Щитовой вулкан — тип вулкана , названный так из-за своего низкого профиля, напоминающего щит, лежащий на земле. Он образуется в результате извержения высокотекучей (низкой вязкости ) лавы , которая распространяется дальше и образует более тонкие потоки, чем более вязкая лава, извергаемая стратовулканом . Повторные извержения приводят к постоянному накоплению широких пластов лавы, создавая характерную форму щитового вулкана.
Щитовые вулканы встречаются везде, где жидкая, низкокремнистая лава достигает поверхности каменистой планеты. Однако они наиболее характерны для вулканизма океанических островов, связанного с горячими точками или с континентальным рифтовым вулканизмом. [1] К ним относятся крупнейшие действующие вулканы на Земле, такие как Мауна-Лоа . Гигантские щитовые вулканы встречаются и на других планетах Солнечной системы , включая Олимп на Марсе [2] и Сапас на Венере . [3]
Термин «щитовой вулкан» происходит от немецкого термина Schildvulkan , введенного австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1888 году и к 1910 году калькированного на английский язык. [ 4 ] [5]
Щитовые вулканы отличаются от трех других основных вулканических типов — стратовулканов , лавовых куполов и шлаковых конусов — своей структурной формой, которая является следствием их особого магматического состава. Из этих четырех форм щитовые вулканы извергают наименее вязкую лаву. В то время как стратовулканы и лавовые купола являются продуктом высоковязких потоков, а шлаковые конусы состоят из взрывоопасной извергающейся тефры , щитовые вулканы являются продуктом мягких эффузивных извержений высокотекучей лавы, которые со временем создают широкий, пологий одноименный «щит». [6] [7] Хотя этот термин обычно применяется к базальтовым щитам, он также иногда применялся к более редким щитовидным вулканам различного магматического состава — в основном пирокластическим щитам , образованным накоплением фрагментарного материала от особенно мощных эксплозивных извержений, и более редким фельзитовым лавовым щитам, образованным необычно жидкими фельзитовыми магмами. Примерами пирокластических щитов являются вулкан Билли Митчелл в Папуа-Новой Гвинее и комплекс Пурико в Чили ; [8] [9] примером фельзитового щита является хребет Ильгачуз в Британской Колумбии , Канада. [10] Щитовые вулканы по происхождению похожи на обширные лавовые плато и базальтовые потоки, присутствующие в различных частях мира. Это эруптивные особенности, которые возникают вдоль линейных трещинных жерл и отличаются от щитовых вулканов отсутствием идентифицируемого первичного эруптивного центра. [6]
Активные щитовые вулканы испытывают почти непрерывную эруптивную активность в течение чрезвычайно длительных периодов времени, что приводит к постепенному наращиванию сооружений, которые могут достигать чрезвычайно больших размеров. [7] За исключением изверженных базальтов, зрелые щиты являются крупнейшими вулканическими образованиями на Земле. [11] Вершина крупнейшего субаэрального вулкана в мире, Мауна-Лоа , находится на высоте 4169 м (13 678 футов) над уровнем моря , а вулкан, ширина которого у основания составляет более 60 миль (100 км), по оценкам, содержит около 80 000 км 3 (19 000 кубических миль) базальта. [12] [7] Масса вулкана настолько велика, что он прогнул кору под собой еще на 8 км (5 миль). [13] Учитывая это оседание и высоту вулкана над морским дном , «истинная» высота Мауна-Лоа с начала его извержения составляет около 17 170 м (56 000 футов). [14] Для сравнения, высота Эвереста составляет 8 848 м (29 029 футов). [15] В 2013 году группа под руководством Уильяма Сейгера из Хьюстонского университета объявила об открытии массива Таму , огромного потухшего подводного вулкана, площадью примерно 450 на 650 км (280 на 400 миль), который затмевает все ранее известные вулканы на Земле. Однако размеры вулкана не были подтверждены. [16] Хотя изначально считалось, что массив Таму является щитовым вулканом, Сэнгер и его коллеги признали в 2019 году, что массив Таму не является щитовым вулканом. [17]
Щитовые вулканы имеют пологий (обычно 2°–3°) склон, который постепенно становится круче с высотой (достигая примерно 10°), прежде чем сгладиться около вершины, образуя общую выпуклую вверх форму. Эти характеристики склона коррелируют с возрастом формирующейся лавы, причем в случае Гавайской цепи крутизна увеличивается с возрастом, поскольку более поздние лавы, как правило, более щелочные, поэтому они более вязкие, с более густыми потоками, которые перемещаются на меньшее расстояние от жерл вершины. [18] По высоте они обычно составляют около одной двадцатой ширины. [7] Хотя общая форма «типичного» щитового вулкана мало варьируется по всему миру, существуют региональные различия в их размерах и морфологических характеристиках. Типичные щитовые вулканы, обнаруженные в Калифорнии и Орегоне, имеют диаметр от 3 до 4 миль (от 5 до 6 км) и высоту от 1500 до 2000 футов (от 500 до 600 м) [6] , в то время как щитовые вулканы в центральном мексиканском вулканическом поле Мичоакан-Гуанахуато имеют среднюю высоту 340 м (1100 футов) и ширину 4100 м (13 500 футов), со средним углом наклона 9,4° и средним объемом 1,7 км 3 (0,4 куб. мили). [19]
Рифтовые зоны являются распространенной особенностью щитовых вулканов, что редко встречается у других вулканических типов. Большая, децентрализованная форма гавайских вулканов по сравнению с их меньшими, симметричными исландскими собратьями [7] может быть отнесена к рифтовым извержениям. Трещинные извержения распространены на Гавайях; большинство гавайских извержений начинаются с так называемой «стены огня» вдоль основной линии разлома, прежде чем централизоваться в небольшом количестве точек. Это объясняет их асимметричную форму, тогда как исландские вулканы следуют схеме центральных извержений, в которых доминируют вершинные кальдеры , в результате чего лава распределяется более равномерно или симметрично. [12] [7] [20] [21]
Большая часть того, что в настоящее время известно о характере извержения щитовых вулканов, была почерпнута из исследований, проведенных на вулканах острова Гавайи , безусловно, наиболее интенсивно изучаемых из всех щитов из-за их научной доступности; [22] остров дал свое название медленным, эффузивным извержениям, типичным для щитового вулканизма, известным как гавайские извержения . [23] Эти извержения, наименее взрывоопасные из вулканических событий, характеризуются эффузивным выбросом высокотекучей базальтовой лавы с низким содержанием газа . Эти лавы перемещаются на гораздо большее расстояние, чем лавы других типов извержений, прежде чем затвердеть, образуя чрезвычайно широкие, но относительно тонкие магматические пласты, часто менее 1 м (3 фута) толщиной. [12] [7] [20] Небольшие объемы таких лав, наслоенных в течение длительных периодов времени, медленно формируют характерно низкий, широкий профиль зрелого щитового вулкана. [12]
Также в отличие от других типов извержений, гавайские извержения часто происходят в децентрализованных трещинных жерлах , начиная с больших «огненных завес», которые быстро затухают и концентрируются в определенных местах в рифтовых зонах вулкана. Между тем, извержения в центральных жерлах часто принимают форму больших фонтанов лавы (как непрерывных, так и спорадических), которые могут достигать высоты в сотни метров и более. Частицы из фонтанов лавы обычно охлаждаются в воздухе, прежде чем удариться о землю, что приводит к накоплению фрагментов шлакового шлака ; однако, когда воздух особенно густой с пирокластами , они не могут достаточно быстро остыть из-за окружающего тепла и ударяются о землю все еще горячими, накапливаясь в конусах брызг . Если скорость извержения достаточно высока, они могут даже образовывать потоки лавы, питаемые брызгами. Гавайские извержения часто чрезвычайно продолжительны; Пуу Оо , шлаковый конус Килауэа , извергался непрерывно с 3 января 1983 года по апрель 2018 года .
Потоки гавайских извержений можно разделить на два типа по их структурным характеристикам: лава пахоэхоэ , которая относительно гладкая и течет с тягучей текстурой, и потоки ʻaʻa , которые более плотные, более вязкие (и, следовательно, более медленные) и более блокированные. Эти потоки лавы могут быть где угодно от 2 до 20 м (от 10 до 70 футов) толщиной. Потоки лавы ʻAʻa движутся под давлением — частично затвердевший фронт потока становится круче из-за массы текущей лавы позади него, пока он не отломится, после чего общая масса позади него движется вперед. Хотя верхняя часть потока быстро остывает, расплавленное подбрюшье потока буферизуется затвердевающей породой над ним, и благодаря этому механизму потоки ʻaʻa могут поддерживать движение в течение длительных периодов времени. Потоки пахоэхоэ, напротив, движутся более обычными пластами или путем продвижения «ног» лавы в извилистых лавовых колоннах. Увеличение вязкости со стороны лавы или напряжения сдвига со стороны местного рельефа может трансформировать поток пахоэхоэ в поток ааа, но обратного никогда не происходит. [24]
Хотя большинство щитовых вулканов по объему почти полностью гавайские и базальтовые по происхождению, они редко бывают исключительно таковыми. Некоторые вулканы, такие как гора Врангель на Аляске и Кофре де Пероте в Мексике, демонстрируют достаточно большие колебания в своих исторических магматических изверженных характеристиках, чтобы поставить под сомнение строгое категорическое назначение; одно геологическое исследование де Пероте зашло так далеко, что предложило вместо этого термин «составной щитовидный вулкан». [25] Большинство зрелых щитовых вулканов имеют несколько шлаковых конусов на своих флангах, результаты выбросов тефры, обычных во время непрекращающейся активности, и маркеры нынешних и бывших активных участков на вулкане. [11] [20] Примером таких паразитических конусов является Пуу Оо на Килауэа [21] — непрерывная активность, продолжающаяся с 1983 года, привела к образованию конуса высотой 2290 футов (698 м) на месте одного из самых продолжительных рифтовых извержений в известной истории. [26]
Гавайские щитовые вулканы не расположены вблизи границ плит ; вулканическая активность этой цепи островов распределяется движением океанической плиты над подъемом магмы, известной как горячая точка . На протяжении миллионов лет тектоническое движение, которое перемещает континенты, также создает длинные вулканические следы по морскому дну. Гавайские и Галапагосские щиты, а также другие щиты горячих точек, подобные им, построены из океанического островного базальта. Их лавы характеризуются высоким содержанием натрия , калия и алюминия . [27]
Характерные черты щитового вулканизма включают лавовые трубки . [28] Лавовые трубки — это похожие на пещеры вулканические прямые, образованные затвердеванием наложенной лавы. Эти структуры способствуют дальнейшему распространению лавы, поскольку стенки трубки изолируют лаву внутри. [29] Лавовые трубки могут составлять большую часть активности щитового вулкана; например, по оценкам, 58% лавы, образующей Килауэа, поступает из лавовых трубок. [28]
В некоторых извержениях щитовых вулканов базальтовая лава изливается из длинной трещины вместо центрального жерла и покрывает сельскую местность длинной полосой вулканического материала в виде широкого плато . Плато этого типа существуют в Исландии, Вашингтоне, Орегоне и Айдахо; наиболее заметные из них расположены вдоль реки Снейк в Айдахо и реки Колумбия в Вашингтоне и Орегоне, где, по оценкам, их толщина составляет более 1 мили (2 км). [12]
Кальдеры являются обычным явлением на щитовых вулканах. Они формируются и перестраиваются в течение жизни вулкана. Длительные периоды извержений формируют шлаковые конусы, которые затем со временем разрушаются, образуя кальдеры. Кальдеры часто заполняются прогрессивными извержениями или образуются в другом месте, и этот цикл разрушения и регенерации происходит в течение всей жизни вулкана. [11]
Взаимодействие воды и лавы в щитовых вулканах может привести к тому, что некоторые извержения станут гидровулканическими . Эти взрывные извержения резко отличаются от обычной активности щитовых вулканов [11] и особенно распространены в связанных с водой вулканах Гавайских островов . [20]
Щитовые вулканы встречаются по всему миру. Они могут образовываться над горячими точками (точками, где магма из-под поверхности поднимается), такими как цепь подводных гор Гавайско-Император и Галапагосские острова , или над более традиционными рифтовыми зонами, такими как Исландские щиты и щитовые вулканы Восточной Африки. Хотя щитовые вулканы обычно не связаны с субдукцией , они могут возникать над зонами субдукции. Многие примеры найдены в Калифорнии и Орегоне, включая Проспект-Пик в Национальном вулканическом парке Лассен , а также Пеликан-Бьютт и кратер Белкнап в Орегоне. Многие щитовые вулканы находятся в океанических бассейнах , например, Килауэа на Гавайях, хотя их можно найти и внутри страны — одним из примеров является Восточная Африка. [30]
Самая большая и самая известная цепь щитовых вулканов в мире — это цепь подводных гор Гавайско-Императорская, цепь горячих точек вулканов в Тихом океане. Вулканы следуют четкой эволюционной схеме роста и смерти. [31] Цепь содержит по крайней мере 43 крупных вулкана, а подводная гора Мэйдзи на ее конечной точке около Курило-Камчатского желоба имеет возраст 85 миллионов лет. [32]
Самая молодая часть цепи — Гавайи, где вулканы характеризуются частыми рифтовыми извержениями, их большими размерами (тысячи км3 в объеме) и их грубой, децентрализованной формой. Рифтовые зоны являются заметной особенностью этих вулканов и объясняют их, казалось бы, случайную вулканическую структуру. [7] Они подпитываются движением Тихоокеанской плиты над горячей точкой Гавайев и образуют длинную цепь вулканов, атоллов и подводных гор длиной 2600 км (1616 миль) с общим объемом более 750 000 км3 ( 179 935 кубических миль). [33]
Цепь включает Мауна-Лоа, щитовой вулкан, который возвышается на 4170 м (13 680 футов) над уровнем моря и достигает еще 13 км (8 миль) ниже уровня воды и в земной коре, примерно 80 000 км 3 (19 000 кубических миль) горной породы. [28] Килауэа , еще один гавайский щитовой вулкан, является одним из самых активных вулканов на Земле, его последнее извержение произошло в 2021 году. [12]
Галапагосские острова — это изолированный комплекс вулканов, состоящий из щитовых вулканов и лавовых плато, примерно в 1100 км (680 миль) к западу от Эквадора. Они движимы Галапагосской горячей точкой и имеют возраст от 4,2 миллиона до 700 000 лет. [27] Самый большой остров, Исабела , состоит из шести сросшихся щитовых вулканов, каждый из которых очерчен большой вершинной кальдерой. Эспаньола , самый старый остров, и Фернандина , самый молодой, также являются щитовыми вулканами, как и большинство других островов в цепи. [34] [35] [36] Галапагосские острова расположены на большом лавовом плато, известном как Галапагосская платформа. Эта платформа создает мелководье глубиной от 360 до 900 м (от 1181 до 2953 футов) у основания островов, которые простираются на 174 мили (280 км) в диаметре. [37] Со времени визита Чарльза Дарвина на острова в 1835 году во время второго плавания HMS Beagle на островах было зафиксировано более 60 извержений шести различных щитовых вулканов. [34] [36] Из 21 возникшего вулкана 13 считаются действующими. [27]
Серро Асуль — щитовой вулкан на юго-западе острова Изабела, один из самых активных на Галапагосах, последнее извержение произошло в мае-июне 2008 года. В Институте геофизики Национальной политехнической школы в Кито работает международная группа сейсмологов и вулканологов [38], в обязанности которых входит мониторинг многочисленных действующих вулканов Эквадора в Андском вулканическом поясе и на Галапагосских островах. Ла Кумбре — действующий щитовой вулкан на острове Фернандина, извергающийся с 11 апреля 2009 года. [39]
Галапагосские острова геологически молоды для такой большой цепи, и рисунок их рифтовых зон следует одному из двух трендов: один северо-северо-западный и один восточно-западный. Состав лав Галапагосских щитов поразительно похож на состав гавайских вулканов. Любопытно, что они не образуют ту же вулканическую «линию», которая ассоциируется с большинством горячих точек. Они не одиноки в этом отношении; цепь подводных гор Кобб-Эйкельберг в северной части Тихого океана является еще одним примером такой очерченной цепи. Кроме того, нет четкой картины возраста между вулканами, что предполагает сложную, нерегулярную картину создания. То, как были образованы острова, остается геологической загадкой, хотя было предложено несколько теорий. [40]
Расположенная над Срединно-Атлантическим хребтом , расходящейся границей тектонических плит в середине Атлантического океана, Исландия является местом расположения около 130 вулканов различных типов. [21] Исландские щитовые вулканы, как правило, имеют голоценовый возраст, от 5000 до 10 000 лет. Вулканы также очень узко распределены, встречаясь в двух полосах в Западной и Северной вулканических зонах. Как и гавайские вулканы, их формирование изначально начинается с нескольких центров извержений, прежде чем централизоваться и сконцентрироваться в одной точке. Затем формируется главный щит, погребающий более мелкие, образованные ранними извержениями, вместе со своей лавой. [37]
Исландские щиты в основном небольшие (~15 км 3 (4 куб. мили)), симметричные (хотя на это может влиять рельеф поверхности) и характеризуются извержениями из вершинных кальдер. [37] Они состоят либо из толеитового оливина , либо из пикритового базальта . Толеитовые щиты, как правило, шире и мельче пикритовых щитов. [41] Они не следуют схеме роста и разрушения кальдеры, как другие щитовые вулканы; кальдера может образовываться, но она, как правило, не исчезает. [7] [37]
Горы Бингёль — один из щитовых вулканов Турции .
В Восточной Африке вулканическая активность вызвана развитием Восточно-Африканского разлома и близлежащими горячими точками. Некоторые вулканы взаимодействуют с обоими. Щитовые вулканы находятся вблизи разлома и у побережья Африки, хотя стратовулканы встречаются чаще. Хотя он мало изучен, тот факт, что все его вулканы имеют голоценовый возраст, отражает, насколько молод вулканический центр. Одной из интересных характеристик восточноафриканского вулканизма является склонность к образованию лавовых озер ; эти полупостоянные лавовые тела, чрезвычайно редкие в других местах, образуются примерно в 9% африканских извержений. [42]
Самый активный щитовой вулкан в Африке — Ньямурагира . Извержения щитового вулкана обычно сосредоточены в большой вершинной кальдере или в многочисленных трещинах и шлаковых конусах на склонах вулкана. Потоки лавы последнего столетия простираются вниз по склонам более чем на 30 км (19 миль) от вершины, достигая озера Киву . Эрта Але в Эфиопии — еще один активный щитовой вулкан и одно из немногих мест в мире с постоянным лавовым озером, которое было активным по крайней мере с 1967 года, а возможно, и с 1906 года. [42] Другие вулканические центры включают Мененгаи , огромную щитовую кальдеру, [43] и гору Марсабит в Кении.
Щитовые вулканы не ограничиваются Землей; они были обнаружены на Марсе , Венере и спутнике Юпитера , Ио . [44]
Щитовые вулканы Марса очень похожи на щитовые вулканы на Земле. На обеих планетах они имеют пологие склоны, обрушающиеся кратеры вдоль своей центральной структуры и построены из очень жидкой лавы. Вулканические особенности на Марсе наблюдались задолго до того, как они были впервые подробно изучены во время миссии Viking 1976–1979 годов . Основное различие между вулканами Марса и Земли заключается в размерах; марсианские вулканы имеют размеры до 14 миль (23 км) в высоту и 370 миль (595 км) в диаметре, что намного больше, чем гавайские щиты высотой 6 миль (10 км), шириной 74 мили (119 км). [45] [46] [47] Самый высокий из них, гора Олимп , является самой высокой известной горой на любой планете Солнечной системы.
На Венере есть более 150 щитовых вулканов , которые гораздо более плоские и имеют большую площадь поверхности, чем те, что есть на Земле, некоторые имеют диаметр более 700 км (430 миль). [48] Хотя большинство из них давно потухли, было высказано предположение, основанное на наблюдениях космического корабля Venus Express , что многие из них все еще могут быть активными. [49]
Медиа, связанные с щитовыми вулканами на Wikimedia Commons
