С выси небесной сюда низошел огнемощный владыка.
Тут железо куют в огромном гроте циклопы.
Публий Вергилий «Энеида», примерно 29—19 годы до н.э.
Под извержением понимается процесс относительно быстрого поступления из недр на поверхность значительных масс мантийного вещества в газообразном, жидком и твёрдом состоянии. Сами вулканы это характерной формы возвышенности образовавшиеся там, где по каналам и трещинами в земной коре из магматических очагов выводятся или выводились на поверхность продукты извержения. Обычно они имеют форму конуса с углублением – кратером на вершине, а в случае её проседания и обрушения образуется кальдера – обширная циркообразная котловина с крутыми стенками и относительно ровным дном.
Природа современного земного вулканизма обусловлена продолжающейся геологической эволюцией планеты. Ещё четыре миллиарда лет назад земная поверхность представляла собой раскалённое лавовое поле, непрерывно бомбардируемое метеоритами. По мере остывания в поле тяготения произошло расслоение вещества – самые лёгкие компоненты образовали атмосферу, более тяжелые стали материалом для земной коры, мантии и железоникелевого ядра планеты.
Земная кора вместе с верхней частью мантии образует простирающуюся до глубин в сто километров литосферу – твёрдую оболочку Земли. Она разбита разломами на крупные блоки – тектонические плиты. Ниже мантии находится сложенное из тяжелых металлов, преимущественно железа, земное ядро. Здесь плотность вещества и температура значительно увеличиваются.
Распад радиоактивных элементов и сохранившийся со времён образования планеты жар приводят к тому, что в её центре температура выше, чем на поверхности Солнца. На глубине 2700 километров между земным ядром и мантией она достигает 2200 градусов по Цельсию, а мощность теплового потока из земного ядра в нижние слои мантии оценивается в тринадцать тераватт.
В состоящей из силикатных расплавов мантии происходят перенос тепла из внутренних частей планеты к поверхности. Раскалённая магма поднимается из глубин, охлаждается, а затем снова погружается, замещаясь новым горячим веществом. Тепловая конвекция в мантии приводит к тому, что более холодный материал литосферы разрушается и сегментируется на огромные тектонические плиты.
Примерно 90% твёрдой поверхности Земли образовано восемью литосферными плитами, а остальная часть десятками меньшего размера и множеством мелких. За миллионы лет под воздействием конвекционных процессов в мантии, гравитационных и ротационных сил они совершают сложные разнонаправленные движения. Образуются новые и исчезают старые литосферные плиты, а вместе с ними меняется лик земной поверхности.
Тектоника литосферных плит лучше всего объясняет распределение вулканов на поверхности земного шара. Определены три основных механизма межплитового взаимодействия и современного вулканизма. Если литосферные плиты раздвигаются, то между ними образуется рифтовая зона – крупная линейная впадина в земной коре в областях спрединга. Они приурочены к разломным зонам в земной коре, из которых на океаническое дно изливается базальтовый расплав. Вулканы рифтовых зон находятся в осевой части Срединно-атлантического хребта и вдоль Восточноафриканской системы разломов.
Схема спрединга в срединно-океанических хребтах и субдукции у континентальных окраин с образованием вулканов.
Там где одна океаническая плита пододвигается под другую, опускаясь в мантию, возникли зоны субдукции. В них вещество погружающейся плиты расплавляется, а затем может вновь подняться к поверхности и образовать островные дуги – цепочки вулканических островов над зоной субдукции. К ним относятся Алеутские, Курильские, Марианские острова и другие архипелаги, помеченные в рельефе океанического дна глубоководными желобами расположенные параллельно береговым линиям и островным дугам.
Иной тип взаимодействия происходит при смещении тектонических плит относительно друг друга по трансформным разломам. Наибольшее их число находится океаническом дне. Наиболее известен разлом Сан-Андреас в Калифорнии, возникший между Тихоокеанской и Североамериканкой плитами, смещающимися относительно друг друга примерно на 0,6 сантиметра за год.
Общая площадь земной поверхности остаётся квазипостоянной в силу того, что расширение земной коры в зонах спрединга компенсируется погружением участков литосферных плит в мантию в зонах субдукции. Само погружение плиты под островные дуги и континентальные окраины трассируется очагами землетрясений возникающих по наклонной плоскости до глубин в 700 километров названной зоной Вадати-Бениофа.
Поскольку угол погружения плиты близок к 45 градусам вулканы располагаются между сушей и глубоководными желобами на удалении до 150 километров от их осей, в плане образуя повторяющую очертания желоба и береговой линии вулканическую область. В этих местах на глубинах до 150 километров от дневной поверхности образуются магматические очаги, содержащие расправленное вещество, водяные пары и различные газы.
Схема образования стратовулкана в зоне субдукции. Красные точки это очаги землетрясений возникающих по фронту погружающейся по континентальную окраину литосферной плиты.
Образование очагов магмы под земной корой приводит к деформированию и подъёму её поверхности. В Андах огромный купол магмы поднимает плато Альтиплано-Пуна над которым возвышаются действующие вулканы. Плато шириной в сотни километров поднято на километр относительно уровня моря. Из-за давления магмы расположенный в центре купола вулкан Утурунчу растёт примерно на один сантиметр в год.
Особый тип вулканизма связан с горячими точками – мантийными плюмами. Это исходящие от границ ядра раскалённые струи мантийного вещества. Они пробивают литосферу и осаждаются на земной поверхности. В процессе дрейфа Тихоокеанской литосферной плиты на запад над такой горячей точкой образовалась цепь Гавайских островов. Схожий процесс проходит в США, где литосферная плита над горячей точкой за 17 миллионов лет сместилась на большое расстояние, пока над ней не оказалась Йеллоустонское плато.
За исключением нескольких континентальных щитов земная поверхность многократно подвергалась тектонической переработке. Под воздействием глубинных эндогенных процессов и внешних – экзогенных происходит кругооборот вещества планеты. Осадочные породы опускаются в земные недра, где преобразуются в магму, а затем вновь выносятся тектоническими процессами на поверхность. Главными областями современных тектонических движений являются Тихоокеанская, Средиземноморская, Атлантическая и Индийская области. Поэтому большинство вулканов расположено в их пределах вследствие следующего механизма.
У верхней границы мантии давление меньше чем на больших глубинах и здесь образуется очаг расплавленного вещества – магмы. Под колоссальным давлением магма, плотность которой меньше чем окружающих более холодных горных пород, по трещинам и разломам поднимается к земной поверхности. По мере приближения к ней давление в магме снижается, из неё выделяются газы, она становится менее вязкой и более лёгкой. Последние десятки метров кипящая магма проходит очень быстро и начинает извергаться на поверхность в виде лавы.
Процесс истечения лавы можно сравнить с шампанским в бутылке. Пока она закрыта присутствие в ней газа визуально не обнаруживается, но как только вынута пробка из-за резкого сброса давления происходит быстрая дегазация. Газ улетучивается и увлекает за собой часть содержимого бутылки.
Распределение вулканов в России и схема расположения вулканов на территории Камчатки (чёрные точки).
Характер извержения определяется содержанием в магме газов. Если большая их часть успела покинуть магму, то происходит относительно медленное истекание лавы. Её текучесть определяется химическим составом магмы и количеством оставшихся в ней газов. Она может быть вязкой как расплавленное стекло, но способна течь и как кипящая смола.
В том случае если при извержении магма не успела освободиться от большей части газов, в основном водяных паров, оно будет носить взрывной – эксплозивный характер. Это может произойти из-за образовавшейся в вулканическом канале пробки из застывшей лавы препятствующей дегазации магмы. Под нарастающем давлением магмы, в какой-то момент, этот своеобразный тромб прорывается и происходит быстрое высвобождение газов с образованием выхлопа – облаков пепла.
