ОГНЕДЫШАЩИЕ ГОРЫ ЗЕМЛИ
Г. ШМИНКЕ
Изучению вулканов уделяется все большее внимание. Шаг за шагом наука открывает тайны образования пород в недрах Земли. Известные щитовидные вулканы Гавайских островов - благодатные объекты для вулканологов. Здесь исследуются основные законы динамики живого вулкана.
Г. ШМИНКЕ.
У большинства из нас слово «вулкан» ассоциируется с гибелью Помпеи, со страшными взрывными извержениями Кракатау, с катастрофой на острове Мартиника. От вулканологов все ждут, что они разработают методы заблаговременного прогноза извержений. Это, и в самом деле одна из основных целей вулканологии, но, чтобы достичь ее, потребуются годы, и годы интенсивной работы.
Еще далеко не закончено, изучение основных процессов, идущих в вулкане возникновение магмы, ее поднятие, сам процесс извержения и, наконец, кристаллизация каменного расплава (магмы). Поиски причин и закономерностей вулканических процессов по-настоящему начались только около двух десятилетий назад.
Магма, или каменный расплав, поднимается на поверхность из мантии. Проходя через слой земной коры, она может вступать с ней в самые разные химические реакции. Если вулканологи хотят увидеть каменный расплав, как можно более близкий по составу к веществу мантии, им надо ехать к вулканам, расположенным в тех местах, где кора, во-первых, тонка, а во-вторых, ее состав близок к составу самой магмы. Толщина коры под континентами достигает нескольких десятков километров, немалую долю в ней составляет гранит, весьма отличающийся по составу от базальтовой магмы. Под океанами есть места, где толщина коры не превышает пяти километров, а состоит океаническая кора из базальтовых пород. Вот почему для изучения вулканических процессов наиболее подходят островные вулканы в океане. Идеальными в этом отношении оказались Гавайские острова.
Это острова вулканического происхождения, вся цепь имеет длину 2 560 километров, а архипелаг более крупных островов - от Кауаи на северо-западе, и до Гавайи на юго-востоке - тянется почти на 650 километров. Интересно, что островам на северо-западе около пяти миллионов лет. Далее на юго-восток идут все более и более «молодые» острова и, наконец, остров Гавайи, который возник менее миллиона лет назад. Значит, центры вулканической активности, поднявшие эти острова из моря, ползут с северо-запада на юго-восток со скоростью примерно 15 сантиметров в год. Возможно, что здесь в верхних слоях мантии есть трещина, и эта трещина медленно распространяется к юго-востоку.
Вулканы Гавайских островов - это классические щитовидные вулканы. Они образовались от излияния невязкой, текучей жидкой базальтовой лавы, поэтому имеют форму не конуса, а щита. Это вулканы с очень пологими склонами (уклон не более 5) и довольно плоскими вершинными плато. Здесь мало вулканического пепла, и шлаков (разбрызганной и застывшей лавы), потому, что в базальтовом расплаве очень мало газа (в основном это водяной пар), а имеющийся газ быстро уходит из негустой лавы. Если газа много, то он, разбрызгивая лаву, в изобилии создает пепел, и шлаки.
Самый большой и самый известный щитовидный вулкан Земли - Мауна Лоа на острове Гавайи. Диаметр его основания у морского дна, на глубине около 5 тысяч метров, составляет 150 километров, а высота над уровнем моря - около 4 200 метров. Последнее извержение Мауна Лоа произошло 20 лет назад. К востоку от Мауна Лоа вздымается тоже большой вулкан Килауэа высотой 1 200 метров, один из активнейших вулканов Земли. В его вершинной кальдере находится застывшее лавовое озеро Халема-умау.
Условия для исследований вулканических процессов на вулкане Килауэа весьма благоприятны тонкая базальтовая кора в районе острова, частая, но не слишком взрывчатая деятельность вулкана, его сравнительно простое строение, пологость его склонов. Мягкий, ровный климат острова позволяет оставлять самопишущие приборы на склонах вулкана на целый год.
На краю кратера, прямо над лавовым озером Халемаумау, возникла вулканологическая обсерватория. Сотрудники американской геологической службы исследуют здесь основные законы динамики живого вулкана.
Ученые доказали, что Гавайские острова под тяжестью постоянно наслаивающейся лавы медленно погружаются в земную кору, и верхние слои мантии. Кора под гигантскими щитовидными вулканами прогибается. Остров Гавайи за год опускается на 4,8 миллиметра. Его. западный сосед Мауи - на 1,7 миллиметра (активная фаза развития этого вулкана давно прошла). Вулкан на острове Оаху (300 километров от Гавайи) вышел из активной фазы развития еще раньше - около двух миллионов лет назад. Сейчас остров Оаху находится в равновесии.
Опускаясь, острова выдавливают вещество. мантии вниз и в стороны. Вот почему острова окружены так называемой Гавайской дугой, подковообразной складкой земной коры.
Считается, что магма, извергаемая гавайскими вулканами, поднимается с глубины 60 - 100 километров, то есть из верхних слоев мантии. В коре возникать расплав здесь не может. Во-первых, она в этом районе слишком тонка для этого (всего 5 километров), во-вторых, низка ее температура.
Время от времени сейсмографы улавливают толчки под Килауэа, на глубине около 60 километров. Возможно, эти толчки означают начало подъема магмы. В августе 1959 года, за три месяца до знаменитого извержения Килауэа-Ики, тоже было отмечено глубинное землетрясение. Вулканологи рассчитали, что магма, изливаемая Килауэа, поднимается с глубины не менее 40 километров, а Мауна Лоа - 60 километров.
Надо сказать, что слой, в котором возникает основная масса магмы, так называемый «низкоскоростной» слой мантии, лежит под Гавайями именно на этой глубине. Низкоскоростным его называют потому, что сейсмические волны, скорость распространения которых обычно растет с глубиной, в этом слое идут медленнее, чем можно было ожидать.
Падение скорости сейсмических волн, возможно, зависит от того, что, кроме плотного кристаллического вещества, этот слей содержит некоторую долю расплава, в котором есть, и вода. Может быть, дело е том, что здесь меньше плотного минерала оливина, а больше сравнительно легких граната и пироксена. Итак, ученые считают, что. магма приходит именно из этого слоя. Но, как возникает расплав?
Удалось рассчитать, что тепловой поток, идущий из недр, имеет более высокую температуру, чем породы верхних слоев мантии. Откуда берется дополнительное тепло, плавящее часть пород? Это пока неизвестно. Существует интересная гипотеза Г. Шоу. Он предположил, что в тепло преобразуется часть механической энергии приливно-отливного движения горных пород, вызываемого Луной. Этого добавочного тепла, видимо, хватает на то, чтобы расплавить часть минералов.
Итак, из пород мантии выплавляется гомогенная, бедная калием магма. Остаются тугоплавкие минералы - в основном оливин, и пироксен. Их осколки нередко выносятся магмой наверх. Из вулкана Килауэа, где процесс образования магмы, по-видимому, идет непрестанно, последние 150 лет ежегодно выносится в среднем по 50 миллионов кубических метров лавы.
Образовавшаяся в верхних слоях мантии магма по каналам поднимается к основанию вулкана. Обычно она не сразу выходит на поверхность, а накапливается в магматических камерах.
Расплав, из которого мы берем на поверхности пробы, не идентичен той магме, которая поднималась из мантии. Магма пробыла, какое-то время в камере, лежащей неглубоко, где температура, и давление не так высоки, как в верхних слоях мантии. При охлаждении магмы в ней уже успели вырасти отдельные кристаллы. Это прежде всего оливин. Если магма дольше остается в камере, там вырастают, и кристаллы плагиоклаза, и пироксена, типичных компонентов базальта.
Если же извержения вообще не происходит, расплав медленно остывает, образуя грубозернистую породу.
До того, как были проведены работы гавайской вулканологической обсерватории, никто не мог с полной уверенностью сказать, что магматические камеры в самом деле существуют. Теперь это подтверждено геодезическими измерениями. Поясним их принцип простым сравнением. На детском воздушном шарике нарисованы три точки. Если надувать шарик, точки разойдутся, передвигаясь по радиусам, исходящим из центра шарика. Вершинное плато вулкана Килауэа представляет собой верхнюю часть кровли магматической камеры. Когда камера наполняется магмой, ее свод «надувается», как воздушный шарик. На плато (как точки на резиновом шарике) ставятся наблюдательные пункты, расстояние между которыми измеряется с большой точностью. Любой сдвиг каждого пункта по горизонтали или по вертикали тут же отмечается. При этом важно, чтобы измерения проводились часто, и регулярно, а сам процесс измерения занимал, как можно меньше времени, потому, что кровля камеры находится в непрерывном движении. Для этих измерений разработан новый лазерный дальномер, позволяющий определять расстояния до 60 километров с точностью до нескольких миллиметров! На острове Гавайи работает уже 8 таких дальномеров. Промеры ведутся уже несколько лет. Они позволили уточнить расположение магматической камеры. После этого над центром камеры наметили три контрольных отрезка длиной по 3 километра. Их длину измеряли еженедельно. Велась регистрация не только вертикальных, и горизонтальных перемещений наблюдаемых пунктов, но, и измерялся наклон у кровли вулкана. Эти промеры дали много новой, ценной информации о магматической камере, и идущих в ней процессах. Выяснено, что сама камера лежит под землей на глубине два-три километра. Уточнить ее форму пока не удалось, но известно, что камера связана не только с кратером вулкана (этот главный выход обычно закупорен), но имеет также побочные каналы, открывающиеся на тридцатикилометровом восточном склоне вулкана. Давление постоянно поднимающегося из мантии расплава медленно растягивает свод камеры. При извержении, выходит ли лава из вершинной кальдеры Халемаумау или из побочных кратеров восточного склона, свод камеры за несколько часов опадает.
Каменный расплав может очень быстро переходить из центрального резервуара в подземные каналы, в главный, и в побочные. Когда давление магмы превысит, какие-то определенные пределы, эти клапаны поочередно открываются. Интересно, что крыша после спада давления опадает не полностью, то есть при растяжении камень ведет себя, как не совсем эластичный материал. Магма постоянно притекает из глубины, поэтому после извержения, длящегося всего несколько часов, свод камеры вновь начинает растягиваться. Этот цикл - медленное раздувание, и быстрый спад свода вулкана - одно из главных открытий, сделанных вулканологами гавайской обсерватории.
Почему происходит извержение, почему магма прорывается через клапаны, до сих пор неизвестно. Когда легкий по сравнению с поверхностными породами расплав поднимается по подземным каналам, в действие вступает новый важный фактор, во многом определяющий ход извержения.
На большой глубине при огромном давлении в магме растворяются - как углекислота в лимонаде - различные газы. На глубине около двух километров давление вышележащих пород уже не может удержать газы в магме. Газ (в основном это водяной пар) выходит из расплава; чем выше поднимается магма, тем все больше высвобождается газа. Его давление так разгоняет поднимающийся по узким каналам расплав, что лава из кратера взлетает фонтаном в полкилометра высотой!
Изучать поведение лавы во время извержения трудно, наблюдать за ней приходится издалека. И все же в последние годы вулканологи сумели узнать много нового о текучести, и других свойствах лавы, о процессах кристаллизации, о том, как происходит охлаждение базальтового расплава. Работать в вершинном кратере во время извержения, конечно, невозможно. Но некоторые особенности вулкана Килауэа все же позволяют изучать горячую лаву. Вдоль восточного склона вулкана лежат погасшие кратеры. Их глубина доходит до 50 метров, а диаметр - до нескольких сот метров. Возможно, что они возникли, когда магма отступала вглубь, и при этом кровля близких к поверхности магматических камер обрушивалась. Многие из этих кратеров наполнились лавой, притекшей сюда из ближайших центров извержения. После такого притока ученым приходится ждать не меньше недели, пока лава остынет настолько, что на нее можно высадиться с вертолета. Тогда ученые бурят кору лавы, берут пробу, и проводят измерения. Несколько лет назад впервые была измерена вязкость базальтового расплава, зависящая от внутреннего трения в нем.
Было обнаружено, что чистый расплав вблизи точки плавления (когда в расплаве нет кристаллов, и в то же время он не перегрет) при температуре 1 200° С имеет вязкость 500 пуазов, и ведет себя, как ньютоновская жидкость. (Это жидкости, текущие под действием самых небольших сил, например, под действием собственного веса, и у которых напряжение сдвига пропорционально различию скорости слоев.) При медленном остывании базальтовой лавы в ней образуются кристаллы. При 1 130'С кристаллы, и пузырьки газа повышают вязкость лавы до 800 пуазов. При этом в кристаллы переходит 25% расплава. Лава превращается в так называемую бингамовскую жидкость, которая начинает течь только при определенном значении приложенной к ней силы (порог текучести). Точка затвердевания, при которой расплав полностью кристаллизуется, лежит около 980°С.
В первоначально однородном расплаве при охлаждении происходит дифференцировка. Каждый минерал кристаллизуется при определенной температуре. Первыми выстраиваются в кристаллическую решетку атомы магния, кальция, железа, и кремния, а более легкие - натрий, калий, и водород - еще остаются в расплаве.
В процессе кристаллизации возникают магматические породы. Собственно говоря, все породы земной коры возникли, когда-то из базальтового расплава; кажется, и на Луне базальтовые породы преобладают. До недавнего времени процессы кристаллизации в базальтовых расплавах изучались только лабораторными методами. Проводился минералогический, и химический анализ извлеченных из недр базальтовых пород, простые минералы синтезировались искусственно; наблюдалось, и застывание расплавленного в печи базальта. Вулканологи, работающие на Гавайских островах, измеряя температуру лавы на разных стадиях кристаллизации, и точно анализируя с помощью микрозонда ее минералы, смогли установить последовательность кристаллизации базальтовых расплавов.
Сотрудники вулканологической обсерватории на Килауэа смогли сделать первые шаги к познанию причин вулканических явлений, к пониманию их хода. Сколь бы ни были успешны эти шаги, до исполнения заветной мечты вулканологов еще далеко.
Но придет время. Каждый опасный вулкан Земли -, а их несколько сот - будет «утыкан» выносливыми автоматическими приборами сейсмографами всех видов, дальномерами, отмечающими вертикальные, горизонтальные, и угловые перемещения кровли вулкана; термометрами, записывающими температуру пород, газа, и паров; анализаторами, сообщающими об их химическом составе; магнитометрами, и гравиметрами. Все данные от этих приборов будут автоматически передаваться на спутники, снабженные, кроме того, датчиками инфракрасного излучения. Спутники будут передавать накопленную информацию в главный информационно-вычислительный центр Земли. Вулканологи смогут вовремя предупредить о приближающейся опасности извержения.
Перевел с немецкого Ю. ФРОЛОВ.
Пояснение к 6 - 7 стр. цветной вкладки
1 (а, б, в, г)
Четыре фазы развития типичного океанского щитовидного вулкана. Вытекая из морского дна, лава образует крутой подводный конус. Когда вулкан дорос почти до поверхности моря, образовался плоский щит. Теперь вулкан растет очень быстро. Внутри него образуется магматическая камера, которая поднимается вверх с ростом вулкана. Вытекающая наверх лава все сильнее давит на земную кору, прогибая ее.
2
Горные хребты, лежащие под толщей океанских вод, разделены глубокими ущельями (справа). Эти ущелья свидетельствуют о постоянном течении пород земной мантии (красно-оранжевый Цвет), которые около ущелий поднимаются вверх и, вовлекая в свое движение кору (светло-коричневая), медленно тянутся направо, и налево, под континенты. Океанские островные вулканы движутся вместе с этим потоком (за геологическое время). Континентальные вулканы чаще всего возникают там, где кора под континентами вдавлена (в 100 - 150 километрах от берега), например, кольцо вулканов вокруг Тихого океана.
3
На склоне кратера лава застывает фантастическими узорами. (Вулкан Мауна Улу).
4
Молодой гавайский вулкан Мауна Улу с птичьего полета. Видны оба жерла, и их типичный конус из сварных шлаков. Слева - активное восточное жерло. Лава поднимается по нему, наполняет кратер и, переливаясь через края, стекает в западное жерло. Между двумя жерлами около ста метров.
5, 6, 7
Начало извержения вулкана Мауна Улу. Лава выбрасывается из восточного жерла. Ниже - до предела наполненное лавой кратерное озеро Мауна Улу. Нижние снимки лава перетекает в западное жерло. Из расплава при этом выделяются газы. Газы, освобожденные от давления, как в только, что открытой бутылке с минеральной водой, бурно выбрасываются в воздух, вздымая фонтаны расплавленной огненной лавы.
8
Извержение Мауна Улу. Снимок сделан 20 декабря 1969 года в 14 часов (мощные тепловые потоки вызывают в воздухе маленькие смерчи). Серая дымка - это тонко распыленная лава, принимающая при извержении самые причудливые формы.
Читайте в любое время
