Вулканизм , вулканизм , вулканичность или вулканическая активность — это явление, при котором твердые вещества, жидкости, газы и их смеси извергаются на поверхность астрономического тела с твердой поверхностью, такого как планета или луна. [1] Это вызвано наличием источника тепла, обычно генерируемого внутри тела; тепло генерируется различными процессами, такими как радиоактивный распад или приливный нагрев . Это тепло частично плавит твердый материал в теле или превращает материал в газ. Мобилизованный материал поднимается через внутреннюю часть тела и может прорвать твердую поверхность. [2] [3]
Для возникновения вулканизма температура мантии должна была подняться примерно до половины ее точки плавления. В этот момент вязкость мантии упадет примерно до 10 21 Паскаль-секунд . Когда происходит крупномасштабное плавление, вязкость быстро падает до 10 3 Паскаль-секунд или даже меньше, увеличивая скорость переноса тепла в миллион раз. [3]
Возникновение вулканизма частично объясняется тем, что расплавленный материал, как правило, более подвижен и менее плотен, чем материалы, из которых он был образован, что может привести к его подъему на поверхность. [3]
Существует несколько способов получения тепла, необходимого для вулканизма. Вулканизм на внешних лунах солнечной системы в основном поддерживается приливным нагревом . [1] Приливной нагрев, вызванный деформацией формы тела из-за взаимного гравитационного притяжения, которое генерирует тепло. Земля испытывает приливной нагрев от Луны , деформируясь до 1 метра (3 фута), но это не составляет большую часть общего тепла Земли . [4]
Во время формирования планеты она бы испытала нагрев от ударов планетезималей , который затмил бы даже удар астероида, вызвавший вымирание динозавров . Этот нагрев мог бы вызвать дифференциацию , еще больше нагревая планету. Чем больше тело , тем медленнее оно теряет тепло. В более крупных телах, например, Земле, это тепло, известное как первичное тепло, все еще составляет большую часть внутреннего тепла тела, но Луна, которая меньше Земли, потеряла большую часть этого тепла. [4]
Другим источником тепла является радиогенное тепло, вызванное радиоактивным распадом . Распад алюминия-26 мог бы значительно нагреть планетарные эмбрионы, но из-за его короткого периода полураспада (менее миллиона лет) любые его следы давно исчезли. В обычных минералах есть небольшие следы нестабильных изотопов , и все планеты земной группы и Луна испытывают часть этого нагрева. [4] Ледяные тела внешней части солнечной системы испытывают гораздо меньше этого тепла, поскольку они, как правило, не очень плотные и не содержат много силикатного материала (радиоактивные элементы концентрируются в силикатах). [5]
На спутнике Нептуна Тритоне , а возможно и на Марсе, происходит криогейзерная деятельность. Источник тепла внешний (тепло от Солнца), а не внутренний. [6] [7]
Декомпрессионное плавление происходит, когда твердый материал из глубины тела поднимается вверх. Давление уменьшается по мере того, как материал поднимается вверх, а также уменьшается и точка плавления. Таким образом, порода, которая является твердой при данном давлении и температуре, может стать жидкой, если давление, а следовательно, и точка плавления уменьшатся, даже если температура останется постоянной. [8] [3] Однако в случае воды увеличение давления уменьшает точку плавления до тех пор, пока не будет достигнуто давление 0,208 ГПа , после чего точка плавления увеличивается с давлением. [3]
Плавление флюса происходит, когда температура плавления понижается за счет добавления летучих веществ, например, воды или углекислого газа. [3] [9] Как и плавление при декомпрессии, оно вызвано не повышением температуры, а скорее понижением температуры плавления. [10]
Криовулканизм , вместо того, чтобы зарождаться в однородном подповерхностном океане, может вместо этого происходить из дискретных жидких резервуаров. Первый способ, которым они могут образоваться, — это струя теплого льда, поднимающаяся вверх, а затем опускающаяся обратно вниз, образуя конвекционный поток. Модель, разработанная для исследования последствий этого на Европе, обнаружила, что энергия от приливного нагрева сосредоточилась в этих струях, что позволило таянию произойти на этих небольших глубинах, поскольку струя распространяется вбок (горизонтально). Следующим является переключение с вертикального на горизонтальное распространение трещины, заполненной жидкостью. Другой механизм — это нагревание льда от снятия напряжения посредством бокового движения трещин в ледяной оболочке, проникающих в нее с поверхности, и даже нагревание от крупных ударов может создать такие резервуары. [5]
Когда материал планетарного тела начинает плавиться, плавление сначала происходит в небольших карманах в определенных высокоэнергетических местах, например, на пересечениях границ зерен и там, где различные кристаллы реагируют, образуя эвтектическую жидкость , которая изначально остается изолированной друг от друга, запертой внутри породы. Если угол контакта расплавленного материала позволяет расплаву смачивать грани кристаллов и течь вдоль границ зерен , расплавленный материал будет накапливаться в больших количествах. С другой стороны, если угол больше примерно 60 градусов, должно образоваться гораздо больше расплава, прежде чем он сможет отделиться от своей материнской породы. Исследования пород на Земле показывают, что расплав в горячих породах быстро собирается в карманы и жилы, которые намного больше размера зерна , в отличие от модели жесткой перколяции расплава . Расплав, вместо того чтобы равномерно вытекать из исходной породы, вытекает через ручейки, которые соединяются, образуя более крупные жилы. Под действием плавучести расплав поднимается. [3] Диапиры могут также образовываться в несиликатных телах, играя аналогичную роль в перемещении теплого материала к поверхности. [5]
Дайка — это вертикальная трещина, заполненная жидкостью, с механической точки зрения это перевернутая вверх дном расщелина, заполненная водой. Когда магма поднимается в вертикальную трещину, низкая плотность магмы по сравнению с окружающей породой означает, что давление падает медленнее, чем в окружающей более плотной породе. Если среднее давление магмы и окружающей породы одинаково, давление в дайке превышает давление вмещающей породы наверху дайки, а давление породы больше, чем давление дайки на ее дне. Таким образом, магма, таким образом, толкает трещину вверх на ее вершине, но трещина сжимается на дне из-за упругой реакции (похожей на выпуклость рядом с человеком, сидящим на упругом диване). В конце концов, хвост становится настолько узким, что почти отщипывается, и больше новая магма не поднимается в трещину. Трещина продолжает подниматься как независимый стручок магмы. [3]
Эта модель вулканического извержения постулирует, что магма поднимается через жесткий открытый канал в литосфере и оседает на уровне гидростатического равновесия . Несмотря на то, что она хорошо объясняет наблюдения (чего не могут более новые модели), такие как явное соответствие высоты вулканов вблизи друг друга, она не может быть правильной и теперь дискредитирована, поскольку толщина литосферы, полученная из нее, слишком велика для предположения о жестком открытом канале. [3]
В отличие от силикатного вулканизма, где расплав может подниматься за счет собственной плавучести, пока не достигнет неглубокой коры, при криовулканизме вода (криомагмы, как правило, основаны на воде) плотнее льда над ней. Один из способов позволить криомагме достичь поверхности — сделать воду плавучей, сделав ее менее плотной, либо за счет присутствия других соединений, которые меняют отрицательную плавучесть, либо путем добавления выделившихся пузырьков газа в криомагму, которые ранее были растворены в ней (что делает криомагму менее плотной), либо за счет присутствия уплотняющего агента в ледяной оболочке. Другой способ — повысить давление жидкости, чтобы преодолеть отрицательную плавучесть и заставить ее достичь поверхности. Когда ледяная оболочка над подповерхностным океаном утолщается, она может повысить давление на весь океан (при криовулканизме замерзшая вода или рассол менее плотны, чем в жидкой форме). Когда резервуар жидкости частично замерзает, оставшаяся жидкость подвергается такому же давлению. [5]
Для того, чтобы трещина в ледяной оболочке распространилась вверх, жидкость в ней должна иметь положительную плавучесть или внешние напряжения должны быть достаточно сильными, чтобы прорвать лед. Внешние напряжения могут включать в себя напряжения от приливов или от избыточного давления из-за замерзания, как объяснялось выше. [11]
Существует еще один возможный механизм подъема криовулканических расплавов. Если трещина с водой в ней достигает океана или подземного резервуара жидкости, вода поднимется до уровня гидростатического равновесия, примерно на девяти десятых пути к поверхности. Приливы, которые вызывают сжатие и растяжение в ледяной оболочке, могут закачивать воду выше. [5]
В статье 1988 года была предложена возможность распространения трещин вверх из подповерхностного океана спутника Юпитера Европы . В ней предполагалось, что трещина, распространяющаяся вверх, будет иметь зону низкого давления на своем кончике, что позволит летучим веществам, растворенным в воде, выделяться в газ. Эластичная природа ледяной оболочки, вероятно, не позволит трещине достичь поверхности, и вместо этого трещина защемится, заключив в себе газ и жидкость. Газ увеличит плавучесть и может позволить трещине достичь поверхности. [5]
Даже удары могут создавать условия, которые позволяют магме подняться выше. Удар может удалить верхние несколько километров коры, а разница в давлении, вызванная разницей в высоте между бассейном и высотой окружающей местности, может привести к извержению магмы, которая в противном случае осталась бы под поверхностью. Статья 2011 года показала, что на окраинах ударного бассейна будут зоны повышенного подъема магмы. [5]
Не все эти механизмы, а может быть, и ни один из них не действует на данное тело . [5]
Силикатный вулканизм происходит там, где извергаются силикатные материалы. Силикатные лавовые потоки, подобные тем, что встречаются на Земле, затвердевают при температуре около 1000 градусов по Цельсию. [12]
.JPG/1280px-Gryphons_at_the_central_crater_of_the_Dashgil_mud_volcano_in_Azerbaijan_(130).JPG)
Грязевой вулкан образуется , когда жидкости и газы под давлением вырываются на поверхность, принося с собой грязь. Это давление может быть вызвано весом вышележащих осадков над жидкостью, которые давят на жидкость, не давая ей вытечь, или жидкостью, запертой в осадке, мигрирующей из более глубоких осадков в другие осадки или образующейся в результате химических реакций в осадке. Они часто извергаются тихо, но иногда они извергают горючие газы, такие как метан. [13]
Криовулканизм — это извержение летучих веществ в окружающую среду ниже точки замерзания. Процессы, лежащие в его основе, отличаются от силикатного вулканизма, поскольку криомагма (обычно на водной основе) обычно плотнее своего окружения, что означает, что она не может подняться за счет собственной плавучести. [14] [5]
Серные лавы ведут себя иначе, чем силикатные. Во-первых, сера имеет низкую температуру плавления, около 120 градусов по Цельсию. Кроме того, после охлаждения до 175 градусов по Цельсию лава быстро теряет вязкость, в отличие от силикатных лав, подобных тем, что встречаются на Земле. [12]
Когда магма извергается на поверхность планеты, она называется лавой . Вязкие лавы образуют короткие, толстые, богатые стеклом потоки. Они обычно имеют волнистую затвердевшую поверхностную текстуру. [3]
Более жидкие лавы имеют затвердевшие поверхностные текстуры, которые вулканологи классифицируют на четыре типа. [3] Подушечная лава образуется, когда триггер, часто лава, контактирующая с водой, заставляет поток лавы быстро остывать. [3] [15] Это раскалывает поверхность лавы, и магма затем собирается в мешки, которые часто скапливаются перед потоком, образуя структуру, называемую подушечкой. [3] Лава А'а имеет грубую, колючую поверхность, состоящую из обломков лавы, называемых клинкерами. [16] Глыбовая лава - это еще один тип лавы, с менее зазубренными фрагментами, чем в лаве А'а. [17] Лава Пахоэхоэ - безусловно, самый распространенный тип лавы, как на Земле, так и, вероятно, на других планетах земной группы. Она имеет гладкую поверхность с холмами, впадинами и складками. [3]
Извержение вулкана может быть просто простым выбросом материала на поверхность планеты, но обычно они включают сложную смесь твердых веществ, жидкостей и газов, которые ведут себя одинаково сложным образом. [3] Некоторые типы взрывных извержений могут высвобождать энергию, равную четверти эквивалентной массы тротила . [18]
Вулканические извержения на Земле постоянно наблюдаются в процессе извержения от богатого газом материала к обедненному газом материалу, хотя извержение может чередоваться от извержения богатого газом к обедненному газом материалу и наоборот несколько раз. Это можно объяснить обогащением магмы на вершине дайки газом, который выделяется, когда дайка прорывает поверхность, за которым следует магма из более низких слоев, которые не были обогащены газом. [3]
Причина, по которой растворенный газ в магме отделяется от нее, когда магма приближается к поверхности, заключается в воздействии температуры и давления на растворимость газа . Давление увеличивает растворимость газа, и если жидкость с растворенным в ней газом теряет давление, газ будет стремиться раствориться (или отделиться) от жидкости. Примером этого является то, что происходит, когда быстро открывают бутылку газированного напитка: когда крышка открывается, давление падает, и пузырьки углекислого газа появляются по всей жидкости. [3]
Жидкие магмы извергаются тихо. Любой газ, который выделился из магмы, легко улетучивается еще до того, как он достигнет поверхности. Однако в вязких магмах газы остаются запертыми в магме даже после того, как они выделились, образуя пузырьки внутри магмы. Эти пузырьки увеличиваются по мере приближения магмы к поверхности из-за падения давления, и магма существенно увеличивается. Этот факт дает вулканам, извергающим такой материал, тенденцию «взрываться», хотя вместо увеличения давления, связанного со взрывом, давление всегда уменьшается при вулканическом извержении. [3]
Как правило, эксплозивный криовулканизм обусловлен выделением летучих веществ, которые ранее были растворены в криомагме, аналогично тому, что происходит при эксплозивном силикатном вулканизме, наблюдаемом на Земле, что в основном и рассматривается ниже. [11]
Богатые кремнием магмы остывают под поверхностью, прежде чем извергаются. При этом из магмы выделяются пузырьки. По мере приближения магмы к поверхности пузырьки и, следовательно, магма увеличиваются в объеме. Возникающее давление в конечном итоге прорывает поверхность, и сброс давления приводит к выделению большего количества газа, что происходит взрывообразно. Газ может расширяться со скоростью в сотни метров в секунду, расширяясь вверх и наружу. По мере извержения цепная реакция заставляет магму выбрасываться со все большей и большей скоростью. [3]
Бурно расширяющийся газ рассеивает и разрушает магму, образуя коллоид газа и магмы, называемый вулканическим пеплом . Охлаждение газа в пепле по мере его расширения охлаждает фрагменты магмы, часто образуя крошечные стеклянные осколки, узнаваемые как части стенок бывших жидких пузырьков. В более жидких магмах стенки пузырьков могут успеть преобразоваться в сферические жидкие капли. Конечное состояние коллоидов сильно зависит от соотношения жидкости и газа. Бедные газом магмы в конечном итоге остывают в скалах с небольшими полостями, становясь везикулярной лавой . Богатые газом магмы остывают, образуя скалы с полостями, которые почти соприкасаются, со средней плотностью меньше, чем у воды, образуя пемзу . Между тем, другой материал может ускоряться вместе с газом, становясь вулканическими бомбами . Они могут перемещаться с такой большой энергией, что большие могут создавать кратеры, когда они ударяются о землю. [3]
Коллоид вулканического газа и магмы может образовываться как поток плотности, называемый пирокластическим потоком . Это происходит, когда извергнутый материал падает обратно на поверхность. Коллоид несколько разжижается газом, что позволяет ему распространяться. Пирокластические потоки часто могут преодолевать препятствия и опустошать человеческую жизнь. [3] Пирокластические потоки являются обычным явлением на взрывных вулканах на Земле. Пирокластические потоки были обнаружены на Венере, например, на вулканах Дионе Реджио . [19]
Фреатическое извержение может произойти, когда горячая вода под давлением теряет давление. Снижение давления снижает температуру кипения воды, поэтому при снижении давления вода внезапно закипает. [20] Или это может произойти, когда грунтовые воды внезапно нагреваются, внезапно превращаясь в пар. [21] Когда вода превращается в пар во время фреатического извержения, она расширяется со сверхзвуковой скоростью, до 1700 раз превышая свой первоначальный объем. Этого может быть достаточно, чтобы разрушить твердую породу и разбросать обломки породы на сотни метров. [22]
Фреатомагматическое извержение происходит, когда горячая магма вступает в контакт с водой, вызывая взрыв. [23]
Одним из механизмов взрывного криовулканизма является контакт криомагмы с клатратными гидратами . Клатратные гидраты, если подвергаются воздействию высоких температур, легко разлагаются. В статье 1982 года указывалось на возможность того, что образование сжатого газа при дестабилизации клатратных гидратов, контактирующих с теплой восходящей магмой, может привести к взрыву, который прорывается через поверхность, приводя к взрывному криовулканизму. [5]
Если трещина достигает поверхности ледяного тела и столб поднимающейся воды подвергается воздействию почти вакуума поверхности большинства ледяных тел, он немедленно начнет кипеть, потому что давление его паров намного больше, чем давление окружающей среды. Более того, любые летучие вещества в воде будут выделяться. Сочетание этих процессов высвобождает капли и пар, которые могут подниматься вверх по трещине, создавая шлейф. Считается, что это частично ответственно за ледяные шлейфы Энцелада . [5]
На Земле вулканы чаще всего встречаются там, где тектонические плиты расходятся или сходятся , и поскольку большинство границ плит Земли находятся под водой, большинство вулканов находятся под водой. Например, срединно-океанический хребет , такой как Срединно-Атлантический хребет , имеет вулканы, вызванные расходящимися тектоническими плитами, тогда как Тихоокеанское огненное кольцо имеет вулканы, вызванные сходящимися тектоническими плитами. Вулканы также могут образовываться там, где происходит растяжение и истончение плит земной коры, например, в Восточно-Африканском разломе и вулканическом поле Уэллс-Грей-Клируотер и рифте Рио-Гранде в Северной Америке. Было высказано предположение, что вулканизм вдали от границ плит возникает из-за подъема диапиров с границы ядро-мантия , находящейся на глубине 3000 километров (1900 миль) в недрах Земли. Это приводит к точечному вулканизму , примером которого является Гавайская горячая точка . Вулканы обычно не создаются там, где две тектонические плиты скользят мимо друг друга. В 1912–1952 годах в Северном полушарии исследования показывают, что в это время зимы были теплее из-за отсутствия крупных извержений. Эти исследования демонстрируют, как эти извержения могут вызывать изменения в атмосфере Земли. [24]
Крупные извержения могут влиять на температуру атмосферы, поскольку пепел и капли серной кислоты затмевают Солнце и охлаждают тропосферу Земли . Исторически крупные вулканические извержения сопровождались вулканическими зимами, которые вызывали катастрофический голод. [25]
На Луне нет крупных вулканов и текущей вулканической активности, хотя последние данные свидетельствуют о том, что она все еще может обладать частично расплавленным ядром. [26] Однако на Луне есть много вулканических особенностей, таких как моря [27] (темные пятна, видимые на Луне), борозды [28] и купола . [29]
Поверхность планеты Венера на 90% состоит из базальта , что указывает на то, что вулканизм сыграл важную роль в формировании ее поверхности. На планете могло произойти крупное глобальное событие по обновлению поверхности около 500 миллионов лет назад [30] , судя по тому, что ученые могут сказать по плотности ударных кратеров на поверхности. Потоки лавы широко распространены, а также встречаются формы вулканизма, не присутствующие на Земле. Изменения в атмосфере планеты и наблюдения за молниями были приписаны продолжающимся извержениям вулканов, хотя нет никаких подтверждений того, является ли Венера все еще вулканически активной. Однако радиолокационное зондирование зондом Magellan выявило доказательства сравнительно недавней вулканической активности на самом высоком вулкане Венеры Маат Монс в виде потоков пепла около вершины и на северном фланге. [31] Однако интерпретация потоков как потоков пепла была поставлена под сомнение. [32]
На Марсе есть несколько потухших вулканов , четыре из которых являются огромными щитовыми вулканами, намного больше, чем любой на Земле. Они включают Arsia Mons , Ascraeus Mons , Hecates Tholus , Olympus Mons и Pavonis Mons . Эти вулканы потухли много миллионов лет назад, [33] но европейский космический аппарат Mars Express обнаружил доказательства того, что вулканическая активность могла иметь место на Марсе и в недавнем прошлом. [33]
Спутник Юпитера Ио является самым вулканически активным объектом в Солнечной системе из-за приливного взаимодействия с Юпитером. Он покрыт вулканами, которые извергают серу , диоксид серы и силикатные породы, и в результате Ио постоянно обновляется. В Солнечной системе есть только две планеты, где вулканы можно легко увидеть из-за их высокой активности, Земля и Ио. [34] Его лавы являются самыми горячими из известных в Солнечной системе, с температурами, превышающими 1800 К (1500 °C). В феврале 2001 года на Ио произошло самое большое зарегистрированное извержение вулканов в Солнечной системе. [35]
Европа , самая маленькая из галилеевых лун Юпитера , также, по-видимому, имеет активную вулканическую систему, за исключением того, что ее вулканическая активность полностью представлена водой, которая замерзает в лед на холодной поверхности. Этот процесс известен как криовулканизм и, по-видимому, наиболее распространен на лунах внешних планет Солнечной системы . [36]
В 1989 году космический аппарат Voyager 2 наблюдал криовулканы (ледяные вулканы) на Тритоне , спутнике Нептуна , а в 2005 году зонд Cassini-Huygens сфотографировал фонтаны замороженных частиц, извергающихся из Энцелада , спутника Сатурна . [37] [38] Выбросы могут состоять из воды, жидкого азота , аммиака , пыли или метановых соединений. Cassini-Huygens также обнаружил доказательства наличия криовулкана, извергающего метан, на спутнике Сатурна Титане , который, как полагают, является значительным источником метана, обнаруженного в его атмосфере. [39] Предполагается, что криовулканизм может также присутствовать на объекте пояса Койпера Кваваре .
Исследование экзопланеты COROT -7b , проведенное в 2010 году и обнаруженное в результате транзита в 2009 году, показало, что приливное нагревание от звезды-хозяина, находящейся очень близко к планете, и соседних планет может вызывать интенсивную вулканическую активность, подобную той, что обнаружена на Ио. [40]
