Что говорит о вулканах наука
Вулканы — это геологическое образование в виде конусовидных гор или куполовидных возвышенностей. На вершине вулкана располагается воронкообразное или чашеобразное углубление — это кратер. От него в глубину уходит выводной канал — жерло. Когда вулкан действует, через жерло из глубин Земли поднимается магма и извергается на поверхность.
Чем же вызывается вулканическая деятельность? Чтобы понять это, нужно знать строение Земли и попытаться установить закономерность в географическом распределении вулканов.
Было время, когда почти все ученые считали, что вулканы располагаются только вблизи морских берегов. Но оказалось, что, например, вулканы Южной Америки отстоят от берега моря на 150—200 километров, шлаковые конусы Аризоны в США — более чем на 500 километров, а потухшие вулканы Сахары и Центральной Азии удалены от морей на тысячи километров. Только позже была установлена тесная связь между явлениями вулканизма и разломами — трещинами в земной коре, образовавшимися в процессе тектонических движений и деформаций горных пород. В наше время выяснено, что все действующие вулканы приурочены к молодым складчатым горным областям.
Независимо от того, где эти области находятся — являются ли они горными хребтами на суше или покрыты морями и океанами — действующие в наше время вулканы тесно связаны с теми участками, которые испытывают интенсивные движения, приводящие к растрескиванию отдельных зон земной коры. Такие участки земной коры геологи называют геосинклинальными.
Распределением этих участков объясняется и неравномерность распространения вулканов на нашей планете. Некоторые материки (например, Австралия) вовсе лишены вулканов, зато на тихоокеанском побережье Северной и Южной Америки, на островах Тихого океана сосредоточено большое их количество. Если взглянуть на схематическую карту действующих вулканов, то можно увидеть, что они группируются в определенные полосы и кольца.
Схематический разрез вулкана и его корней
В так называемое «огненное кольцо» земного шара входят вулканы Камчатки, Курильских, Японских, Филиппинских и Зондских островов, Новой Зеландии, Антарктиды, Южной и Северной Америки, Алеутских островов. Все они в совокупности составляют самое мощное на нашей планете тихоокеанское вулканическое кольцо, включающее 322 вулкана. Много вулканов и в центральной части Тихого океана — на Гавайских, Соломоновых островах, Самоа, Таити и других.
Вулканы, расположенные по берегам и островам Средиземного моря (Везувий, Стромболи, Пантеллерия, Санторин, Этна и др.), входят в средиземноморскую полосу. Продолжением ее к западу являются относительно недавно погасшие вулканы Франции и Западной Германии с хорошо сохранившимися конусами, куполами и кратерами взрыва, а к востоку — потухшие вулканы Кавказа, Закавказья и Ирана.
В меридиональную полосу (то есть в направлении от одного полюса Земли к другому) группируются вулканы Атлантического океана. Сюда входят вулканы на островах Ян-Майен, Исландии, Азорских и Канарских, Зеленого Мыса, Святой Елены и ряде других. В общей сложности здесь насчитывается около 70 вулканов, приуроченных к подводному горному кряжу, поднимающемуся над дном океана.
Отчетливо выделяется и восточноафриканская вулканическая полоса, простирающаяся в меридиональном же направлений от Эфиопии к южным районам Восточной Африки (вулканы Кения, Килиманджаро и др.).
Названные области действующих вулканов связаны с участками земной коры, вдоль которых продукты, стремящиеся вырваться из недр Земли, встречают меньшее сопротивление, чем в других областях планеты. Иными словами, линии вулканов соответствуют расколам в земной коре, вдоль которых и в наше время соседние ее участки перемещаются в разных направлениях.
Безусловно, действующие вулканы позволяют узнать много интересного о глубинных процессах в недрах Земли. Но отчетливую картину происхождения самих вулканов по ним трудно составить. О том, как и почему они возникают, больше всего нам могут «рассказать» новые вулканы, рождающиеся на глазах человека.
Днем 20 февраля 1943 года мексиканский крестьянин Диониско Пулидо, как обычно, вместе с сыном работал на своем клочке земли. Вдруг он заметил между стеблями кукурузы едва заметный дымок. Подумав, что дымится кем-то забытый костер, Пулидо направился его погасить. Каково же было удивление крестьянина, когда он увидел, что дым поднимался прямо из почвы и издавал резкий запах серы. И все-таки отец с сыном забросали землей дымящееся отверстие. Но вскоре раздался взрыв, и отверстие стало больше. Оттуда со свистом вырывались густые клубы дыма и пара, а спустя некоторое время на большую высоту взлетели раскаленные докрасна глыбы. Крестьянин и его сын пустились наутек. Так началось извержение нового вулкана в Мексике — Парикутина. Спустя три часа на место извержения прибыла комиссия. Геологи увидели отверстие глубиной около 9 метров, из которого поднимался густой темный дым.
Мексиканские ученые тщательно следили за развитием нового вулкана, и поэтому история образования Парикутина известна с большими подробностями. Взрывами на поверхность выбрасывались пепел и вулканические бомбы, доходившие в поперечнике до 15 метров. Выброшенные взрывами куски лавы взлетали на высоту до 600—900 метров. Уже через сутки на месте кукурузного поля вырос шлаковый конус высотой в 30 метров. Через пять дней он поднялся до 180 метров, через год — до 336 метров, а три года спустя (в 1946 году) высота конуса вулкана была равна 518 метрам. Деревня Парикутин в первый год извержения была частично захвачена лавовым потоком и покрыта пеплом до крыш домов, а в октябре 1944 года полностью погребена. Как отмечали специалисты, температура лавы вблизи жерла вулкана составляла 1043—1057 градусов, а на поверхности потока, начавшей покрываться коркой, она равнялась 943—954 градусам.
Где же рождается раскаленная масса, сползающая по склонам вулканов огненными потоками, взметающаяся в небо тучами пепла и скатывающаяся палящими клубами? Полнее уяснить эти вопросы позволяет знание внутреннего строения земного шара. Академик Б. Б. Голицын говорил, что землетрясение можно сравнить с фонарем, который зажигается на короткое время и освещает нам внутренности Земли, позволяя рассмотреть то, что там происходит. Волны землетрясений (сейсмические волны) распространяются в слоях планеты со скоростями, достигающими скорости движения космических кораблей. Но скорости эти в различных слоях Земли разные, причем на границах слоев они изменяются не постепенно, а скачкообразно. Так, югославский физик А. Мохоровичич в 1909 году обнаружил резкое увеличение скоростей сейсмических волн на глубине 30—40 километров под континентом. Поверхность резкого изменения скоростей сейсмических волн получила название поверхности раздела, или линии Мохоровичича (сокращенно — линия Мохо). Другие исследователи установили, что под горными хребтами эта глубина несколько больше, а под океанами гораздо меньше (5—7 километров). Слой, лежащий выше линии Мохо, называют земной корой, или литосферой. Несколько позже примерно на глубине 2900 километров была установлена еще одна поверхность скачкообразного изменения скоростей сейсмических волн. Этот более плотный слой, расположенный под земной корой, получил название мантии. Установлено, что ниже мантии поперечные сейсмические волны вообще не распространяются. Этот факт навел на мысль, что центральное ядро Земли жидкое, поскольку ученым доподлинно известно, что поперечные сейсмические волны в жидкости не распространяются.
Таким образом, характер распространения сейсмических волн позволяет думать, что Земля состоит из трех главных слоев: твердой земной коры (от 0 до 40 километров вглубь), мантии (от 40 до 2900 километров) и жидкого ядра (от 2900 до 6370 километров). Некоторые ученые полагают, что внутри жидкого ядра имеется еще внутреннее ядро меньших размеров, которое может оказаться и твердым.
Такова «грубая» схема строения нашей планеты. При более подробном рассмотрении выясняется, что земная кора и мантия также не однородны, а состоят из нескольких слоев. В земной коре, например, выделяют три оболочки: верхняя (осадочная), промежуточная (гранитная) и нижняя (базальтовая). Осадочная и гранитная оболочки прерывистые, базальтовая — сплошная; причем гранитная оболочка имеется на всех материках и отсутствует на дне океанов.
Состав осадочной и гранитной оболочек геологам хорошо известен, поскольку они изучаются непосредственно, а вот базальтовую оболочку пока еще никто не видел. На континентах она не выходит на поверхность и до сих пор не вскрыта буровыми скважинами. Тогда спрашивается, откуда у ученых представление о базальтовом составе этой оболочки? Оно возникло потому, что скорости сейсмических волн в ней оказались близкими к скоростям их распространения в базальте. Кроме того, на существование такой оболочки указывают излияния огромных масс базальтовой магмы в различные периоды геологической истории и излияния базальтов вулканами в наше время.
Вещество, из которого состоит мантия, находится, как считают геологи, в условиях огромного давления в твердо-пластичном состоянии. Об этом свидетельствуют и сейсмические волны, возникающие при землетрясениях.
Чем же твердо-пластичные вещества отличаются от остальных? По мнению советского геолога профессора В. Г. Музафарова, они на медленные действия реагируют как жидкие, на мгновенные, быстрые действия — как твердые. Наглядный пример такого вещества — вар. Как известно, если он долгое время лежит на горизонтальной поверхности, то растекается подобно жидкости, если же по нему ударить молотком, он раскалывается на мелкие кусочки.
Весьма примечательной для внутреннего состояния вещества в недрах земли является следующая закономерность. Наблюдения за температурой в глубоких буровых скважинах и шахтах показали ее увеличение на один градус с углублением в Землю в среднем на каждые 33 метра. Это так называемая геотермическая ступень. В разных местах она разная: в Донецком бассейне — 34 метра, в районе Москвы — 50 метров, на юге Белоруссии — 86 метров. В ядре температура, как предполагается, достигает нескольких тысяч градусов.
Естественно поэтому думать, что источники магмы должны находиться на глубинах не менее 25—35 километров, где температура превышает 1000 градусов. Это предположение подтверждают многие отечественные и зарубежные ученые. Об этом же свидетельствуют некоторые сейсмические данные. Методом, предложенным советским ученым Г. Н. Петровой, были установлены глубины магматических очагов в районе Ключевского вулкана — порядка 50—60 километров, на островах Симушир — 50—60 километров, Парамушир 25—35 километров, Кунашир — 25—35 километров.
Что же служит источником внутреннего тепла Земли? Ученые считают, что таким источником скорее всего является распад радиоактивных элементов, сопровождающийся выделением тепла, а также энергия, получающаяся от перемещения вещества под влиянием силы тяжести при огромных давлениях. При распаде радиоактивных элементов выделяется огромное количество тепла. Подсчитано, например, что если во всем объеме нашей планеты было бы такое же количество радиоактивных элементов, как в земной коре, то сумма тепла от их распада превысила бы годовой тепловой поток, излучаемый Землей (наша планета все время теряет большое количество тепла). Следовательно, планета не могла бы существовать без мощных источников внутреннего тепла. За время своего существования (4—5 миллиардов лет) она, как считают ученые, потеряла около 10 процентов первоначального количества своего тепла.
Итак, на глубинах от 25 до 60 километров зарождается магма — вещество земных недр, расплав, обладающий колоссальным запасом энергии. Вырвавшись из недр на поверхность и потеряв пары и газы, она становится тем, что принято называть лавой.
Насчет того, как возникает магма, пока что нет общепринятого мнения. Существует несколько предположений. Одно из них, наиболее обоснованное, возникновение магмы связывает с резким понижением давления в сильно нагретых глубоких горизонтах планеты. Ход рассуждений здесь следующий. Уже на глубине 60—70 километров температура вещества внутри Земли превышает температуру плавления базальтовых пород при нормальном давлении: если на поверхности температура базальтовой лавы равняется 1050—1200 градусам, то на глубине 100 километров плавление базальтового вещества может наступить при 1500—1600 градусах. Но на такой большой глубине, несмотря на высокую температуру, горные породы не могут находиться в расплавленном состоянии, поскольку давление там в десятки тысяч атмосфер. Получается, что вещество хотя и перегрето, но не расплавлено, оно находится в твердо-пластичном состоянии. Но стоит давлению по какой-либо причине уменьшиться, как перегретые породы мигом перейдут в огненно-жидкое состояние, образуя магму. Причиной смены давления может служить образование в земной коре глубокого разлома, вблизи которого происходит резкое падение давления.
Второе предположение построено на возможности местных разогревов недр Земли. Перегрев возникает в тех участках земной коры, где содержание радиоактивных элементов больше, чем в других местах. Если здесь же почему-либо уменьшается давление, создаются условия для образования магмы.
В соответствии с третьим предположением магма есть результат расплавления горных пород под действием сильно нагретых газов. Известный советский вулканолог В. И. Лебединский считает, что газы, поднимаясь из мантии Земли, частью могут перерабатываться, частью расплавлять на своем пути твердые массы; весь этот процесс происходит медленно, в несколько этапов. Могут спросить, а откуда берутся «сильно нагретые газы»? Ученые считают, что источник их — глубинные недра планеты, нижняя часть мантии, может быть, даже ядро Земли.
Большое значение имеет знание состава магм, их физико-химических свойств и энергии. Магма считается огненно-жидким, преимущественно силикатным расплавом с растворенными в нем газами.
Извержение — явление сложное. Небольшое изменение в пределах вязкости магмы или содержания в ней газов и паров воды моментально отражается на характере извержения. Вязкость магмы в свою очередь зависит от ее температуры, состава, количества растворенных в ней газообразных веществ и паров воды.
Вулканы подразделяются на древние, потухшие и действующие. Действующими называются те вулканы, которые извергаются в наши дни или извергались в историческом прошлом. Что касается потухших вулканов, то их правильнее называть временно потухшими, ибо известно много примеров, когда такие вулканы неожиданно вновь начинали действовать. Везувий и Лысая Гора на острове Мартиника считались потухшими до той поры, пока оба не начали действовать снова (первый в 79 году новой эры, а второй — в 1902 году). Действительно потухшими можно считать древние вулканы — сильно разрушенные и размытые, что доказывает их бездействие в течение многих тысяч лет.
Сейчас на нашей планете известно более 500 действующих вулканов и около 2000 таких, которые хотя и не действуют, но сохранили свою форму и окружены относительно свежими лавами, пластами бомб и пепла.
Вулканы могут располагаться целыми цепями, группами или порознь. Действуют они в разное время и с различной силой.
По типам извержения вулканы делятся: 1) на вулканический, отличающийся вязкой магмой, которая часто закупоривает канал вулкана. При взрыве продукты извержения размельчаются, выбрасывается много пепла и так называемых вулканических бомб. Название свое данный тип извержения получил по имени острова Вулкано в группе Липарских островов; 2) на гавайский, для которого характерно спокойное истечение очень жидкой лавы; 3) на извержения типа Стромболи, отличающиеся также жидкой магмой, но типичными для них являются довольно сильные взрывы газов, почти полное отсутствие пепла и выбрасывание раскаленных лимонообразных бомб; 4) на так называемые трещинные извержения, проявляющиеся в форме излияния лав из системы трещин.
Извержение вулкана — грозное явление природы, сопровождающееся страшным грохотом от взрывов. Из выделяющихся газов и пепла образуются зачастую гигантские тучи, образование тучи сопровождается разрядом молний, слышатся громовые раскаты, средь бела дня становится темно, как ночью. Из кратера вырывается пламя; бывает, что газы воспламеняются и образуют ревущий огненный столб, который виден ночью за десятки километров. Пламя при извержении может быть настолько сильным, что многие квадратные километры площади вокруг превращаются в пепел. Как свидетельствуют очевидцы, вулкан при извержении напоминает гигантский шипящий, ревущий и дрожащий котел, находящийся под колоссальным давлением. При извержении вулкана выбрасываются сотни и тысячи тонн пепла, покрывающего землю на протяжении многих километров. Выбрасываемый из вулкана пепел может захоронить целые города.
Почти каждый вулкан отличается от другого прежде всего характером проявления своей деятельности. В каждом из них можно отметить своеобразные стадии усиления и ослабления этой деятельности. Извержение вулканов происходит с перерывами, хотя в чередовании периодов покоя и оживления пока что не найдено определенной закономерности. Промежуток между проявлениями последующих вспышек может длиться два-три года, а может быть и несколько столетий.
Наиболее длительные и систематические наблюдения производились над вулканом Везувий в Италии. Он располагается в густонаселенной местности на Средиземноморском побережье, вблизи города Неаполя. Сведения об этом вулкане человечество имеет с начала прошлого тысячелетия. В 63 году новой эры было слабое извержение вулкана, но он считался потухшим, и поэтому это извержение не вызвало беспокойства у жителей, заселявших плодородные его склоны, покрытые пышной растительностью. Кратер даже зарос лесом, в котором в свое время укрывался Спартак, предводитель восставших рабов. У подножия его располагались многочисленные цветущие селения. В 79 году произошло извержение огромной силы, характер которого стал нам известен по описанию его очевидца — римского ученого Плиния-младшего.
Действие Везувия началось со страшного взрыва, разрушившего пробку в жерле, которая была выброшена на склоны в виде града камней. А затем, как пишет Плиний, «над горой появилось облако, имевшее вид столба, который поднялся и расширился кверху, принимая форму, напоминающую крону итальянской сосны — пинии. При непрерывно продолжающемся гуле взрывов это облако, то белое, то бурое, то темное от поднимающейся с ним земли и пепла все больше и больше расширялось и вскоре на землю и море стал падать пепел и черные осколки камня. На другой день в 7 часов утра было довольно темно, но можно было видеть, что море удалилось от берега, как это бывает во время землетрясений, а черное облако над горою прорезывается огненными зигзагами и вспыхивает пламенем, вырывающимся из горы. Вскоре облако стало опускаться на землю и покрывать море, как бы наводняя всю окрестную местность».
Сильные землетрясения, сопровождавшие извержение, опустошили окрестности на много километров вокруг. Оказались погребенными под вулканическим пеплом, толщиной до семи метров, города Помпея и Геркуланум Стабия. В конце извержения на склоны вулкана выпали ливни и образовали с пеплом кашеобразные массы, потекшие в виде грязевых потоков вниз по склонам.
Новое сильное извержение Везувия произошло в 1794 году. Геолог Леопольд фон Бух описал его следующим образом: «В ночь на 12 июня произошло страшное землетрясение, повторившееся еще 15 июня в 11 часов ночи, с сильнейшим подземным ударом. Все небо вдруг озарилось красным пламенем и светившимися парами. У подножья конуса Везувия образовалась трещина, и с крыш домов было видно, как вылетала оттуда лава, описывая в воздухе параболические дуги. Люди не чувствовали под собой твердой почвы. Воздух был охвачен пламенем, отовсюду неслись страшные, никогда не слыханные звуки. Пораженный ужасом народ бросился в церкви, к ногам святых, оглашая воздух воплями. Но природа не внимала мольбам: новые отверстия появлялись на вулкане и со страшной силой и ревом вырывались новые потоки лавы. Дым, пламя и пары поднимались выше облаков и разливались во все стороны. Гора напоминала батарею пушек, стреляющих залпами. Широкой рекой быстро неслась лава по склонам, но вулкан выбрасывал все новые массы; они низвергались в поток и сообщали ему новую силу. Одни из жителей городов Резины, Портичи, Торре дельГреко с ужасом следили за каждым движением огненной реки, угрожавшей то тому, то другому месту; другие неподвижно лежали у алтарей, моля о спасении. Вдруг лава устремилась на Резину и Портичи. В Торре дель Греко все население бросилось к церкви, благодаря бога за спасение, в порыве радости они забыли о той неизбежной гибели, которая ожидала их соседей. Но лава встречает на своем пути глубокий ров, изменяет направление и устремляется на несчастный Торре дель Греко, который мнил себя спасенным. Огненный поток с новой яростью несется по склонам и, не дробясь на рукава, достигает цветущего города, в виде реки в 600 метров шириной.
Все 18-тысячное население бросилось к морю, ища там спасения. С берега было видно, как из лавы над крышами залитых ею домов поднимались столбы черного дыма и огромные огненные языки, точно молнии. С шумом падали дворцы и церкви и страшно гремела гора.
Лава вырвалась из вулкана в 11 часов ночи, а в 5 часов утра городка Торре дель Греко не было. Даже море было бессильно остановить пылающую массу. Нижние части лавовых потоков застыли в воде, а верхние текли по ним. На большом расстоянии вода кипела и сварившиеся рыбы без счета плавали на ее поверхности».
Одним из внезапных проявлений жизни глубоких недр нашей планеты явилась катастрофа, разразившаяся в 1902 году на острове Мартиника при пробуждении вулкана Мон-Пеле (Лысая Гора). Вулкан считался потухшим, и у населения острова не сохранилось каких-либо сведений о его деятельности. Склоны Мон-Пеле были покрыты лесом, где обитало множество птиц и зверей, а в кратере стояло озерко.
В конце апреля 1902 года вулкан начал подавать признаки жизни в виде легких сотрясений земной поверхности, выделения из кратера дыма и паров с пеплом. Из трещин стали выделяться сернистые газы. Все живое, кроме людей, покинуло район вулкана. Люди же, жившие на склонах и в городе Сен-Пьер, расположенного у подножия вулкана, боясь бросить на произвол судьбы свои дома, оставались на месте. Деятельность вулкана все усиливалась. По ночам был виден яркий свет на вершине, слышен шум, ветер приносил очень мелкий, похожий на цемент пепел.
Утро 8 мая, как свидетельствовали очевидцы, было сравнительно ясное и спокойное. Был праздник Вознесения, и поэтому многие жители города Сен-Пьер собирались в церкви. Но с каждой минутой пепельный дождь усиливался, и стало так темно, что в домах пришлось зажигать лампы. Это было последнее известие, полученное по телефону в Фор-де-Франсе, о том, что делается в Сен-Пьере и с вулканом. В следующий миг из кратера с колоссальным взрывом вырвалась огромная туча и помчалась со скоростью курьерского поезда по склону, одновременно разрастаясь вверх и в стороны и превращаясь в огромный столб клубящихся черно-лиловых густых облаков, опутанных сетью молний. Столб высотой несколько километров уничтожил все на своем пути к морю. Город Сен-Пьер, стоявший в восьми километрах по прямой от кратера, исчез с лица земли; почти 30 тысяч населения погибло в течение нескольких секунд (остался в живых один арестант, заключенный в подвале).
Не менее ужасной была катастрофа, вызванная извержением вулкана Кракатау в Зондском архипелаге. Двести лет вулкан бездействовал, а 26 августа 1883 года началось извержение. Оно сопровождалось колоссальными по силе взрывами, которые были слышны в Австралии, Индии, на Новой Гвинее и Филиппинах. Часть вулкана, которая представляла собой остров между Суматрой и Явой, погрузилась в море. Воздушные волны от взрыва вызвали сотрясение на расстоянии до 850 километров во все стороны. Столб газов, насыщенных пеплом, при извержении достиг высоты 27 километров, из-за чего Солнце и Луна жителям островов Тихого океана и Африканского континента казались синеватыми, а удивительные красные зори в конце 1883 и в начале 1884 годов наблюдались по всей Земле. Пепел, выброшенный вулканом, осел на площади, равной миллиону квадратных километров. В окрестностях Кракатау слой пепла достиг толщины 16 метров, на Суматре — одного метра. Масса пепла, выпавшая в Зондском проливе, мешала плыть пароходам.
Но этим бедствия не исчерпались. Огромные морские волны, созданные провалом вулкана, прокатились по всему Индийскому, Тихому и части Атлантического океанов. Высота волн у берегов Явы и Суматры достигала 35 метров.
По весьма неполным данным число человеческих жертв в результате извержения более чем 55 вулканов с 1500 года составляет приблизительно 190 тысяч человек, из них 93 процента падают на Тихоокеанское полушарие, и только 7 процентов — на Атлантическое.