Вулканология (также пишется как вулканология ) — это изучение вулканов , лавы , магмы и связанных с ними геологических , геофизических и геохимических явлений ( вулканизм ). Термин «вулканология» происходит от латинского слова vulcan . Вулкан был древнеримским богом огня.
Вулканолог — геолог , изучающий извержения и формирование вулканов, а также их текущие и исторические извержения. Вулканологи часто посещают вулканы, особенно активные, чтобы наблюдать за извержениями вулканов , собирать продукты извержений, включая тефру ( например, пепел или пемзу ), образцы горных пород и лавы . Одним из основных направлений исследований является прогнозирование извержений; в настоящее время нет точного способа сделать это, но прогнозирование или предсказание извержений, как и прогнозирование землетрясений, может спасти много жизней.
В 1841 году в Королевстве Обеих Сицилий была основана первая вулканологическая обсерватория, Везувийская обсерватория . [1] Достижения вулканологии потребовали большего, чем просто структурированное наблюдение, и эта наука опирается на понимание и интеграцию знаний во многих областях, включая геологию , тектонику , физику , химию и математику , причем многие достижения могли произойти только после того, как прогресс произошел в другой области науки. Например, изучение радиоактивности началось только в 1896 году, [2] а ее применение к теории тектоники плит и радиометрическому датированию заняло около 50 лет после этого. Многие другие разработки в области гидродинамики , экспериментальной физики и химии, методов математического моделирования , приборостроения и в других науках были применены к вулканологии с 1841 года.
Сейсмические наблюдения проводятся с использованием сейсмографов , установленных вблизи вулканических зон, которые отслеживают повышенную сейсмичность во время вулканических событий, в частности, ищут долгопериодные гармонические толчки, которые сигнализируют о движении магмы по вулканическим каналам. [3]
Мониторинг деформации поверхности включает использование геодезических методов, таких как выравнивание, наклон, деформация, измерение угла и расстояния с помощью наклономеров, тахеометров и EDM. Сюда также входят наблюдения GNSS и InSAR. [4] Деформация поверхности указывает на подъем магмы: увеличение подачи магмы приводит к образованию выпуклостей на поверхности вулканического центра.
Выбросы газа могут контролироваться с помощью оборудования, включая портативные ультрафиолетовые спектрометры (COSPEC, теперь замененные miniDOAS), которые анализируют наличие вулканических газов, таких как диоксид серы ; или с помощью инфракрасной спектроскопии (FTIR). Увеличение выбросов газа, и в частности изменение состава газа, может быть признаком надвигающегося извержения вулкана. [3]
Изменения температуры отслеживаются с помощью термометров и наблюдений за изменениями термических свойств вулканических озер и жерл, которые могут указывать на предстоящую активность. [5]
Спутники широко используются для мониторинга вулканов, поскольку они позволяют легко контролировать большую территорию. Они могут измерять распространение пеплового шлейфа, например, от извержения Эйяфьятлайокудля в 2010 году [6] , а также выбросы SO2 . [7] InSAR и тепловизионные изображения могут контролировать большие, малонаселенные районы, где было бы слишком дорого содержать приборы на земле.
Другие геофизические методы (электрические, гравитационные и магнитные наблюдения) включают мониторинг колебаний и внезапных изменений удельного сопротивления, гравитационных аномалий или моделей магнитных аномалий, которые могут указывать на вызванные вулканами разломы и подъем магмы. [5]
Стратиграфический анализ включает анализ отложений тефры и лавы и их датирование для получения схем извержений вулканов [8] с предполагаемыми циклами интенсивной активности и масштабами извержений. [3]
Анализ состава оказался весьма успешным в группировке вулканов по типу, [9] : 274 происхождению магмы, [9] : 274 включая сопоставление вулканов с мантийным плюмом конкретной горячей точки , глубины плавления мантийного плюма, [10] история рециркулированной субдуцированной коры, [9] : 302–3 сопоставление отложений тефры друг с другом и с вулканами происхождения, [11] и понимание формирования и эволюции магматических резервуаров, [9] : 296–303 подход, который теперь был подтвержден с помощью отбора проб в реальном времени. [12]
Некоторые из упомянутых выше методов в сочетании с моделированием оказались полезными и успешными в прогнозировании некоторых извержений, [13] : 1–2 таких как эвакуация местности вокруг горы Пинатубо в 1991 году, которая могла спасти 20 000 жизней. [14] Краткосрочные прогнозы, как правило, используют сейсмические или множественные данные мониторинга, а долгосрочное прогнозирование включает изучение предыдущей истории местного вулканизма. [13] : 1 Однако вулканологическое прогнозирование включает не только прогнозирование следующего начального времени начала извержения, поскольку оно может также учитывать размер будущего извержения и эволюцию извержения после его начала. [13] : 1–2
Вулканология имеет обширную историю. Самая ранняя известная запись об извержении вулкана может быть на настенной росписи, датируемой примерно 7000 г. до н. э., найденной на неолитическом месте в Чатал-Хююке в Анатолии , Турция . [15] : 203 Эта картина была интерпретирована как изображение извергающегося вулкана, с группой домов ниже, показывающей двухвершинный вулкан во время извержения, с городом у его основания (хотя археологи теперь подвергают сомнению эту интерпретацию). [16] Вулкан может быть либо Хасан-Даг , либо его меньшим соседом, Мелендиз-Даг. [17]
Классический мир Греции и ранней Римской империи объяснял вулканы как места обитания различных богов. Греки считали, что Гефест , бог огня, сидел под вулканом Этна , выковывая оружие Зевса . Греческое слово, используемое для описания вулканов, было etna или hiera , в честь Геракла , сына Зевса. Римский поэт Вергилий , интерпретируя греческие мифы, утверждал, что гигант Энцелад был похоронен под Этной богиней Афиной в наказание за мятеж против богов; грохот горы был его мучительными криками, пламя — его дыханием, а дрожь — его борьбой с прутьями своей тюрьмы. Брат Энцелада Мимас был похоронен под Везувием Гефестом, а кровь других побежденных гигантов хлынула на Флегрейские поля, окружавшие Везувий. [18]
Греческий философ Эмпедокл (ок. 490-430 гг. до н. э.) считал, что мир разделен на четыре стихии: Землю, Воздух, Огонь и Воду. Эмпедокл утверждал, что вулканы являются проявлением стихийного огня. Платон утверждал, что каналы горячих и холодных вод текут в неисчерпаемых количествах через подземные реки. В глубинах земли извивается огромная огненная река Пирифлегетон , которая питает все вулканы мира. Аристотель считал подземный огонь результатом «...трения ветра, когда он ныряет в узкие проходы».
Ветер играл ключевую роль в объяснениях вулканов до XVI века, после того как Анаксагор в V веке до нашей эры предположил, что извержения были вызваны сильным ветром. [19] Лукреций , римский философ, утверждал, что Этна была полностью полой, а пожары под землей разжигались сильным ветром, циркулирующим вблизи уровня моря. Овидий считал, что пламя питалось «жирной пищей», и извержения прекращались, когда еда заканчивалась. Витрувий утверждал, что сера, квасцы и битум питали глубинные пожары. Наблюдения Плиния Старшего отметили, что наличие землетрясений предшествовало извержению; он погиб во время извержения Везувия в 79 году н. э., исследуя его в Стабиях . Его племянник, Плиний Младший , дал подробные описания извержения, в котором погиб его дядя, приписав его смерть воздействию токсичных газов. Такие извержения были названы Плиниевыми в честь двух авторов.
Доминиканский ученый XIII века Ресторо д'Ареццо посвятил целых две главы (11.6.4.6 и 11.6.4.7) своего основополагающего трактата La composizione del mondo colle sue cascioni происхождению эндогенной энергии Земли. Ресторо утверждал, что внутренняя часть Земли очень горячая, и настаивал, следуя Эмпедоклу , что у Земли расплавленный центр и что вулканы извергаются посредством подъема расплавленной породы на поверхность. [20]
В эпоху Возрождения такие наблюдатели, как Бернар Палисси , Конрад Гесснер и Иоганнес Кентман (1518-1568) проявили глубокий интенсивный интерес к природе, поведению, происхождению и истории земного шара. Многие теории вулканической активности были сформулированы в конце шестнадцатого - середине семнадцатого веков. Георгий Агрикола утверждал, что лучи солнца, как позже предположил Декарт, не имеют ничего общего с вулканами. Агрикола считал, что пар под давлением вызывает извержения «горного масла» и базальта. Иоганн Кеплер считал вулканы каналами для слез и экскрементов Земли, извергающих битум, смолу и серу. [21] [ нужен лучший источник ] Декарт, заявляя, что Бог создал Землю в одно мгновение, заявил, что он сделал это в три слоя: огненные глубины, [22] слой воды и воздух. По его словам, вулканы образовались там, где лучи солнца пронзали землю.
Вулканы южной Италии привлекали натуралистов с тех пор, как эпоха Возрождения привела к повторному открытию их классических описаний такими писателями, как Лукреций и Страбон . Везувий, Стромболи и Вулкано предоставили возможность изучать природу вулканических явлений. Итальянские натурфилософы, жившие в пределах досягаемости этих вулканов, написали длинные и ученые книги на эту тему: отчет Джованни Альфонсо Борелли об извержении горы Этна в 1669 году стал стандартным источником информации, как и отчет Джулио Чезаре Рекупито об извержении горы Везувий 1631 года (1632 и более поздние издания) и отчет Франческо Серао об извержении Везувия в 1737 году (1737, с изданиями на французском и английском языках). [23]
Иезуит Афанасий Кирхер (1602–1680) был свидетелем извержений вулканов Этна и Стромболи, затем посетил кратер Везувия и опубликовал свой взгляд на Землю с центральным огнем, связанным с многочисленными другими, вызванными горением серы, битума и угля. Он опубликовал свой взгляд на это в Mundus Subterraneus , где вулканы действуют как своего рода предохранительный клапан. [24]
Причины этих явлений обсуждались в большом количестве теорий Земли, опубликованных за сто лет после 1650 года. Авторы этих теорий сами не были наблюдателями, но объединяли наблюдения других с ньютоновской, картезианской, библейской или анимистической наукой, чтобы создать множество всеобъемлющих систем. Вулканические извержения и землетрясения в этих системах обычно связывались с существованием больших открытых пещер под Землей, где могли скапливаться воспламеняющиеся пары, пока они не воспламенялись. По словам Томаса Бернета , большая часть самой Земли была воспламеняемой, со смолой, углем и серой, готовыми к возгоранию. В теории Уильяма Уистона присутствие подземного воздуха было необходимо, чтобы произошло возгорание, в то время как Джон Вудворд подчеркивал, что вода имеет решающее значение. Атанасиус Кирхер утверждал, что пещеры и источники тепла были глубокими и достигали центра Земли, в то время как другие авторы, в частности Жорж Бюффон , считали, что они были относительно поверхностными, и что вулканические огни находились высоко внутри самого вулканического конуса. Ряд авторов, в частности Томас Робинсон, считали, что Земля была животным, и что ее внутреннее тепло, землетрясения и извержения были признаками жизни. Эта анимистическая философия пошла на убыль к концу семнадцатого века, но ее следы сохранились и в восемнадцатом. Наука боролась с идеями сгорания пирита с водой, что порода была затвердевшим битумом, и с представлениями о том, что порода образовалась из воды ( нептунизм ). Из известных тогда вулканов все находились вблизи воды, поэтому для объяснения вулканизма использовалось воздействие моря на сушу .
Племенные легенды о вулканах изобилуют от Тихоокеанского огненного кольца и Америки, обычно призывая силы сверхъестественного или божественного, чтобы объяснить сильные выбросы вулканов. [25] Таранаки и Тонгариро , согласно мифологии маори, были любовниками, которые влюбились в Пихангу , и завязалась злобная ревнивая ссора. Некоторые маори по сей день не живут на прямой линии между Тонгариро и Таранаки из-за страха, что спор вспыхнет снова. [26] В гавайской религии Пеле ( / ˈ p eɪ l eɪ / Pel-a; [ˈpɛlɛ] ) является богиней вулканов и популярной фигурой в гавайской мифологии . [27] Пеле использовалось для различных научных терминов, таких как волосы Пеле , слезы Пеле и Лиму о Пеле (водоросли Пеле). Вулкан на спутнике Юпитера Ио также носит название Пеле . [28]
Святая Агата — покровительница Катании , расположенной недалеко от горы Этна, и важный, высоко почитаемый (до сегодняшнего дня [29] ) пример дев-мучениц христианской древности. [30] В 253 году н. э., через год после ее насильственной смерти, ее заступничеству приписывалось прекращение извержения Этны. Однако Катания была почти полностью разрушена извержением Этны в 1169 году, и более 15 000 ее жителей погибли. Тем не менее, святого снова призывали во время извержения Этны в 1669 году и во время вспышки, которая поставила под угрозу город Николози в 1886 году. [31] То, как святого призывают и обращаются с ним в итальянской народной религии , в манере quid pro quo или подходе торга, который иногда используется в молитвенных взаимодействиях со святыми, было связано (в традиции Джеймса Фрейзера ) с более ранними языческими верованиями и практиками. [32]
В 1660 году извержение Везувия обрушило на близлежащие деревни дождь из двойных пироксеновых кристаллов и пепла. Кристаллы напоминали распятие, и это было истолковано как работа Святого Януария . В Неаполе мощи Святого Януария проносятся по городу во время каждого крупного извержения Везувия. Регистр этих шествий и дневники отца Антонио Пьяджо за 1779 и 1794 годы позволили британскому дипломату и натуралисту-любителю сэру Уильяму Гамильтону предоставить подробную хронологию и описание извержений Везувия. [33]
