых. В основном это руды металлов, в том числе ртути, серебра, сурьмы и др., месторождения серы и, конечно, сами лавы как строительный материал. При подводных извержениях возникают месторождения исландского шпата (ценный материал для изготовления оптических приборов), а иногда и марганца и железа.

 С особым видом магматической деятельности на огромных глубинах (по своему взрывному характеру примыкающей к вулканическим явлениям) связано образование алмаза.

Все, что мы узнали о вулканах, говорит о том, что их деятельность может использоваться в разнообразных направлениях. Более того, в некоторых случаях возможности эти оказываются совершенно неожиданными. Например, исследователи Сахары поставили вопрос об использовании угасших вулканов для…увеличения числа выпадающих дождей. На первый взгляд предложение кажется просто странным. Однако связь между дождями и вулканической деятельностью в Сахаре существует. Дело заключается в том, что в недалеком прошлом в условиях пустынного климата в Сахаре действовали вулканы, и тогда в этих краях было много озер. Поэтому предполагают, что наблюдаемое в настоящее время резкое понижение влажности связано с прекращением вулканических извержений. С другой стороны, данные о современной вулканической деятельности показывают, что извержения вулканов, как правило, сопровождаются обильными атмосферными осадками. Отсюда естественный вывод о возможности увлажнения климата путем искусственного возобновления деятельности потухших вулканов, например, при помощи атомной энергии.