L; виверження вулкана, рідкісне явище для науки
Під вулканом багато переломів, заповнених магмою, що знаходиться під тиском, пробиваються на поверхню. Більшість не веде. З яких причин ?
Кілька мільйонів жителів Неаполітанського району проживають поблизу Везувію або Флеґерських полів, двох особливо небезпечних діючих вулканів. В усьому світі від 500 до 600 мільйонів людей живуть під загрозою виверження. Отже, майже десяти відсоткам людства постійно загрожує вулканічна діяльність, не кажучи вже про економічну шкоду, пов'язану з ними. Ці цифри ілюструють зацікавленість у прогнозуванні вивержень та для їх кращого розуміння.
Однак, з точки зору геолога, виверження - явище відносно рідкісне. Сьогодні на Землі перебуває 1625 вулканів, 14 з яких були активними на початку березня 2010 року. Більшість вулканів вивергаються з різними інтервалами часу. Більша частина цієї діяльності відбувається під водою, на хребтах середнього океану. Решта знаходиться на відкритому повітрі, на рівні діючих вулканів - тих, чиє останнє виверження датується менше 10 000 років - на всіх континентах. До цього додається невизначена кількість, але, безсумнівно, значна кількість вулканів, які знали лише одне виверження. Врешті-решт, відбувається лише близько 50-60 вивержень на рік.
Це дивно, враховуючи, що астеносфера, шар, що підстилає літосферу (зовнішній шар Землі), містить величезну кількість частково розплавлених порід. Магма, яка спричиняє виверження, знаходиться не тільки в магматичних камерах під вулканами, але майже скрізь на деякій глибині. Однак поблизу вулканів, безперервні землетруси та інші вертикальні рухи землі засвідчують, що магму заштовхують у якісь підземні «трубопроводи». Ми робимо висновок, що дуже велика кількість магми рідко призводить до виверження. Чому це так? Ми детально розберемо це питання і спробуємо відповісти на нього.
Що таке висип? Щоб відбувся витік лави, перелом, заповнений магмою, що знаходиться під тиском, повинен пробитися на поверхню. Отож, пояснюючи рідкість вивержень, потрібно зрозуміти, чому так багато переломів зупиняються під час їх прогресування.
Почнемо з вивчення динаміки вулканів, тобто вивчення фізичних процесів, що працюють всередині цих будівель, та процесів їх зовнішнього прояву. Для цього ми реконструюємо та аналізуємо ці процеси за фізичними властивостями та поведінкою (механічною, гідродинамічною тощо) вулканічних рідин та твердих речовин. У цьому контексті корисними є кілька концепцій з фізики матеріалів, зокрема порівняння вулканів із композитними матеріалами, збірки щонайменше двох матеріалів з різними характеристиками. Як і будь-який композиційний матеріал, вулкан складається з багатьох порід з різною твердістю, еластичністю та міцністю на розтяг.
Переломи зупиняються
Вертикальна або коса ?
Рух магми через переломи спричиняє багато землетрусів та інші вертикальні рухи землі. Відповідні сейсмічні сигнали виявляють магматичні камери і дають змогу грубо оцінити їх обсяги: вони становлять від 5 до 500 кубічних кілометрів, що, в теоретичному випадку сферичних магматичних камер, відповідає діаметрам від двох до восьми кілометрів. Однак деякі камери магми набагато більші, оскільки за минулі вибухові виверження було викинуто від 1000 до 5000 кубічних кілометрів матеріалу ... що відповідає камерам діаметром 12-21 кілометр.
Однак більшість камер магми не мають сферичної, а скоріше еліпсоїдальної форми, що підтверджується плутонами, що спостерігаються в Ісландії, ці камери магми заповнені замороженою магмою і вивільнені ерозією (див. Малюнок на протилежній сторінці). Багато з цих камер магми також сплюснуті, особливо ті, що знаходяться під океанськими хребтами та ті, що призвели до великих вибухів минулого. Найбільші з них мали ширину 30 кілометрів і довжину близько 80 кілометрів.
Як магма рухається з магматичної камери на поверхню? Найчастіше виверження спричинені вулканами, розташованими на розломах, які можна розпізнати за їх вирівнюванням у кратерах: фісуральні вулкани. Ці вулкани забезпечуються магмою довгими трубопроводами, що утворюються в результаті руйнування породи. Цей тип трубопроводів є також типом більшості інших категорій вулканів. Однак ці більш-менш циліндричні канали утворилися під впливом ерозії внаслідок силового проходження магми в тріщинах, і знову ж таки, лише в безпосередній близькості від поверхні. Більшість каналів, що передають магму, вертикальні або дуже круті. Тим не менш, у деяких стратовулканах переломи розходяться під кутом від магматичної камери (див. Малюнок навпроти), що можна спостерігати безпосередньо на плутонах деяких дуже ерозованих областей Ісландії.
Кількість матеріалу, що подається каналом на поверхню, змінюється залежно від обсягу магматичної камери та тиску в ній. Найбільший відтік лави в історичні часи, Лакі на півдні Ісландії, становив 14 кубічних кілометрів. Цей обсяг невеликий у порівнянні з обсягом, який виділяв Йеллоустоун 640 000 років тому: при виверженні було б викинуто 1000 кубічних кілометрів лави. Інші базальтові потоки досягали обсягів від 2000 до 3000 кубічних кілометрів.
Якби всі труби магми, що виходять із магматичної камери, опинились на поверхні, вивержень було б у чотири-десять разів більше. Це не так, оскільки більшість руйнувань, що утворюються в камері магми, що знаходиться під тиском, поширюється і зупиняється. Цей факт підтверджується як геофізичними вимірами на діючих вулканах, так і дослідженням видимих трубопроводів древніх ерозованих вулканів.
Коли труба засмічується
На підставі цих спостережень лише 10-25 відсотків переломів, що виникають над камерою магми, пронизують поверхню. За декілька кілометрів від Рейк'явіка, Ісландія, геологічне утворення є прикладом провалу трубопроводу: перелом, заповнений магмою, приблизно 600 років тому замерз усього на п’ять метрів під поверхнею! Чи люди регіону врятувались від лиха? У будь-якому випадку, вони, мабуть, помітили це явище під час численних землетрусів та випаровування води із землі, яке воно спричинило.
Чому прогрес магми зупинився за п’ять метрів від поверхні? Щоб відповісти, спробуємо зрозуміти, чому деякі базальтові вулкани, наприклад, на Гаваях, часто вивергаються, тоді як стратовулкани, такі як Везувій в Італії, трапляються рідко.
Ключ проблеми полягає в механізмі утворення магмопроводів, тобто розтріскуванні. Тріщина утворюється і поширюється в матеріалі лише тоді, коли він зазнає напруги, більшої за ту, яку він може витримати. Напруга - це сила, яка діє на одиницю площі всередині твердого тіла. У рідині це поняття відповідає тиску, величина якого не залежить від орієнтації поверхні нанесення. І навпаки, у твердому тілі напруження залежить від поверхні прикладання, а отже, і від напрямку сили у початку напруги в точці твердого тіла.
У землі напруження розвиваються, зокрема, під дією магми, що знаходиться під тиском, яка проходить через трубопровід, або під впливом ваги блоку земної кори. Якщо гірська порода зазнає надмірного напруження, вона руйнується, що передає додаткові напруження, яких вона не могла витримати. Таким чином, руйнування поширюється: воно просувається по прямій, поки система напружень, яким піддається гірська порода, зберігає приблизно однакову орієнтацію; але якщо він потрапляє в область, контрольовану іншою системою обмежень, він може змінити напрямок руху або зупинитися. Така поведінка полягає в будь-якому руйнуванні, що поширюється всередині композитного матеріалу.
Щоб тріщина відкрилася в гірській породі, мінімальне напруження повинно бути перпендикулярним напрямку її поширення, а максимальне напруження паралельним. Коли вертикальна тріщина стикається з шаром гірської породи, де максимальне напруження перпендикулярно напрямку поширення тріщини, можливі дві події: у першому випадку поширення припиняється; у другому випадку канал прогинається і продовжує горизонтально, а потім запускається знову, якщо відповідає умовам, що дозволяють це.
На вулканічній місцевості, де ерозія виявила старі канали, ми можемо спостерігати ці дві ситуації. Характер контактів між шарами гірських порід, глибина під поверхнею та тиск всередині висхідної магми визначають, якому процесу надають перевагу. У більшості випадків перелом перестає поширюватися, тому висипу не виникає.
Як ви оцінюєте ймовірність зупинки трубопроводу? У нашій лабораторії ми розробили числові моделі, завдяки яким ми апроксимуємо обмеження, що існують у межах вулкана. Тож ми можемо відтворити поширення переломів. Ці моделювання показують, що тріщина, що поширюється з магматичної камери, досягає поверхні, коли на своєму шляху вона стикається лише з напругами, які мають тенденцію до її розширення, а не до закриття. Така ситуація частіше трапляється, коли напруженість, що панує в гірській породі в певному напрямку, однакова на всьому вулкані. У цьому випадку перелом, який виявив сприятливу орієнтацію для свого збільшення, продовжує поширюватися.
Наші моделювання показують, що ситуації, що сприяють поширенню напружень, рідко трапляються в межах стратовулканів. Цей числовий прогноз узгоджується з рідкістю вивержень дуже багатьох стратовулканів. Оскільки магма повинна подолати великий опір складових шарів вулкана, виверження, коли вони відбуваються, часто вибухонебезпечні.
Рідкісність вивержень
За останні 200 років було зафіксовано лише 16 великих вибухових вивержень, 11 з яких відбулися на вулканах, які ніколи не поводились так в історичні часи - тому їх попереднє виверження налічувало б понад 2500 років. Всі ці вулкани з рідкісними виверженнями є стратовулканами або кальдерами, тобто вулканами у формі гігантського кратера, що виник внаслідок обвалу центральної частини давнього вулкана (іноді стратовулкана) на його камеру магми, частково спустошеного під час виверження. На додаток до цих 11 вибухових вивержень, за останні 200 років відбулося приблизно два невибухових виверження на рік на вулканах, які раніше не знали активності. Більшість цих несподіваних подій також відбувалися на стратовулканах.
З іншого боку, щитові вулкани (див. Малюнок на сторінці 116 вище), більші, менш круті та більш однорідні, ніж стратовулкани, поводяться зовсім інакше. Наприклад, Пітон-де-ла-Фурнез на острові Реюньйон за останні 50 років вивергався в середньому кожні 15 місяців. Раніше він вивергався рідше, але з 17 століття він виплюнув лаву 170 разів. З цієї стійкої активності ми робимо висновок, що за минулі століття більшість переломів, що поширювались із камери магми, досягли поверхні.
Етна, найбільший вулкан в Європі, поводиться подібним чином, оскільки він часто вивергався в останні століття. Його основа складається з величезного базальтового щита, увінчаного кількома невеликими стратовулканами. В історичні часи всі його потоки лави були базальтовими, отже, з низьким вмістом кремнію, але сицилійський вулкан також містить шари, багаті кремнієм, датовані древніми виверженнями, під час яких викидались хмари попелу, змішані з великими блоками кам'яних вулканів - що називається пірокластичні виверження. За останні три десятиліття було в середньому одне виверження на рік, протягом якого магма піднімалася через тріщини. Таким чином, у випадку з Етною тріщини, що розвиваються з магматичної камери, легко досягають поверхні вулкана.
Мауна-Лоа на Гаваях є найбільшим вулканом на Землі. Це також щитовий вулкан з базальту. З 1843 року, коли почався моніторинг його діяльності, сталося 38 вивержень: протока відкривалася на поверхню Мауна-Лоа кожні чотири роки або близько того.
Спортивний спорт: неоднорідність
Чому руйнування легше поширюється всередині щитового вулкана, ніж стратовулкан? Згідно з нашими моделюваннями, явище пов’язане з неоднорідністю стратовулканів. Потоки лави та шари пірокластичних відкладень, що їх складають, мають дуже різні властивості: тоді як одні досить м’які, інші дуже жорсткі. Отже, всередині стратовулкана інтенсивність та орієнтація напружень змінюються залежно від місця (див. Малюнок вище). Руйнування ніколи не перестає зустрічати нові гірські породи там, де максимальне напруження може бути зорієнтоване у напрямку, перпендикулярному поширенню, або яке буде настільки м’яким, що воно поглинеться, деформуючи сили, що діють під дією магми.
На противагу цьому, щитовий вулкан майже повністю складається з базальтових потоків лави з подібними механічними властивостями. Руйнування легко знайде шлях до поверхні, оскільки напруження скрізь орієнтовані сприятливо для його поширення. Тому ми розуміємо, чому кальдери частіше утворюються в щитових вулканах, ніж у стратовулканах.
Для кращого прогнозування виверження корисними будуть вимірювання напружень, що переважають у глибинах, наприклад, за допомогою вимірювальних приладів, опущених у свердловини. Використовуючи такі вимірювання, ми могли б оцінити ймовірність поширення руйнування на поверхню. При необхідності ми могли бачити, що максимальні напруження орієнтовані перпендикулярно загальному напрямку поширення руйнувань: у цій ситуації ми могли бити сигнал тривоги.