Вулканические газы — это газы, выделяемые действующими (а иногда и спящими) вулканами . К ним относятся газы, запертые в полостях ( везикулах ) вулканических пород , растворенные или диссоциированные газы в магме и лаве или газы, исходящие из лавы, из вулканических кратеров или жерл. Вулканические газы также могут выделяться через грунтовые воды, нагретые в результате вулканического воздействия .
К источникам вулканических газов на Земле относятся:
Вещества, которые при нагревании могут переходить в газообразное состояние или выделять газы, называются летучими веществами.
Основными компонентами вулканических газов являются водяной пар (H 2 O), углекислый газ (CO 2 ), сера либо в виде диоксида серы (SO 2 ) (высокотемпературные вулканические газы), либо сероводород (H 2 S) (низкотемпературные). вулканические газы), азот , аргон , гелий , неон , метан , окись углерода и водород . Другими соединениями , обнаруженными в вулканических газах, являются кислород (метеорный) [ необходимо уточнение ] , хлористый водород , фтористый водород , бромистый водород , гексафторид серы , сульфид карбонила и органические соединения . Экзотические микроэлементы включают ртуть , [1] галогенуглероды (включая ХФУ ), [2] и радикалы оксидов галогенов . [3]
Содержание газов значительно варьируется от вулкана к вулкану, в зависимости от вулканической активности и тектонической обстановки. Водяной пар неизменно является наиболее распространенным вулканическим газом, обычно составляя более 60% от общего объема выбросов. На углекислый газ обычно приходится от 10 до 40% выбросов. [4]
Вулканы, расположенные на границах сходящихся плит , выделяют больше водяного пара и хлора , чем вулканы в горячих точках или на границах расходящихся плит . Это вызвано добавлением морской воды в магму, образовавшуюся в зонах субдукции . Вулканы на границе сходящейся плиты 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 границе горячих точек или расходящихся плит. [4]
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, давление окружающей среды снижается, что снижает растворимость растворенных летучих веществ. Как только растворимость упадет ниже концентрации летучих веществ, летучие вещества будут иметь тенденцию выходить из раствора внутри магмы (растворяться) и образовывать отдельную газовую фазу (магма перенасыщена летучими веществами).
Первоначально газ будет распределяться по магме в виде маленьких пузырьков, которые не могут быстро подняться через магму. По мере подъема магмы пузырьки растут за счет сочетания расширения за счет декомпрессии и роста, поскольку растворимость летучих веществ в магме еще больше снижается, вызывая выделение большего количества газа. В зависимости от вязкости магмы пузырьки могут начать подниматься сквозь магму и сливаться или оставаться относительно фиксированными на месте до тех пор, пока не начнут соединяться и образовывать непрерывно связанную сеть. В первом случае пузырьки могут подниматься сквозь магму и накапливаться на вертикальной поверхности, например, на «крыше» магматического очага. В вулканах с открытым путем к поверхности, например, Стромболи в Италии , пузыри могут достигать поверхности, и при их разрыве происходят небольшие взрывы. В последнем случае газ может быстро течь через сплошную проницаемую сеть к поверхности. Этот механизм использовался для объяснения активности вулкана Сантьягито, Санта-Мария , Гватемала [5] и вулкана Суфриер-Хиллз , Монтсеррат . [6] Если газ не может выйти из магмы достаточно быстро, он дробит магму на мелкие частицы пепла. Псевдоожиженный пепел имеет гораздо меньшее сопротивление движению, чем вязкая магма, поэтому ускоряется, вызывая дальнейшее расширение газов и ускорение смеси. Такая последовательность событий приводит к взрывному вулканизму. Возможность мягкого выхода газа (пассивные извержения) или нет (эксплозивные извержения) определяется общим содержанием летучих веществ в исходной магме и вязкостью магмы , которая контролируется ее составом.
Термин «дегазация закрытой системы» относится к случаю, когда газ и его родительская магма поднимаются вместе и находятся в равновесии друг с другом. Состав выбрасываемого газа находится в равновесии с составом магмы при давлении и температуре, при которых газ покидает систему. При дегазации в «открытой системе» газ покидает родительскую магму и поднимается вверх через вышележащую магму, не оставаясь в равновесии с этой магмой. Газ, высвобождаемый на поверхности, имеет состав, который представляет собой среднее значение массового потока магмы, растворенной 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 извержениях вулканов 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 извержений вулканов. Однако значительная часть выбросов вулканического газа происходит во время квазинепрерывных фаз покоя активного вулканизма.
Когда магматический газ, движущийся вверх, сталкивается с метеорной водой в водоносном горизонте , образуется пар. Скрытое магматическое тепло также может вызывать подъем метеорных вод в виде паровой фазы. Длительное взаимодействие этой горячей смеси с жидкостью и породой может выщелачивать компоненты из остывающей магматической породы, а также из вмещающей породы , вызывая объемные изменения и фазовые переходы, реакции и, таким образом, увеличение ионной силы просачивающейся вверх жидкости. Этот процесс также снижает pH жидкости . Охлаждение может вызвать разделение фаз и отложение минералов , что сопровождается сдвигом в сторону более восстановительных условий. При поверхностном проявлении таких гидротермальных систем низкотемпературные вулканические газы (<400 °С) выделяются либо в виде парогазовых смесей, либо в растворенном виде в горячих источниках . На дне океана такие горячие перенасыщенные гидротермальные жидкости образуют гигантские дымоходные конструкции, называемые черными курильщиками , в месте выброса в холодную морскую воду .
В течение геологического времени этот процесс гидротермального выщелачивания, изменения и/или повторного отложения минералов во вмещающих породах представляет собой эффективный процесс концентрации, в результате которого образуются определенные типы экономически ценных рудных месторождений.
Выделение газа может происходить путем адвекции через трещины или путем диффузной дегазации через большие площади проницаемого грунта в виде структур диффузной дегазации (ДДС). В местах адвективной потери газа осаждение серы и редких минералов образует залежи серы и небольшие серные дымоходы, называемые фумаролами . [7] Очень низкотемпературные (ниже 100 °C) фумарольные структуры также известны как сольфатары . Места холодной дегазации преимущественно углекислого газа называются мофетами . Горячие источники на вулканах часто содержат измеримое количество магматического газа в растворенной форме.
Современные глобальные выбросы вулканических газов в атмосферу можно разделить на эруптивные и неэруптивные. Хотя все виды вулканических газов выбрасываются в атмосферу, больше всего изучены выбросы CO 2 ( парникового газа ) и SO 2 .
Давно признано, что выбросы SO 2 при извержениях гораздо ниже , чем при пассивной дегазации. [8] [9] Фишер и др. (2019) подсчитали, что с 2005 по 2015 год выбросы SO 2 во время извержений составляли 2,6 тераграммов (Tg или 10 12 г или 0,907 гигатонн Гт) в год [10] и в периоды без извержений. пассивной дегазации составили 23,2 ± 2Тг 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 во время неэруптивной деятельности - 51,3 ± 5,7 Тг в год. [10] Таким образом, выбросы CO 2 во время извержений вулканов составляют менее 10% выбросов CO 2 , выделяющихся во время неизверженной вулканической активности.
Извержение горы Пинатубо ( VEI 6) на Филиппинах 15 июня 1991 г. привело к выбросу в общей сложности 18 ± 4 Тг SO 2 . [11] Столь крупные извержения VEI 6 редки и происходят только один раз в 50 – 100 лет. В результате извержения вулкана Эйяфьятлайокудль (VEI 4) в Исландии в 2010 году выбросы составили 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. , в период с 2006 по 2015 год при сжигании ископаемого топлива человеком и производстве цемента перерабатывалось 9,3 Гт углерода в год [13] , создавая до 34,1 Гт CO2 в год.
Некоторые недавние оценки вулканических выбросов CO 2 выше, чем у Fischer et al (2019). [10] По оценкам Burton et al. (2013) о 540 Тг CO 2 в год [14] и Werner et al. (2019) в размере 220 – 300 Тг CO 2 /год [12] учитывают диффузные выбросы CO 2 из вулканических регионов.
Вулканические газы были собраны и проанализированы еще в 1790 году Сципионом Брейслаком в Италии. [15] Состав вулканических газов зависит от движения магмы внутри вулкана. Поэтому резкие изменения газового состава часто предвещают изменение вулканической активности. Соответственно, значительная часть мониторинга опасностей вулканов предполагает регулярное измерение газообразных выбросов. Например, увеличение содержания CO 2 в газах Стромболи было приписано закачке свежей богатой летучими веществами магмы на глубину внутри системы. [16]
Вулканические газы можно обнаружить (измерить на месте) или отобрать пробы для дальнейшего анализа. Обнаружение вулканического газа может быть:
Диоксид серы (SO 2 ) сильно поглощает ультрафиолетовые волны и имеет низкие фоновые концентрации в атмосфере. Эти характеристики делают диоксид серы хорошей мишенью для мониторинга вулканического газа. Его можно обнаружить с помощью спутниковых инструментов, которые позволяют осуществлять глобальный мониторинг, а также наземных инструментов, таких как DOAS. Массивы DOAS размещаются вблизи некоторых хорошо контролируемых вулканов и используются для оценки потока выбрасываемого SO 2 . Система многокомпонентного 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 с помощью метода, включающего вакуумированную колбу с каустическим раствором, впервые использованного Робертом В. Бунзеном (1811–1899), а затем усовершенствованного немецким химиком Вернером Ф. Гиггенбахом (1937–1997), получившего название Бутылка Гиггенбаха . Другие методы включают сбор в вакуумированных пустых контейнерах, в проточных стеклянных трубках, в баллонах для газовой промывки (криогенные скрубберы), на пропитанных фильтр-пакетах и в трубках с твердым адсорбентом.
Аналитические методы для проб газа включают газовую хроматографию с обнаружением теплопроводности (TCD), пламенно-ионизационное обнаружение (FID) и масс-спектрометрию (GC-MS) для газов, а также различные влажные химические методы для растворенных веществ (например, ацидиметрическое титрование растворенного CO 2 ). и ионная хроматография на сульфат , хлорид , фторид ). Следы металлов, следы органики и изотопный состав обычно определяются различными масс-спектрометрическими методами.
Некоторые компоненты вулканических газов могут проявлять очень ранние признаки изменения условий на глубине, что делает их мощным инструментом для прогнозирования неизбежных беспорядков. При использовании в сочетании с данными мониторинга сейсмичности и деформаций корреляционный мониторинг приобретает большую эффективность. Мониторинг вулканического газа является стандартным инструментом любой вулканической обсерватории . К сожалению, для получения наиболее точных данных о составе по-прежнему требуются опасные кампании по отбору проб на местах. Однако в 1990-е годы методы дистанционного зондирования значительно продвинулись вперед. В проекте глубокой дегазации углерода под землей используется дистанционное зондирование Multi-GAS для постоянного мониторинга 9 вулканов.
Вулканические газы были непосредственной причиной примерно 3% всех смертей людей, связанных с вулканами, в период с 1900 по 1986 год. [4] Некоторые вулканические газы убивают кислотной коррозией ; другие убивают удушьем . Некоторые вулканические газы, включая диоксид серы, хлористый водород, сероводород и фтористый водород, вступают в реакцию с другими атмосферными частицами, образуя аэрозоли . [4]