Продолжаем серию публикаций «10 фактов о…» статьей докт. геол-мин. наук, профессора кафедры петрологии геологического факультета МГУ, вулканолога Павла Плечова.
1. На Земле известно 1545 активных вулканов (тех, которые извергались хотя бы однажды за последние 10 тыс. лет). Международный каталог вулканов поддерживается Смитсониановским институтом, который обеспечивает открытый доступ к каталогу по адресу http://volcano.si.edu.
2. Ежегодно на Земле извергается около 60-80 вулканов. В последнее десятилетие наиболее «урожайным» был 2008 год, в который произошли извержения на 78 вулканах. В 2009 и 2010 гг. извержения зафиксированы на 68 и 69 вулканах соответственно. В текущем 2011 году уже извергалось 38 вулканов, в том числе 4 на Камчатке (Россия). В каждый отдельный момент примерно 17-20 вулканов на Земле находится в стадии извержения.
3. Для отдельного извержения может быть измерен объем вулканических продуктов. Для сравнения различных типов извержений его пересчитывают на объем плотных пород (лав), и по нему оценивается сила извержения. Сила извержений имеет немного нарушенную логарифмическую шкалу (VEI): 0 — извержения с объемом менее 10 тыс. м3, 1 — до 1 млн м3, 2 — до 10 млн м3, и далее каждая следующая ступень соответствует увеличению объема на порядок. За последние 10 тысяч лет сила извержений не менее 6 раз достигала 7 (последнее такое извержение было в 1815 г. на вулкане Тамбора). Последнее извержение с силой 8 было на вулкане Таупо около 26 тыс. лет назад.
4. Время отдельного извержения колеблется от первых минут до десятков лет. Среднее время извержений — около 50 дней, большинство извержений не длится более 100 дней. При этом известно около 15 вулканов, которые извергаются практически непрерывно уже более 30 лет.
5. Самая распространенная вулканическая порода — базальт, однако известны сотни других вулканических пород. Крупнейшие кальдерообразующие извержения обычно связаны с риолитовой магмой, при этих извержениях часто формируются игнимбриты. Для Везувия характерны лейцитовые фонолиты, для Этны — трахибазальты. При извержении Эйяфьятлайокудля в 2010 г. первая фаза извержения была базальтовой, а распространявшийся в сторону Европы пепел имел трахиандезитовый состав.
6. Глобальной причиной вулканизма на Земле является турбулентная конвекция мантийного вещества, приводящая к подъему горячих блоков мантии, перемещению литосферных плит и затягиванию блоков земной коры в мантию. Эти процессы перемещения блоков с контрастной температурой и химическим составом создают условия для частичного плавления вещества. Подавляющее количество вулканов приурочено к границам литосферных плит (зонам спрейдинга и зонам субдукции).
7. Вулканические формы проявлены на многих небесных телах Солнечной системы. Лунные моря (темные области на Луне, видимые невооруженным взглядом с Земли) сложены лунными базальтами, которые изливались на поверхность более 1 млрд лет назад. На Марсе существует огромное вулканическое плато Фарсида, в пределах которого обнаружены крупнейшие из известных в Солнечной системе вулканов. Действующие вулканы вне Земли обнаружены только на спутнике Юпитера — Ио.
8. Основные последствия извержений заключаются в уничтожении растительности в областях, где выпал вулканический материал более 3 см мощности. В первые дни и недели после извержения часты кислотные дожди, которые могут приводить к заражению местности (например, фтором). Часть вещества при извержении попадает в верхние слои атмосферы и вызывает понижение температуры за счет экранирующего эффекта. Диоксид серы в верхних частях атмосферы формирует сульфатные аэрозоли, которые стабильны в этих условиях и вызывают похолодание. Среднегодовая температура по Земле в результате сильного извержения может опуститься на доли градуса в течение 1-2 лет.
9. В истории Земли зафиксированы короткие периоды (менее 1 млн лет), за которые изливалось около 1 млн км3 преимущественно базальтовой лавы. Эти излияния полностью покрывают площади от 100 тыс. км3 до нескольких млн км3. По времени эти периоды совпадают с массовыми вымираниями видов на Земле. К примеру, 250-251 млн лет назад на существенной части Сибири были сформированы Норильские (Сибирские) траппы. Сейчас они занимают площадь около 2 млн км2, а первоначально могли занимать около 7 млн км2. К этому же времени приурочено глобальное пермско-триасовое вымирание, при котором полностью исчезло около 90% живших в то время видов.
10. Первая вулканологическая обсерватория появилась на вулкане Везувий в 1841 г. (Италия). В начале XX века вулканологические обсерватории были созданы в США, Японии, Индонезии и других странах. Сети вулканологических обсерваторий быстро объединились в национальные вулканологические службы. В России в 1935 г. была открыта вулканостанция в пос. Ключи, которая в 1943 г. трансформировалась в Лабораторию вулканологии АН СССР в г. Москве, а в 1962 г. превратилась в Институт вулканологии СО АН СССР в Петропавловске-Камчатском. Сейчас это Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН в Петропавловске-Камчатском. Вулканологической службы в России до сих пор нет.
11. Вулканология, как любая наука об объекте, находится на стыке многих научных направлений — петрологии, сейсмологии, геоморфологии, биологии, климатологии и др. По классификатору ВАК, существует только специальность «петрология, вулканология». Такая ситуация в России сложилась исторически, так как первые российские вулканологи Ф.Ю. Левинсон-Лессинг, А.Н. Заварицкий, Б.И. Пийп, С.И. Набоко были петрографами.
12. Вулканология — одна из самых редких специальностей (входит в пятерку по версии Центра тестирования психологического факультета МГУ — www. proforientator.ru/index.php?id=522:5). Стать вулканологом в России непросто, так как нет ни одного учебного заведения, в котором готовили бы специалистов этого направления. В Московском университете вулканологическая тематика есть на кафедре петрологии геологического факультета, на кафедре геоморфологии и палеогеографии географического факультета и на отделении механики механико-математического факультета. Школьники могут начать получать знания, необходимые вулканологам, в геологической школе МГУ (http://geoschool.web.ru), в которой проводятся бесплатные занятия два раза в неделю, и в открытом лектории геологического факультета МГУ, который начнет свою работу с октября 2011 г.
См. также расшифровку публичной лекции П. Плечова «Испепеляющая красота: вулканы и вулканологи» на сайте «Полит.ру»: www.polit.ru/science/2011/03/14/plechov.html
Пункт 6 недостаточно конкретен. Не все понимают, что затягивается океаническая тонкая и более пластичная преимущественно базальтовая кора под толстую и более жесткую преимущественно гранитную континентальную или под составляющие с последней единое тектоническое целое окраины океанической коры. А причина вулканизма такого типа, преобладающего на Земле — погружение осадочных пород затягиваемой конвекцией вглубь коры до глубин, соответствующих температурам разложения этих пород с выделением продуктов термолиза органики, водяного пара и углекислого газа, поднимающихся вверх к местам извержений (в основном островные дуги и хребты по краям материков), где они увлекают за собой окружающие породы. Реже происходит наползание частично гранитизовавшегося материала вулканических островных дуг в желоба других дуг (в ходе таких процессов постеменно и образовалась сама материковая кора), столкновения, сдвиги и разрывы материков, также сопровождающиеся вулканизмом.
Не назван и второй источник вулканизма — вулканизм «горячих точек» типа гавайского, вызванный восходящими потоками вещества с некоторых точек на границе мантии с расплавленным ядром (видимо, здесь ключевую роль играет газообразование вследствие конвекции непосредственно в ядре — специалисты должны лучше знать).
К пункту 9: площади должны быть в квадратных километрах, а не в кубических.
Иван, при всем при том, что у автора пункт 6 написан на мой взгляд не очень хорошо (я не понимаю, например, что имел в виду автор под «турбулентной конвекцией» — представления Добрецова-Кирдяшкина?), но Ваше описание также далеко не идеально. Хотя оно близко к усредненному учебнику, но такой усредненный учебник далек от точного описания процесса.
В частности субдукция — это и есть нисходящая ветвь конвекции. Плита не пассивна, а активна. Т.е. изменение плотности в плите из-за ее остывания, базальтовая нагрузка сверху, фазовые переходы базальт-эклогит и т.п. являются первопричиной погружения плиты, а не затягивание плиты конвекцией снизу. Ошибка в том, что многие разрывают плиту и нижележащую мантию. Они связаны.
Плюмы от ядра — вещь как минимум популярная, но не доказанная, включая Гавайи. Бесспорно доказанным является обмен вещества до глубин ~650-700 км. Идет ли обмен вещества с большими глубинами вещь весьма не однозначная. Поступает ли вещество от ядра? Пока что, например, имеющийся фактический материал по изотопии W говорит, что нет.
Газообразование на границе ядро-мантия это вообще фантазмы одного академика, подхваченные другим академиком. Как минимум для таких утверждений нет ни теоретических, ни экспериментальных данных.
Хорошо, что в учебниках это уже есть. Когда я учился (начало 1980-х), в школьных учебниках (не сколько моих, сколько старшей сестры — мне больше нравилось учить уроки за два года до того, как придется отвечать) горообразование и вулканизм объяснялись с точки зрения фиксизма, в журнале «Техника-молодежи», который я читал также, велись диспуты фиксисты-мобилисты, где фиксистам было уже по большей части нечего сказать, а более или менее цельное представление я вычитал из найденной дома в книжном шкафу (читал всё подряд) книги Льва Юдасина «Уйти, чтобы вернуться», оказавшейся не романом, а историей выдвижения и фактического подтверждения мобилистских представлений. Разумеется, за это время много нового было открыто. Про вулканизм горячих точек узнал еще лет через 10, вроде бы из переводного Scientific American. Поскольку я занимаюсь теоретическим предсказанием новых веществ, для меня очень важны проблемы химии и полиморфизма высоких давлений, имеющие к происходящему в недрах Земли и других планет самое непосредственное отношение, но возможность хоть как-то удовлетворять потребность в профильной научной информации (сейчас доступна где-то треть или четверть обнаруживаемого в интернете через scholar google com) у меня появилась, точнее, я ее добился лишь года 2 назад, накачал уже много статей, но изучить успел пока лишь небольшую часть — пока есть более первоочередные дела.
учебники я не школьные имею в виду, конечно. В учебнике физики за 8 класс, например, до сих пор не знают, что у Земли железное ядро и именно оно ответственно за магнетизм. В учебниках географии этой информации также нет. Описание тектоники плит корявое, правильное лишь в том, что есть такая теория. Причем авторы свое незнание скрывают под кучей слов о том, что ученые спорят, до конца не известно и т.п.
Что именно Вас интересует по фазовым переходам в недрах Земли. Что известно, о каких моментах хотелось бы занть подробнее?
Важнейшая особенность фазовых переходов с ростом давления — тенденция повышения координационных чисел с ростом давления, ведущая к повышению плотности упаковок. Тетраэдрическая координация кремния в силикатах из тетраэдрической становится октаэдрической и растёт ещё выше, на глубинах таких фазовых переходов в распространенных минералах (например, MgSiO3 из цепочечной структуры в каркасную перовскитоподобную) скачкообразно меняется скорость сейсмических волн, а температуры плавления и вязкости минералов могут иметь минимумы — простейшее объяснение наличия астеносферы. Кроме того, карбонаты и сам CO2 при высоких давлениях приобретают тетраэдрическую координацию — в результате CO2 утрачивает летучесть и на больших глубинах остаётся в твёрдых породах, несмотря на высокие температуры. Твёрдый раствор MgO-FeO при давлениях, типичных для границы ядра, начинает распадаться с выделением железа, что играет важнейшую роль в процессе образования железного ядра и может приводить к образованию абиогенных кислородных атмосфер планет земного типа у звезд некоторых спектральных классов. При очень высоких давлениях ксенон утрачивает химическую инертность и дает равновесные оксидные соединения, что может вести к значительному понижению отношения концентраций ксенон/криптон в атмосферах планет по сравнению со звездным спектром. Кроме того, если при высоком давлении сродство актиноидов к кислороду будет падать (пока на эту тему литературы не попадалось), возможна ситуация, когда внутри железо-никелевых ядер планет будет образовываться высокоплотное малое ядро из урана, имеющего уникальную структуру — по крайней мере, при обычном давлении растворимость урана в железе и никеле незначительна. Если это окажется так, то на стадии плавления недр планет, образующихся в остатках ударных волн взрывов сверхновых, возможно их разрушение термоядерным взрывом (на Земле более 1 млрд. лет назад работал природный ядерный реактор на месторождении Окло в Габоне, но поверхностные ядерные реакции не способны вызвать столь драматичные последствия).
Вы видимо не поняли мое предложение. Если есть какие то конкретные вопросы по строению Земли, тех или иных теориях, логичности тех или иных стандартных и/или альтернативных представлений, я могу постараться ответить.
Что касается урана в ядре, было несколько статей на эту тему, например
Herndon J.M. // Phys. Earth. Planet. Interiors, 1998, v. 105, p. 1-4. и другие статьи этого же автора.
Эта идея не нашла какой-либо серьезной поддержки. Эксперименты по фракционированию U между силикатным и железосульфидным расплавом при давлениях до 10 ГПа и температурах до 2100 оС (т.е. стадия магматического океана) говорят о том, что весь уран уходит в силикаты. Что не подтверждает идею Херндона.
Wheeler K.T. et al. // Geochim. Cosmochim. Acta, 2006, v. 70, p. 1537-1547
Большое спасибо за ценную информацию!
А что касается вопросов Вам о строении Земли… Для меня до сих пор неясны причины существования изолированных вулканических областей глубоко внутри крупных материковых платформ, в первую очередь — нагорья Тибести, Ахаггар, Дарфур в центре докембрийского щита Северо-Африканской плиты. В GoogleEarth хорошо видны свежие, ещё не успевшие выветриться вулканические конусы, застывшие потоки и плато из изверженных пород. Никаких надвигов плит вроде бы здесь не наблюдается, недавних крупных метеоритных астроблем тоже, оставалось только думать о горячей точке, о том, куда ползет Африка, и почему тогда настолько пульсирующий процесс и такая корявая линия, но эта попытка объяснения очень неубедительна. На невыраженный трансконтинентальный разлом тоже непохоже — вот, через Байкал тянется настоящий рифт, а вулканические явления в Байкальском регионе выражены гораздо слабее: вулкан Кропоткина в Туве припоминается и маленький Патомский кратер. Не подскажете, в чём же здесь дело?
Ну Вы спросите тоже :) Этому посвящен так называемый «Великий спор о плюмах». Классическая и, на мой взгляд ошибочная, точка зрения говорит о том, что подобные области связаны с нижнемантийными плюмами. Рекомендую http://www.mantleplumes.org, там же найдете мою статью 2006 года с описанием ситуации http://www.mantleplumes.org/WebDocuments/GPDIvanovRussian.pdf
Что касается вулканизма Байкальского рифта и сопредельных территорий, то причина вулканизма, опять таки по моему мнению и мнению моих соавторов, находится в так называемом стагнирующем тихоокеанском слэбе — статья Зорин и др., 2006 // Геология и геофизика. Такой слэб привносит под континент легкоплавкое вещество, которое рециклируется в подлитосферную область плавления. При этом степень плавления контролируется растяжением — Иванов, Демонтерова, 2010 // Доклады АН.
Про вулканы Кропоткина и др. в Восточном Саяне у нас принята к печати статья в Bull Volc http://www.springerlink.com/content/b5w75r7um8477367/
Патомский кратер — не вулкан (просто некоторым коллегам захотелось открытие сделать).