Wulkanizm

Wulkanizm

Pod pojęciem wulkanizm rozumiemy wszystkie procesy związane z wydostawaniem się na powierzchnię ziemi lawy i substancji jej towarzyszących. Natomiast pojęcie wulkan (z łac. Vulcanus – imię rzymskiego boga ognia) oznacza miejsce na powierzchni Ziemi, z którego wydobywa się lawa, gazy wulkaniczne (solfatary, mofety, fumarole) i materiał piroklastyczny.

Ze względu na rodzaj erupcji (rodzaj materiału wydobywającego się podczas erupcji):

• Wulkany efuzywne (wylewne) - powstają przy wydobywaniu się na powierzchnię mało lepkich, płynnych law zasadowych i obojętnych (o zawartości krzemionki poniżej 80%). Erupcja przebiega bardzo spokojnie - lawa podnosi się stopniowo do poziomu krateru, a następnie rozlewa się na zewnątrz na duże odległości. Stożki wulkanów efuzyjnych mają małe nachylenie - do kilku stopni, i są nadbudowywane przez kolejne wylewy lawy. Kratery tych wulkanów są z reguły duże - osiągają kilka kilometrów średnicy. Podczas erupcji nie wydobywają się utwory piroklastyczne, a jedynie lawa i uchodzące z niej do atmosfery gazy. Przykładem tych wulkanów są wulkany na Hawajach, np. Mauna Loa, Kilauea, Hualalai.
• Wulkany eksplozywne - powstają przy erupcjach związanych z gęstymi i lepkimi lawami kwaśnymi (o zawartości krzemionki powyżej 80%). Przebieg wybuchu jest bardzo gwałtowny i tym potężniejszy, im dłużej wulkan nie wykazywał żadnej aktywności. Komin wulkaniczny jest często zaczopowany zastygłą lawą pochodzącą ze wcześniejszego wybuchu. Doprowadza to wzrostu ciśnienia gazów w kominie wulkanicznym, a ostatecznie do gwałtownej eksplozji mogącej rozerwać górną część stożka wulkanicznego. Podczas erupcji tego typu wulkanów bardzo często nie wydobywa się na powierzchnię lawa, a tylko gazy i utwory piroklastyczne. Stałe produkty wybuchu wulkanicznego spadając blisko nadbudowują wulkan, dlatego też wulkany tego typu mają strome stoki o nachyleniu kilkudziesięciu stopni - są to tak zwane stożki wulkaniczne. W miejscu rozerwanego siłą wybuchu stożka wulkanicznego pozostaje rozlegle zagłębienie zwane kalderą, a dalsza działalność wulkaniczna może utworzyć w kalderze nowy stożek. np. Krakatau, Wezuwiusz, Mt. Pelee.
• Stratowulkany (wulkany mieszane) - powstają przy erupcjach, podczas których wydobywają się zarówno utwory piroklastyczne, jak i lawa. Wylewająca się podczas kolejnych wybuchów lawa cementuje wyrzucone utwory piroklastyczne, co prowadzi do nadbudowania wulkanu. Stratowulkany mają wyraźny kształt stożka o dosyć stromych zboczach i są najpowszechniejszym typem wulkanów kuli ziemskiej, np. Etna na Sycylii, Orizaba i Popocatepetl, Mount Rainer.

Ze względu na kształt:

• wulkany stożkowe - są to najczęściej wulkany eksplozywne i stratowulkany. Tworzą strome wzniesienia zbudowane z zastygłych law kwaśnych i materiału piroklastycznego
• wulkany tarczowe - zbudowane z law zasadowych - tworzą rozległe i płaskie wzniesienia o kącie nachylenia nie większym niż 8°., a krater może mieć znaczą średnicę
• wulkany linearne (szczelinowe) - produkty wulkaniczne wydobywają się podłużnymi szczelinami, którymi najczęściej są ryfty znajdujące się na dnie oceanu. Lawa wypełniająca szczelinę przelewa się w jedną lub dwie strony. Tą drogą powstają pokrywy obejmujące czasem duże obszary. Erupcje linearne są rzadsze od centralnych, ale dostarczają znacznie więcej lawy (około 80% całej masy lawy wydobywającej się na powierzchnię ziemi). Duże pokrywy bazaltowe, pochodzące z dawnych okresów geologicznych świadczą o tym, że przed dziesiątkami milionów lat ten typ erupcji był dosyć pospolity. Na niektórych obszarach wulkanicznych można odtworzyć zanikanie dawnych erupcji linearnych, których miejsce zajmują erupcje centralne. Niemal regułą jest, że erupcje linearne mają charakter law zasadowych typu bazaltowego; zawartość gazów w tych lawach jest niewielka. Dlatego też wylewom lawy erupcji linearnych rzadko towarzyszą potężne eksplozje, mają one charakter słabszych wybuchów i prowadzą do wytworzenia tylko niewielkich stożków wulkanicznych. Najczęściej są to otwarte szczeliny, którymi lawa wydobywa się spokojnie. Szczeliny czy rowy obfitują nieraz w drobne kratery ułożone wzdłuż linii wyznaczających przebieg szczeliny lub rowu. Skutkiem erupcji jest powstanie rozległych pól lawowych zwanych trapami (największe zajmują powierzchnię do 0,5 mln km²)
• wulkany arealne (powierzchniowe) - powstać one mogą wtedy, gdy magma batolitu lub lakolitu dojdzie do powierzchni Ziemi nie kanałem ani szczeliną lecz całą powierzchnią. Nastąpić to może przez przetopienie skał nadległych lub przez przedarcie się magmy na znacznej przestrzeni. Nie znamy współczesnych erupcji arealnych, prawdopodobnie jednak miały one duże znaczenie, kiedy istniały korzystne warunki do wydobywania się wielkich mas magmy na powierzchnię. Erupcje arealne charakteryzują się tym, że występujące na powierzchni skały wylewne przechodzą stopniowo w bardziej gruboziarniste skały głębinowe. Do tego typu erupcji zalicza się wulkaniczną płytę utworzoną z riolitów w Yellowstone Park (Stany Zjednoczone Am.). Zajmuje ona powierzchnię około 10000 km² przy dużej miąższości. Obecność licznych gejzerów ogranicza się do obszaru riolitowego, co wskazuje na stały dopływ ciepła z głębi. Ponieważ wulkanizm tego obszaru zakończył się w pliocenie, tak dużym źródłem ciepła może być tylko batolit granitowy leżący w głębi.

Ze względu na rodzaj erupcji, typ materiału wulkanicznego i formę stożków:

• typ islandzki - typu wylewnego - rzadka lawa zasadowa wypływa długimi szczelinami i rozpływa się na znaczne odległości
• typ hawajski - wylew ruchliwej lawy przy dość spokojnym wydzielaniu się gazów. Z powierzchni jeziora lawowego mogą być wyrzucane wytryski ciekłej lawy w czasie gwałtowniejszego wydobywania się gazów. Uniesione kropelki ciekłej lawy mogą zastygać w powietrzu w postaci szklistych włosków, zwanych włosami Pele (od hawajskiej bogini ognia Pele);
• typ strombolijski - mniej ruchliwa lawa styka się z powietrzem w kraterze, zamknięte gazy uchodzą bardziej gwałtownie wśród eksplozji, które mogą być rytmiczne lub niemal ciągłe. Zakrzepnięta lawa, często rozżarzona, zostaje wyrzucona w postaci bomb wulkanicznych lub mniejszych okruchów, które w czasie gwałtowniejszych eksplozji mogą wznosić się w postaci świecących chmur. Nazwa tego typu pochodzi od wulkanu Stromboli, którego wybuchy normalnie przebiegają w ten sposób; mniejsze erupcje odbywają się w odstępach czasu od kilku minut do godziny
• typ Vulcano - pochodzący od wulkanu tej nazwy, również z grupy Wysp Liparyjskich. Lawa jest bardziej lepka i szybko zastyga na powierzchni w czasie dzielącym poszczególne wybuchy. Gromadzące się pod zastygłą powierzchnią skorupy gazy wybuchają rzadziej, lecz z większą gwałtownością. Tworzące się nad kraterem chmury wulkaniczne są ciemne i przyjmują kształt zbliżony do kalafiora;
• typ wezuwiański - gwałtowniejsze wybuchy rodzaju strombolijskiego i Vulcano. Nagłe wybuchy bogatej w gazy lawy następują po dłuższych przerwach spokoju lub słabej aktywności. W wyniku opróżnienia kanału wulkanicznego do znacznej głębokości wskutek bocznych wycieków lawy zanika powierzchniowy nacisk na niżej leżącą magmę. Gwałtownie wyrzucana wtedy lawa wznosi się na znaczą wysokość w postaci gęstych chmur dając opady popiołów o dużym zasięgu. W czasie najgwałtowniejszych wybuchów Wezuwiusza wielkie ilości gazów i pary wodnej wznoszą się na wysokość kilku kilometrów tworząc z daleka widoczne chmury, często o charakterystycznym kształcie pinii. Ten rodzaj wybuchu opisał pierwszy Pliniusz w czasie katastrofalnego wybuchu w roku 79; nosi on też nieraz nazwę typu pliniańskiego;
• typ peleeański - charakteryzuje wulkany o dużej lepkości lawy i gwałtowności eksplozji. Ucieczka gazów jest utrudniona przez tworzenie się zakrzepłej powierzchni. Wydobywająca się powstałymi pod naciskiem gazów szczelinami magma gwałtownie wypływa potokami lawowymi, którym towarzyszą wydzielające się duże ilości gazów i par.

Produkty erupcji wulkanicznej:

• lawa - ciekły produkt działalności wulkanicznej, składający się głównie ze stopionych tlenków krzemu, żelaza, sodu, potasu, wapnia i innych metali. Ma podobny skład jak magma, z której stopienia powstaje, ale jest zubożona o składniki lotne. Temperatura lawy dochodzi do 1000°C, a nawet ponad nią do 1300-1350°C, jej krzepnięcie następuje w temperaturach 600-800°C. Prędkość spływu lawy uwarunkowana jest jej lepkością i wynosi od 3-4 km/h (lawy kwaśne) do kilkudziesięciu km/h (lawy zasadowe)

Rodzaje law:

• 'a'a - lawa bazaltowa charakteryzująca się chropowatą, poszarpaną powierzchnią
• pāhoehoe - ma postać ściśle związanych ze sobą sznurowatych smug, zazwyczaj poskręcanych i powyginanych. Nigdy nie tworzy gładkiej powierzchni.
• lawa poduszkowa - powstała w wyniku podwodnej erupcji, bardzo szybko stygnącą, lawa bazaltowa. Z powodu krótkiego czasu stygnięcia oraz ciśnienia wody, tworzy bochenkowate, spłaszczone twory.

• materiały piroklastyczne - (stałe produkty erupcji wulkanicznej)
  • bomby wulkaniczne - bryły lawy wyrzucone i zastygłe w powietrzu;
  • lapille - (z wł. małe kamyki) są to fragmenty wielkości orzecha powstałe z rozdrobnionej lawy, które zastygły w powietrzu;
  • piaski i popioły wulkaniczne - (najdrobniejszy materiał) są wynikiem gwałtownych wybuchów pod dużym ciśnieniem gazu, które powodują rozpylenie lawy; Popioły są wyrzucane na wielkie wysokości, aż do stratosfery i rozprzestrzeniają się na dużych obszarach; popioły wulkaniczne osadzone na lądzie noszą nazwę tufów, zaś osadzone w środowisku wodnym - tufitów;
  • pumeks - to wyrzucone w powietrze fragmenty gorącej lawy bogatej w gazy, które wydobywają się z niej w trakcie stygnięcia w powietrzu, wskutek tego opadłe fragmenty zakrzepłej lawy są przepełnione drobnymi pęcherzykami (inny sposób powstawania pumeksu: kiedy lawa wydostaje się na powierzchnię, na skutek obniżenia ciśnienia rozpuszczone w niej gazy wydzielają się w postaci pęcherzyków. Malejąca temperatura dodatkowo obniża rozpuszczalność gazów. Jednocześnie lawa gęstnieje i powstaje "piana");
• gazy - najwięcej jest pary wodnej; oprócz tego występują: chlor, siarkowodór, dwutlenek siarki, dwutlenek węgla, wodór i metan. Gazy wydobywają się z wulkanu znacznie dłużej niż trwa wypływ lawy. Wyróżnia się następujące typy gazów:
  • mofety - wyziewy chłodnych gazów powulkanicznych, głównie bezwodnika węglowego, bez większej obfitości pary wodnej.
  • solfatary - mniej gorące (100 - 200^oC) wyziewy gazów wulkanicznych, głównie pary wodnej, dwutlenku siarki i siarkowodoru.
  • fumarole - gorące (od 200 do 800 ^oC) wyziewy różnych gazów wulkanicznych, między innymi pary wodnej, chlorowodoru, dwutlenku siarki, jako objaw działalności powulkanicznej.

Rozmieszczenie wulkanów na kuli ziemskiej:

Rozmieszczenie wulkanów na kuli ziemskiej jest związane przede wszystkim z granicami płyt litosferycznych. Wulkany koncentrują się zarówno w dolinach ryftowych (na dnie oceanów, jak i na obszarach lądowych).(patrz tektonika płyt litosfery) Najbardziej wulkanicznym obszarem jest wybrzeże Oceanu Spokojnego nazywane "Ognistym pierścieniem Pacyfiku". Znajduje się tu aż 380 wulkanów (spośród około 450 współcześnie czynnych na Ziemi). Wulkany powstają także w obrębie płyt nad tzw. plamami gorąca. Są to miejsca, w których magma, pod wpływem docierającego najprawdopodobniej z jądra Ziemi strumienia ciepła przebiła skorupę ziemską i wydostała się na powierzchnię tworząc wulkan. Tego typu zjawisko ma charakter miejscowy. Najsłynniejsze tego typu wulkany znajdują się na Hawajach. Najprawdopodobniej w ciągu milionów lat płyta pacyficzna przesuwała się nad plamą gorąca w kierunku zachodnim. Magma wydostawała się na powierzchnię tworząc kolejne wyspy wulkaniczne.

Skutki erupcji wulkanicznych:

Do niszczących czynników aktywności wulkanicznej należą: chmury gorejące, lawiny piroklastyczne, lahary, lawiny gruzowe, opady piroklastyczne, wylewy law, gazy wulkaniczne, tsunami oraz wulkaniczne trzęsienia ziemi. (zobacz: Wybuch wulkanu Św. Heleny rok 1980)

- Chmury gorejące - powstają w wyniku erupcji eksplozywnych w przypadku, gdy ciśnienie gazów w lawie jest zbliżone do ciśnienia powietrza, co powoduje zachowanie części pęcherzyków gazowych w materiale piroklastycznym, umożliwiając jego transport w postaci zawiesiny w rozżarzonym strumieniu gazowym o temperaturze 700-1000°C. Przemieszczając się ze znaczną prędkością (nawet 300 km/h), na przestrzeniach kilkudziesięciu i setek kilometrów niszczą wszystko, co napotkają na swej drodze. W 1902 r. po wybuchu wulkanu Pelée (Małe Antyle, wyspa Martynika) chmura gorejąca w ciągu kilku minut starła z powierzchni ziemi miasto Saint Pierre, przynosząc śmierć 26 tys. jego mieszkańców.

- Lawiny piroklastyczne - nazywane również potokami piroklastycznymi stanowią turbulentną mieszaninę materiałów piroklastycznych i rozżarzonego gazu, staczającą się szybko ze zboczy wulkanu. Podobnie jak chmury gorejące, lawiny piroklastyczne powodują znaczne straty w ludziach, zniszczenia infrastruktury, ziem uprawnych i roślinności.

- Lahary - nazywane również spływami popiołowymi, to potoki błotne złożone z materiałów piroklastycznych przesyconych wodą, której źródłem są pokrywy śnieżne i lodowce, topniejące w czasie erupcji, intensywne opady atmosferyczne towarzyszące wybuchom, a także jeziora kraterowe. Nagromadzone na stokach wulkanów popioły wulkaniczne mogą również ulegać upłynnieniu pod wpływem opadów późniejszych (lahary wtórne). Lahary powodują ogromne szkody ze względu na dużą siłę transportową i znaczną prędkość, wynoszącą zwykle kilkadziesiąt km/h. Po wybuchu kolumbijskiego wulkanu Nevado del Ruiz (w 1985 r.) lahary spowodowały śmierć 23 tys. osób.

- Lawiny gruzowe - tworzą się w wyniku rozsadzenia i rozdrobnienia górnej części stożka wulkanicznego. Bloki i okruchy skał pochodzących z poprzednich erupcji, niekiedy przemieszane z gorącymi popiołami wulkanicznymi, mogą przemieszczać się z prędkością 70-80 km/h. Lawiny gruzowe bywają również wywołane trzęsieniami ziemi związanymi z erupcją, wstrząsami wzbudzonymi przez zapadanie się kaldery i osuwiskami. W 1792 r. lawiny z wulkanu Unzen (Japonia, wyspa Kiusiu) były przyczyną śmierci ok. 9,5 tys. osób.

- Opady piroklastyczne - składają się z materiałów wyrzucanych w powietrze przez wulkan. Są to drobne cząstki rozpylonej lawy (popiół wulkaniczny), jej strzępy i bryły (lapille, bomby wulkaniczne), a także okruchy i bloki starszych utworów, wyrwane z budowli wulkanicznej. Popioły wulkaniczne rozpraszają się po silnych erupcjach eksplozywnych w atmosferze, hamując dopływ promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi oraz zakłócając ruch lotniczy. Intensywne opady piroklastyczne powodują zniszczenia domostw i pól uprawnych na znacznych obszarach wokół wulkanów; zagrażają także życiu ludności. Opady piroklastyczne są charakterystyczne dla działalności Wezuwiusza: w 79 r. n.e. popioły wulkaniczne pogrzebały 1,5-2 tys. osób (Pompeje), w 1631 r. - ok. 3 tys. osób.

- Wylewy lawy - nie są aż tak groźne jak pozostałe czynniki. Prędkość płynięcia law nie przekracza na ogół kilku km na godzinę, w niektórych przypadkach dochodzi do 40 km/h, a ich temperatura mieści się na ogół w granicach 730-1250°C. Spadek temperatury law poniżej temperatury krzepnięcia powoduje zatrzymywanie się potoków lawowych, które mogą osiągać odległość do 80 km od krateru. Wylewy law wywołują zniszczenia podobne do tych, które są skutkiem lawin piroklastycznych; rzadko są groźne dla ludzi. Do wyjątków należy wylew Etny (w 1669 r.), który spowodował śmierć ok. 20 tys. osób.

- Gazy wulkaniczne - są główną siłą napędową erupcji eksplozywnych i mieszanych, składają się głównie z pary wodnej; zawierają także między innymi dwutlenek węgla, wodór, chlorowodór, fluorowodór, siarkowodór, dwutlenek siarki, metan, amoniak. Szczególnie niebezpieczny jest tlenek węgla, który, jako gaz cięższy od powietrza, gromadzi się w obniżeniach terenu, co powoduje niekiedy śmierć ludzi i zwierząt (tragedia w Kamerunie). Emisja dwutlenku siarki, który rozprasza się w atmosferze w postaci aerozolu kwasu siarkowego, prowadzi do zmniejszenia dopływu promieniowania słonecznego, co pociąga za sobą ochłodzenie klimatu (zobacz skutki wybuchu wulkanu Tambora).

- Tsunami - wywoływane zarówno wybuchami wulkanów podmorskich, jak też lądowych; powstają w wyniku gwałtownego wyrzucania do morza znacznych ilości materiałów piroklastycznych lub wskutek wulkanicznego trzęsienia ziemi (zobacz skutki wybuchu wulkanu Krakatau).

- Trzęsienia ziemi (wulkaniczne) - są znacznie słabsze od trzęsień tektonicznych. Ich przyczyną jest ruch magmy w skorupie ziemskiej, eksplozje w kraterze wulkanu, wylewy law i inne procesy wulkaniczne. Trzęsienia te na ogół poprzedzają erupcję (o kilka godzin, dni lub nawet miesięcy) lub występują w jej pierwszych fazach. Stanowią zaledwie 7% wszystkich trzęsień ziemi występujących na kuli ziemskiej.

Wulkanizm poza skutkami negatywnymi przynosi także zmiany pozytywne. Zaliczamy do nich:

• Powstawanie nowych obszarów lądowych (zwłaszcza wysp np.: Islandia, Hawaje, Wyspy Kanaryjskie)
• Powstawanie skał i minerałów użytecznych dla człowieka np.: bazalt, siarka.
• Obszary wulkaniczne to tereny atrakcyjne turystycznie
• Na osadach piroklastycznych wytwarzają się żyzne gleby powulkaniczne.
• Na obszarach wulkanicznych występują źródła termalne i wody mineralne, wykorzystywane do celów leczniczych, spożywczych i energetycznych (40% energii elektrycznej Islandii pochodzi z elektrowni geotermalnych)
• Gejzery - gorące, cyklicznie wyrzucające parę i wodę źródła związane z wulkanizmem są także wielką atrakcją turystyczną (gejzery występują na Islandii, Parku Narodowym Yellowstone w USA,na Wyspie Północnej w Nowej Zelandii, na Kamczatce w Rosji,w El Tatio w północnym Chile, na Alasce, w Japonii itd.)

Sposoby przewidywania wybuchów wulkanicznych:

Dzięki budowie skomplikowanych i bardzo kosztownych systemów monitoringu (urządzenia te często są niszczone podczas wybuchu) wulkanolodzy potrafią z dużym prawdopodobieństwem przewidzieć erupcję wulkanu. Coraz częściej stosuje się detekcję satelitarną. Symptomami zwiastującymi wybuch są:

• wzrost aktywności sejsmicznej
• zmiany poziomu i chemizmu wód podziemnych
• nasilenie emisji gazów i ciepła
• drobne zmiany rzeźby powierzchni ziemi
• zmiany natężenia i częstotliwości infradźwięków wydostających się z krateru

Współczesne metody badawcze pozwalają na uzyskanie kilku godzin czasu na ewakuację ludności, ale badacze pracują nad technikami umożliwiającymi przewidywanie erupcji znacznie wcześniej nawet do kilku tygodni (Bardzo intrygujący związek wulkanów z wodą odkrył w 1997 roku zespół brytyjskich i włoskich naukowców . Badając warstewki pyłu wulkanicznego uwięzione w osadach z ostatnich 100 tys. lat, ustalili, że aktywność wulkanów wyraźnie nasila się podczas zmian poziomu morza, i to bez względu na kierunek tej zmiany. Zaciekawieni, postanowili zbadać tę zależność. Okazało się, że wulkany położone na wybrzeżu wybuchają częściej, gdy poziom morza się podnosi, te zaś, które tworzą wyspy - gdy woda opada. Naukowcy przypuszczają, iż dzieje się tak, dlatego że woda wywiera lokalny nacisk na skorupę ziemską, zwiększając bądź zmniejszając ciśnienie przytrzymujące magmę pod powierzchnią Ziemi. Przy tym zdaje się, że niektórym wulkanom wystarcza nawet niewielki ruch poziomu morza, porównywalny z tym, jaki w ciągu najbliższych lat może stać się skutkiem globalnego ocieplenia. Ponoć Wezuwiusz zawsze wybucha przy pełni księżyca (siły pływowe wywołane przez słońce i księżyc oddziałują wtedy wzdłuż tej samej osi), a erupcje niektórych wulkanów na Alasce prowokowane są przez przechodzące w ich pobliżu atmosferyczne układy niskiego ciśnienia. - źródło informacji: Wiedza i życie nr 4/2000)