Взрывной эффект: как извергаются вулканы

Согласно теории литосферных плит, блоки, из которых состоит земная кора, находятся в медленном, но постоянном движении: этому способствует пластичность слоя верхней мантии, на котором они лежат. Сталкиваясь, литосферные плиты образуют горные системы или глубоководные впадины и островные дуги – в зависимости от того, к какому типу земной коры они принадлежат: континентальной или океанической. А «подползание» океанической литосферной плиты под континентальную становится причиной извержения вулканов.

В основе этой теории лежит идея о дрейфе континентов, выдвинутая геофизиком Альфредом Вегенером в 1912 году. («ММ» рассказывал о научной судьбе Вегенера в № 1 за 2016 г. – Ред.) В своем докладе Немецкому геологическому обществу ученый не только обратил внимание коллег на визуальное совпадение очертаний восточного побережья южноамериканского континента с абрисом западного побережья Африки, но и привел убедительные доказательства в виде сходной палеоклиматической и биогеографической реконструкции обоих материков – проще говоря, нашел идентичные ареалы флоры и фауны на обоих берегах, разделенных океаном. Однако научное общество категорически не поддержало оригинальное предположение о расколе единого материка: трудно было поверить в существование силы такой мощности, которая вызывает движение континентов.

Прошло более 40 лет, прежде чем концепцию о подвижной земной коре признали справедливой. К тому моменту уже появилась карта рельефа дна Мирового океана, на которой были видны срединно-океанические хребты в центральных частях океанов. Их наличие свидетельствовало о спрединге – расширении океанической коры, а также пододвигании литосферных плит друг под друга – субдукции.

Источник энергии для движения литосферных плит – это разность глубинных температур ядра (5000 °С) и мантии (1000–1500 °С). Более горячие породы из центра Земли расширяются с одновременным уменьшением плотности и направляются к поверхности, выталкивая более холодные и тяжелые массы. Такая циркуляция тепла и изменение плотности конвекционных потоков происходит непрерывно и ведет к расширению земной коры, вызывая сейсмическую и вулканическую деятельность.

С научной точки зрения действующий вулкан – это вскрывшийся природный резервуар. На глубине от 70 до 700 км находится расплавленная силикатная магма, обогащенная железом и магнием, раскаленная до температуры около 1000 °С. По зонам разлома она достигает поверхности Земли, вызывая эффектное «шоу» из огня, пепла и молний. «Альтернативные» – грязевые – вулканы извергают не магму, а водянисто-глинистые массы с газом и даже нефтью. Крупнейшие из них имеют радиус 5 км и возвышаются на 500–700 м. На первый взгляд может показаться, что грязевые вулканы не представляют опасности, но это не так: к примеру, извержение азербайджанского грязевого вулкана (а их 250 на территории страны) Большой Боздаг сопровождалось человеческими жертвами.

Классический вулкан имеет жерло, по которому из магматического очага устремляется расплавленная магма. В месте выхода на поверхность жерло образует конический кратер, в центре которого плещется целое кипящее озеро. Иногда кроме основного кратера образуются боковые трещины, через которые магма разбрызгивается во все стороны. Вулкан может «прятаться» не только в горе, но и во впадине. После обрушения стенок кратера или в результате катастрофического извержения образуется кальдера – обширная котловина с крутыми стенками. Подобные гигантские структуры хорошо заметны из космоса.

Что касается самой магмы, то это не просто минералогическая первооснова нашей планеты. Можно сказать, что магма – это кровь Земли, без которой наше существование было бы невозможно. 4,5 млрд лет назад именно из магмы выделились все известные элементы, металлы, газы и растворы. При выделении углекислого газа и водяного пара образовались атмосфера и гидросфера, а литосфера, или земная кора, продолжает и сегодня прирастать за счет магмы, изливающейся на поверхность. В большей степени магма состоит из кремнезема SiO₂ – самого распространенного компонента нашей планеты. Литосфера Земли на 87 % представляет собой этот кремниевый диоксид, и даже в человеческой крови его концентрация достигает 0,001 % общей массы. Когда магма выходит на поверхность, она соприкасается с воздухом и меняет свои свойства, становясь лавой. По мере продвижения и остывания лавы из нее улетучиваются газы. Скорость лавового потока может составлять от нескольких десятков километров до нескольких метров час в зависимости от силы извержения и уклона местности. Застывшие лавовые потоки способны вытягиваться в длину на несколько десятков километров и расплываться в ширину до 10 км. Самым длинным лавовым потоком на Земле считается 160-километровый след австралийского вулкана, а самым обширным – исландский лавовый поток, застывший около 9 тысяч лет назад на площади 970 км². Примерно за тысячу лет до этого в Восточной Сибири в результате трещинного излияния магмы образовалось лавовое плато длиной 75 км. Астрономы, наблюдающие изменения в Солнечной системе, зафиксировали на спутнике Юпитера Ио вулкан с активным лавовым потоком протяженностью более 300 км!

Вязкие лентообразные языки лавы захватывают и преобразуют все горные породы, встретившиеся на пути. Появляются новые стекловидные, волнистые, пузырчатые, столбчатые и шаровидные структуры. Изверженная лава подводных вулканов дарит вновь образованным породам зеленый оттенок, подвергая их серпентинизации (серпентин, или змеевик, – слоистый минерал зеленоватого цвета) и хлоритизации (хлорит – зеленый слюдоподобный минерал). Подводные вулканы образуют острова и производят большое количество пористого вулканического камня – пемзы, которая легче воды и плавает на ее поверхности, словно сухая древесина.

Длительность извержения составляет от нескольких минут до нескольких десятков лет, а лава может забрасываться на высоту до 10 км. Извергнувшись, вулкан из действующего превращается в спящий либо потухший. Спящий вулкан может пробудиться, в то время как потухший теряет способность к извержению навсегда. 

При высокой вязкости магмы жерло закупоривается, но при достижении критического давления вылетает, подобно выбитой из бутылки шампанского пробке, сотрясая окрестности грохотом и раскатами, которые слышны за сотни километров. К примеру, рокот проснувшегося индонезийского Кракатау в 1883 году был слышен на расстоянии почти 5000 км от вулкана. Грязевые вулканы тоже разговаривают в полный голос: рев грязевого таманского вулкана Горелое пекло 222 года тому назад был слышен за 50 км от его эпицентра.

Вулкан опасен не только выстреливающими массивными пирокластическими «бомбами» – смесью высокотемпературных вулканических газов, пепла и камней, – и растекающимися потоками лавы. Вулканический пепел, образующий пирокластическое облако, состоит из чрезвычайно твердых и тяжелых частиц с острыми краями. Он опасен не только для человека, но и для техники, поэтому в зоне извержения вулкана самолетам запрещено подниматься в воздух. (Наверняка все помнят, как шесть лет назад извергался исландский вулкан Эйяфьядлайёкюдль – тогда из-за него отменили более 60 тысяч авиарейсов.) Кроме того, 15-сантиметровый слой такого пепла приводит к обрушению крыш, а в сочетании с водой его действие усиливается коррозией и химическим отравлением. Раскаленные газы минут за 10 поднимают колонну из пепла на высоту до 20 км, и за 10–14 дней вулканическая пыль облетает вокруг Земли. Экстремально сильные извержения могут сделать воздух непроницаемым для солнечных лучей, как это случилось при извержении индонезийского вулкана Тамбора всего 200 лет назад. Целый год после этого геологического события человечество не видело солнца – это был «год без лета». Число погибших превысило 92 тысячи человек, причем 12 тысяч рассталось с жизнью при извержении, а остальные 80 – от последствий «вулканической зимы» и голода.

На сегодняшний день известно более 800 действующих вулканов, 98 % которых извергаются в океане. Большинство из них не представляет угрозы для человека, но бытует мнение, что во время планетарного извержения может погибнуть весь человеческий род. Катастрофическими последствиями обладают и извержения супервулканов – к счастью, они происходят очень редко, раз в 100 тысяч лет. Кратеры супервулканов обнаружены астрономами и на других планетах, входящих в Солнечную систему. Супертитул ученые присваивают вулканам, извержение которых составляет не менее 8 баллов по шкале вулканического эксплозивного индекса (VEI). Такие мега-извержения приводят к физическому уничтожению большой территории и глобальному изменению климата. Извержение супервулкана Тоба случилось 73 тысячи лет назад на Суматре, и следующие шесть лет над обширными территориями планеты шли дожди из серной кислоты, образованные из трех миллиардов тонн выброшенного из супержерла сернистого ангидрида. Пылевая пелена полностью закрыла солнце, и наступила настоящая «ядерная зима» – похолодание и вымирание. Это извержение резко сократило популяцию всего живого на планете.

Тревога жителей Земли в последние годы связана с поведением супервулкана, гигантская кальдера которого обнаружена 50 лет назад на территории Йеллоустонского национального парка в США. Ширина этой феноменальной кальдеры составляет 55 км, а длина – 72 км. Кроме того, в этой зоне сконцентрировано две трети всех гейзеров планеты: сотни горячих источников каждые час-два выбрасывают в воздух вскипающую воду.

Йеллоустонская кальдера образовалась в результате извержения супервулкана 640 тысяч лет назад. Ее магматический очаг находится на глубине от 8 до 16 км, а температура расплава составляет 800 °C. Подпитывает этот природный резервуар «огненная река» – вертикальный поток магмы протяженностью 600 км с температурой 1600 °C. Ежегодно Йеллоустон сотрясают тысячи мелких землетрясений магнитудой не выше 5 баллов. В 1959 году во время землетрясения мощностью 7,5 балла здесь произошел оползень, началось спонтанное извержение сразу нескольких десятков гейзеров, а из образовавшихся трещин стал выбрасываться горячий пар. Погибло 28 человек.

Сегодняшнее беспокойство ученых вызывает участившаяся сейсмическая активность и нагревание подземных вод. Два года назад здесь произошло более 60 землетрясений – это максимальный показатель за последние 30 лет. По прогнозам скептиков, в ближайшее время должно случиться повторное извержение, которое может уничтожить половину североамериканского континента. Пока что «Желтый камень» хранит в секрете свои планы, но если он решит поделиться ими с окружающими, этим окружающим может не хватить времени, чтобы убежать от него подальше.

К счастью, современные технологии позволяют вести круглосуточный контроль сейсмической активности на всей планете, чтобы в случае угрозы сильного извержения предупредить население об опасности. Три года назад в Гренобле на международном исследовательском ускорительном комплексе ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) впервые было смоделировано извержение, во время которого снимались многочисленные показатели процесса. В результате этого эксперимента была подтверждена гипотеза о том, что под воздействием конвекции и давления магма начинает извергаться в момент ее всплывания из глубины и расширения объема. Таким образом, теория литосферных плит получила очередное доказательство своей жизнеспособности.

Безусловно, приручить вулканы – цель не из легких, поэтому нам нужно хотя бы научиться предсказывать их извержения, рассчитывая периодичность активности. Мы уже успешно пользуемся горячими геотермальными источниками для обогрева, а продуктом грязевых вулканов – для оздоровления. А задача будущих поколений – научиться управлять энергией вулканов, чтобы применять ее в мирных целях.