stringtranslate.com

Вулканический газ

Вулканические газы, поступающие в атмосферу вместе с тефрой во время извержения вулкана Августин , Аляска , 2006 г.

Вулканические газы — это газы, выделяемые действующими (или, иногда, спящими) вулканами . К ним относятся газы, запертые в полостях ( везикулах ) в вулканических породах , растворенные или диссоциированные газы в магме и лаве , или газы, выделяющиеся из лавы, из вулканических кратеров или жерл. Вулканические газы также могут выделяться через грунтовые воды, нагретые вулканической деятельностью .

Источниками вулканических газов на Земле являются:

Вещества, которые могут становиться газообразными или выделять газы при нагревании, называются летучими веществами.

Состав

Рисунок, показывающий типичные модели выбросов углекислого газа вулканическими и магматическими системами.
Средние выбросы углекислого газа (CO 2 ) субаэральными вулканами по всему миру за период с 2005 по 2017 год
Дегазация в кратере на вершине Вильяррика , Чили

Основными компонентами вулканических газов являются водяной пар (H 2 O), диоксид углерода (CO 2 ), сера либо в виде диоксида серы (SO 2 ) (высокотемпературные вулканические газы) или сероводорода (H 2 S) (низкотемпературные вулканические газы), азот , аргон , гелий , неон , метан , оксид углерода и водород . Другие соединения, обнаруженные в вулканических газах, это кислород (метеорный) [ необходимо разъяснение ] , хлористый водород , фтористый водород , бромистый водород , гексафторид серы , карбонилсульфид и органические соединения . Экзотические следовые соединения включают ртуть , [1] галогенуглероды (включая ХФУ ), [2] и радикалы оксидов галогенов . [3]

Обилие газов значительно варьируется от вулкана к вулкану, в зависимости от вулканической активности и тектонической обстановки. Водяной пар постоянно является наиболее распространенным вулканическим газом, обычно составляя более 60% от общего объема выбросов. Углекислый газ обычно составляет от 10 до 40% выбросов. [4]

Вулканы, расположенные на конвергентных границах плит, выделяют больше водяного пара и хлора , чем вулканы в горячих точках или дивергентных границах плит. Это вызвано добавлением морской воды в магмы, образованные в зонах субдукции . Вулканы на конвергентных границах плит также имеют более высокие соотношения H 2 O/H 2 , H 2 O/CO 2 , CO 2 /He и N 2 /He, чем вулканы на горячих точках или дивергентных границах плит. [4]

Магматические газы и высокотемпературные вулканические газы

Магма содержит растворенные летучие компоненты , как описано выше. Растворимость различных летучих компонентов зависит от давления, температуры и состава магмы . По мере того, как магма поднимается к поверхности, окружающее давление уменьшается, что снижает растворимость растворенных летучих веществ. Как только растворимость падает ниже концентрации летучих веществ, летучие вещества будут стремиться выйти из раствора в магме (exsolve) и образовать отдельную газовую фазу (магма перенасыщена летучими веществами).

Газ изначально будет распределен по магме в виде небольших пузырьков, которые не могут быстро подняться через магму. По мере того, как магма поднимается, пузырьки растут за счет комбинации расширения за счет декомпрессии и роста, поскольку растворимость летучих веществ в магме еще больше уменьшается, что приводит к выделению большего количества газа. В зависимости от вязкости магмы пузырьки могут начать подниматься через магму и объединяться, или они остаются относительно неподвижными на месте, пока не начнут соединяться и образовывать непрерывно связанную сеть. В первом случае пузырьки могут подниматься через магму и накапливаться на вертикальной поверхности, например, на «крыше» магматической камеры. В вулканах с открытым путем к поверхности, например, Стромболи в Италии , пузырьки могут достигать поверхности, и когда они лопаются, происходят небольшие взрывы. Во втором случае газ может быстро течь через непрерывную проницаемую сеть к поверхности. Этот механизм использовался для объяснения активности вулканов Сантьягуито, Санта-Мария , Гватемала [5] и Суфриер-Хиллз , Монтсеррат . [6] Если газ не может достаточно быстро выйти из магмы, он разобьет магму на мелкие частицы пепла. Псевдоожиженный пепел имеет гораздо меньшее сопротивление движению, чем вязкая магма, поэтому ускоряется, вызывая дальнейшее расширение газов и ускорение смеси. Эта последовательность событий приводит к взрывному вулканизму. Может ли газ выйти мягко (пассивные извержения) или нет (взрывные извержения), определяется общим содержанием летучих веществ в исходной магме и вязкостью магмы , которая контролируется ее составом.

Термин «дегазация в закрытой системе» относится к случаю, когда газ и его материнская магма поднимаются вместе и в равновесии друг с другом. Состав выделяемого газа находится в равновесии с составом магмы при давлении и температуре, при которых газ покидает систему. При дегазации в «открытой системе» газ покидает свою материнскую магму и поднимается через вышележащую магму, не оставаясь в равновесии с этой магмой. Газ, выделяемый на поверхности, имеет состав, который является средним массовым расходом магмы, выделяющейся на различных глубинах, и не является репрезентативным для условий магмы на какой-либо одной глубине.

Расплавленная порода (магма или лава) вблизи атмосферы выделяет высокотемпературный вулканический газ (>400 °C). При взрывных вулканических извержениях внезапное выделение газов из магмы может вызвать быстрые движения расплавленной породы. Когда магма сталкивается с водой, морской водой, озерной водой или грунтовыми водами, она может быстро фрагментироваться. Быстрое расширение газов является движущим механизмом большинства взрывных вулканических извержений. Однако значительная часть выделения вулканического газа происходит во время квазинепрерывных спокойных фаз активного вулканизма.

Низкотемпературные вулканические газы и гидротермальные системы

Когда магматический газ, движущийся вверх, сталкивается с метеорной водой в водоносном горизонте , образуется пар. Скрытое магматическое тепло также может привести к подъему метеорных вод в виде паровой фазы. Длительное взаимодействие флюида и породы этой горячей смеси может выщелачивать компоненты из охлаждающейся магматической породы, а также вмещающей породы , вызывая изменения объема и фазовые переходы, реакции и, таким образом, увеличение ионной силы восходящей просачивающейся жидкости. Этот процесс также снижает pH жидкости . Охлаждение может вызвать разделение фаз и отложение минералов , сопровождающееся сдвигом в сторону более восстановительных условий. На поверхности таких гидротермальных систем низкотемпературные вулканические газы (<400 °C) либо выделяются в виде парогазовых смесей, либо в растворенной форме в горячих источниках . На дне океана такие горячие пересыщенные гидротермальные жидкости образуют гигантские структуры в виде дымоходов, называемые черными курильщиками , в точке выброса в холодную морскую воду .

На протяжении геологического времени этот процесс гидротермального выщелачивания, изменения и/или переотложения минералов во вмещающей породе представляет собой эффективный процесс концентрации, который приводит к образованию определенных типов экономически ценных рудных месторождений.

Невзрывоопасный выброс вулканического газа

Выделение газа может происходить путем адвекции через трещины или посредством диффузной дегазации через большие площади проницаемого грунта в виде диффузных дегазационных структур (DDS). В местах адвективной потери газа осаждение серы и редких минералов образует отложения серы и небольшие серные трубы, называемые фумаролами . [7] Очень низкотемпературные (ниже 100 °C) фумарольные структуры также известны как сольфатары . Места холодной дегазации преимущественно углекислого газа называются мофеттами . Горячие источники на вулканах часто показывают измеримое количество магматического газа в растворенной форме.

Текущие выбросы вулканических газов в атмосферу

Современные глобальные выбросы вулканических газов в атмосферу можно классифицировать как извержения и неизвержения. Хотя все виды вулканических газов выбрасываются в атмосферу, выбросы CO 2 ( парниковый газ ) и SO 2 получили наибольшее изучение.

Давно признано, что извержения вносят гораздо меньший вклад в общие выбросы SO 2 , чем пассивная дегазация. [8] [9] Фишер и др . (2019) подсчитали, что с 2005 по 2015 год выбросы SO 2 во время извержений составляли 2,6 тераграмма (Тг или 10 12 г или 0,907 гигатонн Гт) в год [10], а в периоды пассивной дегазации без извержений — 23,2 ± 2 Тг в год [10] За тот же временной интервал выбросы CO 2 вулканами во время извержений оценивались в 1,8 ± 0,9 Тг в год [10] , а в периоды без извержений — в 51,3 ± 5,7 Тг в год. [10] Таким образом, выбросы CO2 во время вулканических извержений составляют менее 10% от выбросов CO2 , выделяемых во время вулканической активности без извержений.

Извержение вулкана Пинатубо 15 июня 1991 года ( VEI 6) на Филиппинах привело к выбросу в общей сложности 18 ± 4 Тг SO 2 . [11] Такие крупные извержения VEI 6 редки и происходят только раз в 50–100 лет. Извержения Эйяфьятлайокудля (VEI 4) в Исландии в 2010 году привели к выбросу в общей сложности 5,1 Тг CO 2 . [12] Извержения VEI 4 происходят примерно раз в год.

Для сравнения, по оценкам Ле Кере, К. и др. , сжигание человеком ископаемого топлива и производство цемента ежегодно выбрасывали 9,3 Гт углерода в период с 2006 по 2015 гг. [13] , создавая до 34,1 Гт CO2 ежегодно.

Некоторые недавние оценки выбросов CO2 из вулканов выше , чем у Фишера и др. (2019). [10] Оценки Бертона и др. (2013) в 540 Тг CO2 / год [14] и Вернера и др. (2019) в 220–300 Тг CO2 / год [12] учитывают диффузные выбросы CO2 из вулканических регионов.

Зондирование, сбор и измерение

Вулканические газы были собраны и проанализированы еще в 1790 году Сципионе Брейслаком в Италии. [15] Состав вулканических газов зависит от движения магмы внутри вулкана. Поэтому внезапные изменения в составе газа часто предвещают изменение вулканической активности. Соответственно, большая часть мониторинга опасности вулканов включает в себя регулярные измерения газообразных выбросов. Например, увеличение содержания CO 2 в газах в Стромболи было приписано инъекции свежей, богатой летучими веществами магмы на глубине внутри системы. [16]

Вулканические газы могут быть обнаружены (измерены на месте) или взяты для дальнейшего анализа. Зондирование вулканических газов может быть:

Диоксид серы (SO 2 ) сильно поглощает в ультрафиолетовом диапазоне длин волн и имеет низкие фоновые концентрации в атмосфере. Эти характеристики делают диоксид серы хорошей целью для мониторинга вулканических газов. Его можно обнаружить с помощью спутниковых приборов, которые позволяют осуществлять глобальный мониторинг, и с помощью наземных приборов, таких как DOAS. Массивы DOAS размещаются вблизи некоторых хорошо контролируемых вулканов и используются для оценки потока испускаемого SO 2 . Многокомпонентная система газоанализатора (Multi-GAS) также используется для дистанционного измерения CO 2 , SO 2 и H 2 S. [17] Потоки других газов обычно оцениваются путем измерения соотношений различных газов в вулканическом шлейфе, например, с помощью FTIR, электрохимических датчиков на краю кратера вулкана или прямого отбора проб и умножения отношения интересующего газа к SO 2 на поток SO 2 .

Прямой отбор проб вулканического газа часто осуществляется методом, включающим вакуумированную колбу с едким раствором, впервые использованным Робертом В. Бунзеном (1811-1899) и позднее усовершенствованным немецким химиком Вернером Ф. Гиггенбахом (1937-1997), названным бутылкой Гиггенбаха . Другие методы включают сбор в вакуумированные пустые контейнеры, в проточные стеклянные трубки, в газопромывочные бутылки (криогенные скрубберы), на пропитанных фильтрах и на твердых адсорбционных трубках.

Аналитические методы для газовых проб включают газовую хроматографию с детектированием теплопроводности (TCD), пламенно-ионизационное детектирование (FID) и масс-спектрометрию (GC-MS) для газов, а также различные методы влажной химии для растворенных веществ (например, ацидиметрическое титрование для растворенного CO2 и ионная хроматография для сульфата , хлорида , фторида ). Следовой металлический, следовой органический и изотопный состав обычно определяется различными масс-спектрометрическими методами.

Вулканические газы и мониторинг вулканов

Определенные компоненты вулканических газов могут показывать очень ранние признаки изменения условий на глубине, что делает их мощным инструментом для прогнозирования надвигающихся беспорядков. При использовании в сочетании с данными мониторинга сейсмичности и деформации корреляционный мониторинг приобретает большую эффективность. Мониторинг вулканических газов является стандартным инструментом любой вулканологической обсерватории . К сожалению, самые точные данные о составе по-прежнему требуют опасных полевых кампаний по отбору проб. Однако методы дистанционного зондирования значительно продвинулись вперед в 1990-х годах. Проект по дегазации углерода из глубин Земли использует дистанционное зондирование Multi-GAS для постоянного мониторинга 9 вулканов.

Опасности

Вулканические газы были непосредственно ответственны примерно за 3% всех смертей людей, связанных с вулканами, между 1900 и 1986 годами. [4] Некоторые вулканические газы убивают кислотной коррозией ; другие убивают удушьем . Некоторые вулканические газы, включая диоксид серы, хлористый водород, сероводород и фтористый водород, реагируют с другими атмосферными частицами, образуя аэрозоли . [4]

Галерея

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Грасби, Стивен Э.; Им, Теодор Р. II.; Чэнь, Чжохэн; Инь, Руншэн; Ардакани, Омид Х. (сентябрь 2019 г.). «Ртуть как показатель вулканических выбросов в геологической летописи». Earth-Science Reviews . 196 : 102880. doi : 10.1016/j.earscirev.2019.102880. S2CID  197575240.
  2. ^ Джордан, Армин; Харниш, Йохен; Борчерс, Рейнхард; Ле Герн, Франсуа; Синохара, Хироши (4 февраля 2000 г.). «Вулканогенные галогенуглероды». Экологические науки и технологии . 34 (6): 1122–1124. дои : 10.1021/es990838q.
  3. ^ Керн, Кристоф; Лайонс, Джон Дж. (17 сентября 2018 г.). «Пространственное распределение оксидов галогенов в шлейфе вулкана Паган, Марианские острова». Geophysical Research Letters . 45 (18): 9588–9596. doi : 10.1029/2018GL079245 . S2CID  135335425.
  4. ^ abcd H. Sigurdsson et al. (2000) Энциклопедия вулканов , Сан-Диего, Academic Press
  5. ^ Холланд и др. (2011), Процессы дегазации во время роста лавового купола: выводы из лавового купола Сантьягуито, Гватемала , Журнал вулканологии и геотермальных исследований, т. 202, стр. 153-166
  6. ^ Хаутманн и др. (2014), Анализ поля деформации на Монтсеррате (Висконсин) как инструмент для оценки проницаемых путей потока в магматической системе вулкана Суфриер-Хиллз , Геохимия, Геофизика, Геосистемы, т. 15, стр. 676-690
  7. ^ Тролль, Валентин Р.; Хилтон, Дэвид Р.; Джолис, Эстер М.; Чедвик, Джейн П.; Блайт, Лара С.; Диган, Фрэнсис М.; Шварцкопф, Лотар М.; Циммер, Мартин (2012). «Выделение CO2 из земной коры во время извержения и землетрясения 2006 года на вулкане Мерапи, Индонезия». Geophysical Research Letters . 39 (11): n/a. Bibcode : 2012GeoRL..3911302T. doi : 10.1029/2012GL051307. ISSN  1944-8007. S2CID  128919762.
  8. ^ Берресхайм, Х.; Йешке, В. (1983). «Вклад вулканов в глобальный баланс серы в атмосфере». Журнал геофизических исследований . 88 (C6): 3732. Bibcode : 1983JGR....88.3732B. doi : 10.1029/JC088iC06p03732. ISSN  0148-0227.
  9. ^ Андрес, Р. Дж.; Касгнок, А. Д. (1998-10-20). «Усредненный по времени перечень субаэральных вулканических выбросов серы». Журнал геофизических исследований: Атмосферы . 103 (D19): 25251–25261. Bibcode : 1998JGR...10325251A. doi : 10.1029/98JD02091 .
  10. ^ abcde Фишер, Тобиас П.; Арельяно, Сантьяго; Карн, Саймон; Аюппа, Алессандро; Галле, Бо; Аллард, Патрик; Лопес, Тэрин; Синохара, Хироши; Келли, Питер; Вернер, Синтия; Карделлини, Карло (2019). «Выбросы CO2 и других летучих веществ из субаэральных вулканов мира». Научные отчеты . 9 (1): 18716. Бибкод : 2019NatSR...918716F. дои : 10.1038/s41598-019-54682-1. ISSN  2045-2322. ПМК 6904619 . ПМИД  31822683. 
  11. ^ Го, Сонг; Блют, Грегг Дж. С.; Роуз, Уильям И.; Уотсон, И. Мэтью; Прата, А. Дж. (2004). «Повторная оценка выбросов SO2 во время извержения вулкана Пинатубо 15 июня 1991 г. с использованием ультрафиолетовых и инфракрасных спутниковых датчиков». Геохимия, геофизика, геосистемы . 5 (4): н/д. Bibcode : 2004GGG.....5.4001G. doi : 10.1029/2003GC000654 .
  12. ^ ab Вернер, Синтия; Фишер, Тобиас П.; Айуппа, Алессандро; Эдмондс, Мари; Карделлини, Карло; Карн, Саймон; Чиодини, Джованни; Коттрелл, Элизабет; Бертон, Майк (2019-10-31), "Выбросы углекислого газа из субаэральных вулканических регионов", Deep Carbon , т. 2019, Cambridge University Press, стр. 188–236, Bibcode : 2019AGUFM.V24C..03W, doi : 10.1017/9781108677950.008 , ISBN 978-1-108-67795-0, S2CID  216584622
  13. ^ Ле Кере, Коринн; Эндрю, Робби М.; Канаделл, Хосеп Г.; Ситч, Стивен; Корсбаккен, Ян Ивар; Питерс, Глен П.; Мэннинг, Эндрю К.; Боден, Томас А.; Танс, Питер П.; Хоутон, Ричард А.; Килинг, Ральф Ф. (14 ноября 2016 г.). «Глобальный углеродный бюджет 2016». Данные науки о системе Земли . 8 (2): 605–649. Бибкод : 2016ESSD....8..605L. дои : 10.5194/essd-8-605-2016 . hdl : 10871/26418 . ISSN  1866-3516.
  14. ^ Бертон, Майкл Р.; Сойер, Джорджина М.; Граньери, Доменико (2013-12-31), "11. Глубокие выбросы углерода из вулканов", Carbon in Earth , Берлин, Бостон: De Gruyter, стр. 323–354, doi :10.1515/9781501508318-013, ISBN 978-1-5015-0831-8, получено 2020-09-10
  15. ^ Капуано, Ф.; Кавальки, Б.; Даволи, В.; Манзини, П. (1998). «Эвдиометрические измерения в конце XVIII века. Качество воздуха в Собачьей пещере из путешествия Яццаро ​​Спалланцани по Обеим Сицилиям». В Морелло, Н. (ред.). Вулканы и история . Генуя: Brigati. стр. 53–63.
  16. ^ Бертон и др. (2007) Состав магматического газа показывает глубину источника стромболианской эксплозивной активности, вызванной снарядами. Наука, том 317, стр. 227-230.
  17. ^ Aiuppa, A. (2005). "Химическое картирование фумарольного поля: кратер Ла Фосса, остров Вулкано (Эолийские острова, Италия)". Geophysical Research Letters . 32 (13): L13309. Bibcode : 2005GeoRL..3213309A. doi : 10.1029/2005GL023207. ISSN  0094-8276. S2CID  129307128.

Внешние ссылки