Wulkany
Potężne wybuchy wulkanów wstrząsają skorupą ziemską.
Pomiędzy sztywnymi, najstarszymi częściami skorupy ziemskiej rozpościerają się rozległe obszary tzw. stref mobilnych. W ich obrębie dochodzi na całym globie do intensywnego wulkanizmu.
Strefy mobilne skorupy ziemskiej są zbudowane ze skał, które pod wpływem wysokich temperatur, przy dużym ciśnieniu, ulegają przeobrażeniu. Te tzw. skały wysokometamorficzne, powodują przekształcenie skorupy ziemskiej, która jest jeszcze ciągle cienka i daje się łatwo deformować.
Takie przekształcenie strukturalne spowodowane są współdziałaniem trzech sił:
- uderzenia dużych meteorytów
- reakcje jądrowe, które dzięki nagromadzeniu pierwiastków promieniotwórczych dostarczają znacznej energii cieplnej
- rozpalonego materiału płaszcza Ziemi.
Ostateczne wyjaśnienie przyczyn powstania prądów w obrębie płaszcza Ziemi jest wciąż kwestią dyskusyjną; zapewne działa tu kilka czynników:
- konwencja cieplna, wywołująca prądy wznoszące na skutek różnicy temperatur
- siła grawitacji, która powoduje oddzielenie lżejszych składników stopu magmowego
- być może, również siły geomagnetyczne.
Tam, gdzie skorupa tworzy szczeliny, wybuchają duże ilości rozżarzonej, płynnej magmy. Odbywa się to na dnach oceanów, ponieważ strefy mobilne występują pomiędzy kratonami lądowymi. Wydobywające się lawy różnią się składem od wyjściowego materiału magmowego płynnego płaszcza Ziemi. Składają się one przeważnie z materiału lekkiego. Lawy te są zazwyczaj zasadowe i rozprzestrzeniają się szerokimi pasami na dnie morskim, wokół szczelin skorupy ziemskiej. W innych warunkach zastygają w postaci potoków lawowych, spływających z wulkanów kontynentalnych.
Należy pamiętać, że w głębokim morze panuje duże ciśnienie, a ponadto płynna masa lawowa zastyga bardzo powoli, gdyż woda jest dobrym izolatorem ciepła, zwłaszcza , że wokół rozpalonej masy tworzy się płaszcz ochronny w postaci pary. Tak, więc wokół głębokich szczelin skorupy ziemskiej, powstają łańcuchy wysp wulkanicznych. Istniejące na nich góry ogniste wciąż wypluwają nowy materiał wulkaniczny. Wydzielają się przy tym ogromne ilości gazów. Nie zmieniają one istotnie składu praatmosfery, gdyż jest ona złożona ciągle z tych samych elementów. Oprócz pary wodnej (H20) występują w niej: tlenek węgla (CO2), pary kwasu solnego (HCl), chloru (Cl2), niewielkie ilości azotu (N2), ślady siarkowodoru (H2S), dwutlenku siarki (SO2), kwasu fluorowodorowego (HF), wodoru (H2), metanu (CH4), amoniaku (NH3) i gazu szlachetnego argonu (Ar). Wraz z powstaniem łańcuchów wysp wulkanicznych, rozpoczyna się ich degradacja przez wietrzenie. Erozja morska i gwałtowne burze kruszą młodą skałę, a jednocześnie kwaśna morska woda atakuje chemiczne zasadowe wulkanity.
Silny wulkanizm na wielu obszarach Ziemi.
W wielu rejonach Ziemi działa silny wulkanizm, a zwłaszcza zjawiska plutoniczne. Podczas wylewów wulkanicznych stopione i gorące masy skalne wydostają się na powierzchnię Ziemi w postaci lawy, zaś w procesach plutonicznych zastygają one we wnętrzu skorupy ziemskiej jako tzw. plutony. Wulkanizm rozwija się w strefach głębokich pęknięć skorupy ziemskiej. Wyróżnia się dwa typy wulkanizmu:
- w wydźwigniętych strefach łańcuchów górskich przeważa wulkanizm silnie eksplozyjny.
- Na skonsolidowanych, starych cokołach i na dnie morskim dominuje wulkanizm cechujący się spokojnym wypływem rzadkiej lawy.
Przyczyną tej różnicy są dwa różne typy magmy. Tzw. magma pierwotna znajduje się bezpośrednio pod skorupą. Jest zasadowa (tzw. uboga w SiO2) i bardzo gorąca. Magma wtórna powstaje w wyniku stopienia osadów i granitowej skorupy ziemskiej podczas wznoszenia się magmy pierwotnej. Może być też mieszaniną magmy pierwotnej i produktów stopienia. Już spadek temperatury o 500C powoduje tysiąckrotny wzrost gęstości magmy. Z rzadkiej lawy gazy uwalnianie wskutek spadku ciśnienia mogą z łatwością uchodzić. Inaczej jest z lawą gęstą, z której gazy nie mogą tak łatwo wydostać się na powierzchnię. Taka lawa zwykle nie rozlewa się szeroko, jednak gaz może rozerwać fragmenty wulkanu, pogruchotać je, a nawet rozdrobnić w pył.
Typ magmy również znacznie wpływa niemal jak woda, tworząc kaskady i falujące jeziora lawowe. Szczeliny z czasem zatykają się i lawa wypływa wtedy tylko w niektórych miejscach. Z takich kominów lawa płynie promieniście na odległość dziesiątków kilometrów i z wolna tworzy płaski, czyli wulkan tarczowy. W wyniku wulkanizmu bazaltowego gromadzi się niewiele rozdrobnionego materiału skalnego. Jest to wulkanizm „typu hawajskiego”. Skrajne przeciwieństwo stanowi „typ Stromboli”, charakteryzujący się dużą eksplozyjnością, spowodowaną gęstością lawy. Wulkanizm jest obecny w świecie współczesnym. W strukturze Międzynarodowej Unii Geodezji i Geofizyki działa Asocjacja Wulkanologii, nauki o wulkanach.
Lawy pędzące z prędkością huraganu.
W przypadku law kwaśnych, skłonnych do tworzenia pumeksu, może zdarzyć się, że ciśnienie wewnętrzne rozsadza lawę na rozżarzone kropelki, unoszące się w gorącym gazie o temperaturze od 900 do 10000C. Gwałtowe przejścia z bogatej w gaz cieczy w postać gazu obciążanego wspomnianymi kropelkami zmniejsza od razu lepkość o współczynnik wynoszący od 1012 do 1015. masa staje się od 100 do 10000 razy bardziej płynna od wody i jest z tego powodu niesłychanie ruchliwa. W postaci „chmury gorejącej” pokrywa ona z prędkością huraganu setki kilometrów kwadratowych terenu
Z ognistych szczelin tryskają fontanny lawy
Wielkie pola lawy tworzą się często z mało lepkich, płynnych magm, wypływających ze „szczelin ognistych” w wyniku erupcji linearnej. Zdarza się, że całymi dniami liczne, gęsto rozmieszczone fontanny lawy wytryskują na wysokość kilkudziesięciu metrów ze szczelin o długości 20, 30 lub więcej kilometrów. Wydobywać się z nich można wiele kilometrów sześciennych lawy. Erupcje linearne pochodzą z pęknięć, które przecinają skorupę ziemską i mają połączenie ze znajdującą się poniżej magmą. W pobliżu nich mogą powstawać hornity – małe, otoczone spieczoną szlaką stożki erupcyjne, wyglądające jak kominy. Powstają one wówczas, gdy zawierające wodę osady w skorupie ziemskiej rozgrzeją się i para wodna eksplozyjnie przebija się przez pokrywę lawy.
Potężny wulkan we wschodniej Szkocji.
W pobliżu Edynburga (Szkocja) czynny jest potężny wulkan. Podczas licznych wybuchów dochodzi czasem do wypływu wielkich mas lawy bazaltowej. Przy jednym ze znaczniejszych napływów magmy, w pobliża komina zatrzymały się potężne masy bazaltu, które pod pokrywą luźnego materiału (tuf), bardzo wolno, od zewnątrz ku środkowi, ochładzały się krzepły. W wyniku kurczenia się powstały spękania, dzielące skałę na przylegające do siebie słupy o wielobocznym przekroju (tzw. cios słupowy). Po erozji otaczającego płaszcza tufowego powstała wyraźnie rysująca się w krajobrazie, potężna góra Artur’s Seat, zbudowana z licznych, najczęściej pięcio- lub sześciograniastych kolumn bazaltowych. Blisko powierzchni, gdzie oziębienia przebiegały szybciej, kolumny są często podzielone spękaniami równoległymi do niej. Podobne struktury tworzą się też w trzeciorzędzie np. w północnej Irlandii, i w naszych Sudetach (np. Wilcza Góra w Złotoryi).
Wylewy bazaltowe pokrywają ląd.
Od dolnego triasu na obszarach geosynkliny, a zwłaszcza na jej obrzeżach, nasilają się procesy wulkaniczne, prowadzące do stopniowego powstawania potężnych i rozległych powierzchni, pokrytych wylewami bazaltowymi. Obserwuje się to przede wszystkim na Syberii, w Ameryce i w Afryce. Leżący u podstaw tego zjawiska typ wulkanizmu polega na erupcji linearnej. W tym przypadku nie chodzi o działalność pojedynczych stożków wulkanicznych, lecz o wypływanie dość rzadkiej lawy ze szczelin w skorupie ziemskiej, często liczących wiele kilometrów długości. W niektórych jednak rejonach Ziemi mają miejsca tysiące takich wylewnych erupcji linearnych, jedna po drugiej. W taki sposób tworzą się pokrywy lawy o długości od 2000 do 3000 km i miąższości dochodzącej nierzadko do 3000 m. Oprócz niezliczonych potoków lawy, nakładają się na siebie, są również żyły skał magmowych, czyli sile, zakrzepłe zwykle między dwiema warstwami skalnymi. Powierzchnie bazaltowe nazywane są bazaltami płytowymi, potokowymi lub trapowymi (z uwagi na ich schodkowe ukształtowanie).
Bazalty płytowe pokrywają wielkie obszary lądowe.
Na półkuli południowej dochodzi stale do wylewania się na powierzchnię ogromnych mas lawy, co wywołane jest nasuwaniem się na siebie kontynentów Gondwany. Wskutek tego tworzą się bazalty płytowe lub pokrywowe, które zalegają w południowobrazylijskim dorzeczu rzeki Parany na powierzchni 1 mln km2 i na wiele mniejszych obszarach w dorzeczu Amazonki.
Procesy wulkaniczne zachodzą etapami w ciągu milionów lat, zawsze według prawie niezmienionego schematu. Najpierw podczas gwałtownego trzęsienia Ziemi dochodzi do powstania szczeliny. W wielu miejscach przebijają się gazy wulkaniczne i oczyszczają przy tym kominy wulkanów. Z tych kominów wypływają potężne ilości płynnej lawy, której towarzyszą wybuchy. Zalewają one rozległe obszary, a następnie zastygają w postaci zwartych pokryw bazaltowych. W tej aktywności należy dostrzegać punkt szczytowy tzw. efuzyjnego wulkanizmu. Bezpośrednio po wylewie lawy we wnętrzu Ziemi wskutek redukcji ciśnienia dochodzi do wzmożonego odgazowania.
Przejawy ożywionego wulkanizmu.
Na znacznych obszarach Ziemi dochodzi do gwałtownych wybuchów wulkanów. Jest to uwarunkowane przede wszystkim szybkim dryfem kontynentów i związanym z tym zamknięciem systemu „Pramorza Śródziemnego” (Tetydy) oraz wzmagającym się rozprzestrzenianiem dna oceanów.
Obszar 600 000 km2 w północno-zachodniej Europie pokryty jest bazaltowymi tufami bazaltowymi. Centra wybuchów leżą zapewne na obszarze Skagerraku i zachodniej Szkocji. Wulkanizm przejawia się również w centralnej Francji, w Niemczech, na Węgrzech i w Słowacji, a także w południowo-wschodniej Azji i na Archipelagu Malajskim. Działalność wulkaniczna obejmuje również Zatokę Kalifornijską. W Afryce – szczególnie w Etiopii i Kenii – dochodzi do potężnych wylewów bazaltów płytowych.
Wulkany mieszane z lawy i popiołu.
Obok częstych wylewów bazaltów płytowych przejawem wulkanizmu w trzeciorzędzie są również olbrzymie masywy tzw. wulkanów mieszanych. Przez wulkany mieszane rozumie się góry wulkaniczne poligeniczne, czyli powstałe w wyniku różnorodnych mechanizmów wybuchu. Są one zbudowane na przemian z potoków lawy i wyrzuconego materiału sypkiego (popiołu). Najprostszą formą wulkanu mieszanego jest góra stożkowa, posiadająca na swym szczycie krater, z którego wydobywa się lawy i popiół, wyrzucane z ogniska magmowego. Gdy taka góra wyrośnie zbyt wysoko, przez co przewód centralny staje się za długi, załamuje się on i ulega zaczopowaniu. Jeżeli następny wybuch nie udrożni przewodu całą góra unosi się, a w połowie góry lub nawet u jej podnóża powstają pęknięcia, przez które gorąca lawa wydobywa się na zewnątrz. Również główne kratery wulkanów mieszanych często zmieniają swój wygląd. Silne wybuchy eksplozyjne rozszerzają się i pogłębiają kratery, natomiast późniejsze spokojne wypływy lawy, wyrzuty żużlu i zapadające się ściany kraterów ponownie wypełniają je, a w centrum nawet przewyższają. Wybuchy szczególnie eksplozyjne mogą spowodować, że centralna część wulkanu traci swoje oparcie i zapada się w powstała pustkę, często bardzo dużą. Tego rodzaje kratery zapadnięte w formie kotła nazywane są kalderami.
Dalszy ciąg trzeciorzędowego wulkanizmu w Europie.
Wulkanizm dolnego plejstocenu ogranicza się w zasadzie do obszarów wulkanicznych, aktywnych również obecnie, charakteryzujących się ruchami w obrębie skorupy ziemskiej. Wulkanizm trzeciorzędu pozostaje w związku z orogenezą alpejską, sięga jeszcze daleko w plejstocen. Z wulkanizmem wiążą się trzęsienia Ziemi, znacznie częstsze w eurazjatyckim pasie górskim i strefach brzeżnych Pacyfiku. Wulkanizm jest przeważnie mało eksplozyjny. Jest to charakterystyczne dla procesów magmowych w końcowej fazie większych orogenez. Procesy te zachodzą w pewnej określonej kolejności: w fazie geosynklinalnej wydobywa się spokojnie wypływająca, mało lepka magma zasadowa. W czasie fałdowania występuje tak zwany plutonizm tektoniczny: lepkie, kwaśne magmy wdzierają się przez szczeliny w głębokie regiony skorupy ziemskiej i tworzą tam po części wielkie ogniska magmowe. W czasie głównej fazy górotwórczej (orogenezy) te lepkie, kwaśne magmy docierają do powierzchni Ziemi. Wybuchy wulkanów są silnie eksplozyjne. W późnej (końcowej) fazie fałdowań ponownie wydobywa się magma mało lepka, tym razem zasadowa.
Wulkany wciąż aktywne.
Wulkanizm, rozwinięty w trzeciorzędzie, istnieje na wielu obszarach do dnia dzisiejszego. Szczególnie bogate w wulkany są następujące strefy Ziemi:
- pasma górskie Andów i północnoamerykańskich Kordylierów z bardzo eksplozyjnymi wulkanami
- południowe Włochy z wulkanami o średniej eksplozyjności
- afrykańskie rozłamy z działalnością wulkaniczną zarówno średnioeksplozywną, jak i spokojną, wylewną (efuzywną)
- wyspy wulkaniczne wzdłuż grzbietu środkowo-atlantyckiego o bardzo zróżnicowanych mechanizmach wybuchu
- wyspy środkowego Pacyfiku z niemal wyłącznie wylewnym wulkanizmem
- obszar Oceanu Indyjskiego z wulkanizmem mieszanym.
Z wulkanów na Ziemi wydobywa się od XVI wieku w ciągu każdego stulecia średnio 16 km3 lawy i 78 km3 materiału luźnego; uwalniania zostaje przy tym olbrzymia ilość energii. Wybuch Krakatau w 1883 r. wyzwolił ogromną energię, która zniszczyła przesmyk Sundajski, a 5 mld m3 materiału zostało wyrzucone w powietrze. Sądzi się, że erupcja wulkanu Bezimiannyj na Kamczatce w 1956 r. uwolniła jeszcze większą energię niż wybuch Krakatau.
Jednym wulkanów, który jest aktywny do dnia dzisiejszego jest Etna. 14 maja 1983r. o godz. 4.00 Etna przy użyciu 400 kg materiałów wybuchowych została otwarta 15-metrowa szczelina, przez którą skierowano lawę do kanału wydrążonego przez buldożer. Był to pierwszy tego rodzaju eksperyment na świecie. Już 28 marca potok lawy wolno i nieubłaganie spływał w stronę miasteczka Belpasso oraz wiosek Nicolosi i Ragalna. 27 marca wybuch był poprzedzony serią „ostrzegawczych” wstrząsów. Inaczej niż w przypadku Wezuwiusza, lawa wytryskiwała tu powoli i ściekała strumieniem. W ten sposób w 1669 roku zniszczone zostało duże miasto Katania.
Wulkanizm na dnie morskich głębin
Prócz wulkanów na powierzchni ziemi występują także wulkany pod wodą. Tak jak w dolnym kambrze i w tym czasie dochodzi często do wybuchów wulkanów. Przyczyną tych zjawisk są ruchy tektoniczne skorupy ziemskiej. Głębokie rowy geosynklinalne opadające powoli wypełniają się stopniowo osadami. W strefie ruchliwego dna geosynklin rozwija się z reguły silny wulkanizm podmorski a na jej obrzeżeniu zaznaczają się pierwsze oznaki ruchów tektonicznych. Podmorskie wylewy magmy, zachodzące wzdłuż głębokich szczelin i spękań, doprowadzają do rozległych pokryw bazaltowych zawierające niekiedy pokłady rud. W strefach dna morskiego występują również częste trzęsienia ziemi. Jednocześnie dochodzi do silnego ogrzania głębokich wód. Warstwa wody w pobliżu dna morskiego jest wzbogacona w dużym stopniu o rozpuszczone substancję organiczne, ponieważ wszystkie obumarłe w morzu organizmy zostają rozłożone w głębinach. Jeśli ta, bogata w substancje odżywcze woda wypływa na powierzchnię dzięki procesom termicznym, to staje się ona ze względu na zawartość fosforanów idealną bazą do powstania nowych łańcuchów pokarmowych. Pojawiają się dogodne warunki rozwoju organizmów żywych, co wpływa na znaczne urozmaicenie flory i fauny morskiej.
Wulkan morski występuje także w Alpach Wschodnich, która trwa już od początku ordowiku. Wybuchy wulkaniczne pochodzenia oceanicznego dostarczają głównie skał zasadowych. Lawy te są mało lepkie i płynne; rozlewając się tworzą rozległe pokrywy kształtujące nowe dno morza. Podmorskie erupcje przy głębokości morza wynoszącej 2000 m lub więcej powodują tak wysokie ciśnienie wody, że gazy uchodzące z magmy ulegają natychmiastowemu rozpuszczeniu w wodzie. Nie ma żadnej eksplozji, a roztopione masy skalne spokojnie rozlewają się po dnie morskim. Jeżeli jednak do podmorskich erupcji dochodzi przy mniejszej głębokości morza, to są one bardziej spektakularne. Spowodowane jest przede wszystkim wtórnymi erupcjami, w wyniku których woda morska wdziera się w kanały wyrzutowe magmy, w wysokiej temperaturze natychmiast zmienia się w parę i jeszcze raz rozsadza istniejący już rumosz skalny. Prowadzi to ponownie do dalszych eksplozji. Jak w reakcji łańcuchowej jedna eksplozja następuje po drugiej.
Podsumowując wulkany są to formy powierzchni Ziemi, najczęściej stożkowate góry, połączone kanałem z głębszymi rejonami, gdzie znajduje się magma. Przez ten kanał i jego często rozszerzony otwór, zewnętrzny wyrzuca od czasu do czasu lawę lub gazy. Oprócz wyrzucania lawy, pyłu i gazów objawia się czynność wulkaniczna również za pośrednictwem podziemnych grzmotów, wyziewów gazowych, silnego podniesienia miejscowego temperatury podłoża, lokalnych ruchów tektonicznych, a zwłaszcza trzęsień ziemi o różnym nasileniu i zasięgu, często o katastrofalnym następstwach.