Физическая сущность вулканического процесса

Через жерло вулкана на земную поверхность из недр выносятся продукты извержения: расплавленная лава, пепел, бомбы и обломки пород, глубинные газы. Под каждым вулканом, а иногда под группами вулканических построек в нижних горизонтах земной коры или в верхней части мантии располагается крупная, объемом в несколько кубических километров, полость (камера), заполненная магматическим расплавом — магматический очаг. Впервые положение магматического очага определил. советский геофизик Г. С. Горшков для вулкана Ключевская Сопка на Камчатке, где такая полость оказалась на глубине 70−75 км; у некоторых вулканов (например, у Везувия) содержащие магму камеры находятся значительно ближе к поверхности: на глубине до 4−5 км. [3].

Самое поразительное в вулканах для исследователя — их фантастическая энергия. При среднем по мощности извержении выделяется количество энергии, равнозначное энергии 400 тысяч тонн условного топлива. Примерно полмиллиона, а при крупных извержениях энергию 5 миллионов тонн угля выбрасывает, как говорится, на ветер вулкан за один прием. Но особенное удивление вызывают эти цифры, когда начинается подсчет энергетических запасов земной коры и тех мест, откуда вулкан может черпать свою энергию.

Допустим, вулканы приводятся в действие теплом, выделяемым радиоактивными веществами. Расчет показывает, что для однократного извержения потребовалась бы энергия, образующаяся в нескольких миллионах кубических километров мантии на протяжении года. Совсем непонятно, как собрать и сконцентрировать это радиогенное тепло в очаге вулкана. Пытаются искать причины вулканизма в газовом давлении. На протяжении веков и тысячелетий, говорят сторонники этой гипотезы, из магмы выделяются пузырьки растворенных в ней газов. Чем выше они поднимаются, тем ниже давление окружающей их среды, наконец, пузырьки якобы взрываются, вырывают клочья магмы и выбрасывают ее на поверхность. Периодичность извержений они объясняют задержкой газов поверхностной корочкой магмы. Чтобы прорвать ее, откупорить пробку, газы должны скопиться, так сказать, набраться силы.

Недостаток этой гипотезы в том, что, однажды прорвав магматическую корку, газы полностью уйдут, а процессов, которые могут генерировать новые порции газа, не предложено. Многократное выбрасывание шампанского из уже открытой бутылки невозможно.

Поиски источников энергии вулканической активности заставляли ученых обращаться к недрам Земли. Там, предполагают некоторые вулканологи, на глубинах скрыта отгадка. Но в глубинах мантии нет постоянно действующих источников ни энергии, ни газов, которые могли бы взрываться. Радиоактивные вещества распределены неравномерно в недрах Земли и сконцентрированы главным образом в гранитах коры, то есть в коре суши. Но никаких следов повышенной радиоактивности в продуктах вулканических выбросов не обнаружено. Вода и газы по своему изотопному составу не отличаются от воды и газов, находящихся на земной поверхности. Конечно, существуют и глубинные подкоровые выделения высокотемпературных флюидов, как уже указывалось. Все же они не столь велики, да и рассеяны в недрах земного шара, так что не могут обеспечивать хотя бы гидротермальную часть столь длительной вулканической активности на планете. Как и прежде, остаются неясными многие стороны вулканической деятельности. Совершенно непонятно, почему же вулканы сосредоточились в основном на молодом дне океана (только в центральной части Тихого океана насчитывается до 200 000 вулканических конусов и 2−10 тысяч крупных плосковерхих вулканов — гайотов) и почему наблюдается многократность вулканических извержений, их чрезвычайная длительность и активность, откуда берется столько энергии пара и магмы?

Вулканизм, выходит, явление, присущее главным образом океану, а не суше.

Обычно объяснение вулканизма ищут в недрах верхней мантии, где на глубинах 200−400 километров имеется слой размягченного вещества, называемый астеносферой. Еще господствуют гипотезы, будто оттуда поступают энергия и вещество, уходящее в атмосферу и образующее вулканические сопки. Для каждой такой, даже небольшой, вулканической сопки нужен вертикальный канал высотой 200−400 километров.

Моделирование процесса выхода пара через слой песка показывает, что расстояние между точками, в которых прорывается пар, зависит от толщины слоя песка и в среднем в 3−5 раз превышает толщину слоя. А между тем сопки на океаническом дне расположены на расстоянии всего 25−30 километров.

Обычно для объяснения тесного соседства вулканов допускают существование на небольшой глубине промежуточных очагов расплавленной магмы.

Чтобы объяснить появление многочисленных вулканических сопок, следует предположить, что под корой океана имеются огромные очаги, а учитывая количество вулканов, исчисляющихся сотнями тысяч, надо предвидеть единый сплошной очаг, расположенный на весьма небольшой глубине, измеряемой несколькими километрами.

Попробуем объяснить возможные причины вулканизма в океане с помощью гипотезы о дренажной оболочке.

Дренажная оболочка находится в коре океанов именно на такой глубине, на какой должен быть повсеместный очаг магмы, необходимой для вулканических извержений. Дренажная оболочка заполнена высокотемпературными пароводяными растворами под избыточным давлением. Создаваемое слоем морской воды и растворов гидростатическое давление дренажной оболочки океана приближается к 1 тысяче атмосфер. В то же время в дренажной оболочке коры суши оно возрастает (при мощности коры 30−60 километров) до 3−6 тысяч атмосфер. Более высокое гидростатическое давление в оболочке под материками создается не только потому, что материки возвышаются над уровнем воды в океане в среднем на 875 метров, но и еще потому, что трещины и разломы в коре суши заполнены более тяжелыми растворами, чем паровые растворы, поднимающиеся из глубин дренажной оболочки материковых побережий в дренажную оболочку океана. Разновидности коры суши и океана выступают как бы в роли соединенных сосудов, причем в одном колене — в коре материков — гидростатическое давление выше, чем в коре океана. Океаническая дренажная оболочка оказывается областью разгрузки тех высокотемпературных водных и паровых растворов, которые заполняют дренажную оболочку материков. Постоянное поступление растворов создает избыточное давление в дренажной оболочке океана, что и вызывает деятельность многочисленных вулканчиков на океанском дне.

Эти извержения работают наподобие «предохранительных клапанов». Прорвавшись сквозь кору, такой «клапан» действует, пока давление может преодолевать противодавление столба воды в океане при глубине его до 4−5 километров. Но давление в конце концов падает, и вулканчик затихает.

Однако покой недолог: он продлится до того момента, когда давление вновь восстановится до такого, какое сможет в этом месте или где-то рядом преодолеть сопротивление, ведь дренажная оболочка облекает весь земной шар, и везде и всюду есть пар высокого давления. При каждом очередном извержении происходит выброс больших количеств высокотемпературного пара, из которого при охлаждении выпадают массы вещества, образующие в атмосфере большие количества пеплов. Резкое снижение давления в вулканическом канале и в данном месте дренажной оболочки отражается на растворимости силикатов, алюмосиликатов и других веществ. Они выпадают в осадок, образуя вязкие желеобразные массы. Эта минеральная «жижа» скопляется в канале вулкана и откладывается на дне в виде лавы, туфа и пемзы.

Извержения, происходящие на глубинах 3−4 километра, в большинстве случаев не выдают в атмосферу даже пара, ибо он конденсируется там при вышекритическом давлении и быстром охлаждении в воде, и на волнах появляются лишь массы пемзы, погибшей рыбы и т. п. На дне же образуется новая вулканическая сопка.

Избыточное давление в дренажной оболочке дна океана «вечно» поддерживается высоким давлением в дренажной оболочке материков. Таким образом, удивительная активность океанического дна является естественным следствием наличия дренажной оболочки Земли, где постоянно возобновляется давление и накапливаются горячие жидкие и паровые растворы различного состава и концентрации.

Океанические извержения заканчиваются не только образованием мелких сопочек. Большое количество различных по размерам островов возникло в результате вулканизма. К ним относится и величайший вулкан Мауна-Лоа на Гавайских островах.

Связь вулканизма с деятельностью дренажной оболочки делает понятными и другие его особенности. Например, многократность извержений объясняется тем, что снижение давления, которое происходит при выбросе, восстанавливается довольно быстро. Длительность работы вулканов объясняется этой же неисчерпаемостью оболочки.

Очень важным представляется вопрос об энергетических источниках, вызывающих высокий нагрев лав — до 500−600 и даже 1000 и более градусов. Растворы дренажной оболочки такой температуры не имеют. Однако вместе с ними в канале вулкана находится множество газов — сероводород, сернистый газ, метан, водород, хлор, кислород и др. Там идут интенсивные реакции, при которых выделяется тепло. Например, окислы металлов легко реагируют с метаном и водородом:

Fе₂0₃ + Н₂ = Н₂0 + 2FеО;

ЗFе₂0₃ + СН₄ = 2Н₂О + СО + 6FеО.

Эти реакции приводят к восстановлению железа, свежевыпавшие пеплы обычно быстро темнеют и становятся коричневыми вследствие окисления двухвалентного железа кислородом воздуха в трёхвалентное.

И еще один источник тепла. Рассеянное органическое вещество непрерывно сосредоточивается в осадочных породах и, участвуя в круговороте твердого вещества, уходит в недра мантии. При высоких температурах и давлениях из рассеянной органики образуются различные виды горючих ископаемых. Такие подвижные горючие, как нефть и газ, могут накапливаться в коллекторах дренажной оболочки. Каждый кубический километр осадочных пород содержит примерно до 20 миллионов тонн органического вещества, которое по своей теплотворной способности в 10−100 раз больше энергии обычного вулканического извержения. Рассеянная в породах, органика может играть роль энергетического потенциала вулканизма, и этот источник энергии пригоден для объяснения явлений, которые происходят в виде взрывов, когда за считанные минуты выбрасывается масса пород 3−5 и более миллиардов тонн. Нередко обнаруживают примеси горючих газов в вулканических выбросах. Из них такие, как метан и водород, могут, сгорая, при выходе лавы на поверхность сильно нагревать ее.

Заслуживает внимания вопрос о происхождении и других газов вулканического извержения. В их числе обнаружены производные хлора, брома, фтора, другие газообразные соединения. Выделения этих веществ при обычном плавлении горных пород не происходит. Если же принять во внимание, что в дренажной оболочке происходит взаимодействие кремнезема с другими соединениями, становится понятным и образование сильных кислот:

СаСl₂ + SiO₂ + Н₂0 > СаSiO₃ + 2НС1;

СаВг₂ + SiO₂ + Н₂0 > СаSiO₃ + 2НВг;

СаF₂ + SiO₂ + Н20 > СаSiO₃+ 2НF.

По той же схеме кремнезем взаимодействует с другими солями, образуя силикаты и вытесняя кислоты, которые извергаются вместе с паром на поверхность Земли.

Вулкан на поверку оказывается химическим реактором, где свойства дренажной оболочки проявляются особенно ярко и в котором летучий кремнезем выступает одним из главных химических агентов.