Вулканічні озера; Вулканічні явища; Вулканізм і суспільство; Спеціальна тематика ESKP

Вулканічні озера - дзеркало вулканізму, який колись породив їх і який, можливо, змінюється і сьогодні. Організми, які можуть впоратися з часом екстремальними умовами, можуть також стати цінними в інших контекстах, таких як сільське господарство або біодобувна промисловість. Для небезпек, що виходять від вулканів, виділення дуже активних вулканічних озер, зокрема, може бути системою раннього попередження.

Текст: Яна Кандарр, Платформа знань про систему Землі | ESKP

Технічний огляд: проф. Дмитро Руве, Національний інститут геофізики та вулканології, район Болоньї, Італія.

З усіх відомих поверхневих вод на землі вулканічні озера мають найбільший діапазон значень рН.
Кратерні озера та озера, багаті вуглекислим газом, вимагають особливо пильного моніторингу щодо їх небезпеки.
Зміни кольору вулканічних озер та наявність та морфологія сірчаних кульок можуть бути простим інструментом для моніторингу вулканів.
Є надія, що деякі бактерії з вулканічних озер можуть сприяти росту рослин в умовах надзвичайного абіотичного стресу. За певних обставин ці бактерії корисні для рослин, які процвітають деінде в кислих, забруднених важкими металами грунтах або яким доводиться переносити сильний тепловий стрес.

Вулканічні озера з їх часом неприродними акварелями та висококонтрастними родовищами корисних копалин заворожують. Деякі з них надзвичайно глибокі або їх вода надзвичайно кисла і практично позбавлена життя, у деяких з них розмножуються ціанобактерії або водорості - залежно від того, наскільки тісний зв’язок між вулканічною системою та підземкою. Такі озера можуть забезпечити розуміння гідротермальних систем і, отже, матимуть велике значення для моніторингу вулканів та прогнозування небезпеки. Вони можуть свідчити про вулканічну діяльність, частина з яких давно вщухла. Деякі з них навряд чи можна відрізнити від звичайних водойм з точки зору хімії води або біології. Однак, якщо в земній корі все ще існує зв’язок з камерами магми, то вони практично ніколи не є стабільними системами.

Вулканічні озера можуть знову зникнути, потекти, їх температура води та хімічний склад можуть зазнавати значних коливань, а значення рН може в деяких випадках значно змінюватися. По суті, для створення активного вулканічного озера потрібно об’єднати кілька речей: дно озера має бути герметичним, щоб вода не просочувалась безпосередньо, метеорологічні опади повинні бути якомога ряснішими, а витрата тепла має бути обмеженим, щоб вода озера не випаровувалася повністю. Потім вулканічні рідини збільшують обсяг озера.

Озеро Моно в Каліфорнії, СПОЛУЧЕНІ ШТАТИ. Natronsee лужний (рН 10) і особливо солений. У його воді розчиняється велика кількість натрію. Озеро найбільш відоме завдяки родовищам вапняку туфу, які утворюють схожі на скульптуру утворення.
Фото: imago images/Райнер Мірау

Існують різні способи класифікації вулканічних озер - за хімічними чи фізичними характеристиками, а також з урахуванням їх генезису. Вони детально зібрані в монографії “Вулканічні озера” (Rouwet et al., 2015). Вчені зорієнтуються на чотирьох центральних питаннях, що стосуються утворення озер. З одного боку, тому важливо знати, чи озеро було створено за одне виверження, тобто, чи є воно моногенним, наприклад. Це означало б, що з моменту події вплив вулканізму на воду озера був мінімальним або навіть не існував. Якщо, навпаки, басейн озера виникає на полігенетичному вулкані, багато різних подій та джерел магми могли сприяти його формуванню або продовжувати це робити.

Інший критерій проливає світло на тимчасовий зв’язок між вулканізмом та утворенням озера, тобто питання: чи озеро виникло незабаром чи довго після виверження вулкана? Вважається, що кальдерні озера виникли довгий час після розпаду магматичної камери та в результаті цього западини (геолог.: "Западина"), яка потім стає озерним басейном. Озера в кратерах вершини діючих вулканів, навпаки, виникають "незабаром" після виверження вулкана. Це також залежить від розташування вулканічного озера по відношенню до вулканічного отвору. Озеро знаходиться безпосередньо над чи поруч з діючим димоходом? Усі ці аспекти в кінцевому рахунку визначають, наскільки сильно вулканізм, хімія води та температура води впливають один на одного (Christenson et al., 2015). Ця загальна система класифікації допомагає підключитися до більш класичних підходів хімічної та фізичної класифікації вулканічних озер.

Відповідно до таких класифікацій, одна категорія включає, наприклад, озера кратерів, що виникають над вентиляційним отвором полігенетичного вулкана. Кратерні озера, як правило, знаходяться всередині кратера вулканічного вершини, можуть бути дуже глибокими або дуже цінними в обсязі води, що можна пояснити коливаннями конденсації рідини, випаровуванням на поверхні, внеском дощової води в результаті витоку або переливами з озера (Varekamp et al., 2015). Іншу категорію утворюють кальдерні озера, наприклад озеро Больсена в Італії, яке, як і багато інших кальдерних озер, навряд чи має припливи та відтоки. У геонауках їх називають ендорейними басейнами, оскільки вони не стікають у море.

Переважна більшість вулканічних озер лежать у маарах, яких ще називають маарними діатремами. Маарс, як правило, є свідком одного фреатомагматичного спалаху. Після цього залишається практично ідеально кругла «діра» в землі, оскільки одне виверження не змогло сформувати великий вулканічний конус. Коли шар, що несе ґрунтові води (водоносний шар), перетинає кратер маар, створюється озеро маар. Діатреми пробиваються поверхнею землі, створюючи круту перевернуту форму конуса. Іноді їх поховані брекчійовані структури містять такі мінерали, як алмази. Кратери Маар, як правило, мають діаметр менше двох кілометрів. Прикладами маарів або озер маар є Лаехер, Ульменер-Маар, Блакитне озеро в Австралії або озеро Асі-Гьолю біля Карапинара в Туреччині.

Геотермальні озера знаходяться в вулканічно активному середовищі, в якому фреатичні виверження утворили кратери, які згодом були заповнені досить невеликими озерами. Деякі озера заповнюють тектонічні западини, спричинені полями лави або вулканічними відкладеннями, які затримують воду або впливають на місцеву гідрологію припливу або відтоку води. Вісім відсотків запруджених озер у світі можна прослідкувати до вулканізму (Коста і Шустер, 1988). Є також кілька вулканічних озер, які виникають, коли нещодавно активний і, таким чином, гарячий вулканічний отвір тане сніг усередині вже існуючого кратера. Наприклад, це сталося на вулкані Чигинагак на Алясці в 2005 році.

Існують інші способи класифікації вулканічних озер, наприклад, за їх хімічним складом води або водним балансом. Якщо основна увага приділяється вулканічній діяльності та небезпеці, доцільний розподіл на "активні озера кратерів", "сплячі озера кратерів" та "озера, багаті вуглекислим газом". Будь-яка класифікація є проблемою, оскільки різноманітність велика, а геологічні структури на дні озера в деяких місцях недостатньо відомі. Озера також часто є унікальними з точки зору вулканічної активності під землею, оточуючих їх порід та специфічних кліматичних умов. Тому кожне озеро має свої особливості, і його слід розглядати індивідуально, оскільки ми намагаємось дізнатись більше та розкрити таємниці, які зберігають вулканічні озера.

Озеро Кальдера, озеро Кратер, розташоване на висоті 1883 метри в штаті Орегон (США). Насичене дощем та снігом, без стоків, озеро кратера глибиною 589 метрів, найглибше в США та сьоме за глибиною у світі.
Зображення було зроблено членом екіпажу Експедиції 52. Запис Енді Холліє, Hx5, Контракт JETS у НАСА-АТ. Обсерваторія Землі Наса

Rouwet, D., Christenson, B., Tassi, F. & Vandemeulebrouck, J. (Eds.). (2015). Вулканічні озера. Берлін/Гейдельберг: Спрінгер. doi: 10.1007/978-3-642-36833-2

Ель-Чихон, Мексика (записано в березні 2007 р.)
Озеро Ель-Чихон має середню температуру (30 ° C), а атмосферні умови тропічні, тобто вологість та температура навколишнього середовища високі, що в свою чергу призводить до практично невидимих дегазації та випаровування.

Фото: Дмитро Руве

Кава Іджен, Індонезія (записано у вересні 2014 р.)
Кратерне озеро Кава Іджен є найбільшою природною, кислою поверхневою водою на землі. Вода озера насиченого бірюзового кольору і в основному позбавлена життя. На сьогодні бактерій та еукаріот не виявлено.

Фото: Дмитро Руве

Сіра також видобувається в кратері Іджен, що є важким і трудомістким видом діяльності.

Фото: imago images/ZUMA Press

Поас, Коста-Ріка (квітень 2007)
Laguna Caliente (вгорі на малюнку) надзвичайно кислий із значенням рН близько -1. Деякі кислі вулканічні озера, як це вулканічне озеро, мають темно-сірий колір, оскільки донні відкладення збуджуються висхідними (конвективними) течіями. Кисле озеро насичене елементарною сіркою. У гарячих озерах рідка сірка може осідати на дні озера.

Фото: Дмитро Руве

Озеро кратера Руапеху, Нова Зеландія (березень 2019)
На додаток до негайних вибухів газу, раптова конденсація парової фази призводить до різкого падіння тиску, до кипіння і, нарешті, до гідротермічного вибуху. Цей ефект є найбільш значущим у високоактивних кратерних озерах, таких як Руапеху в Новій Зеландії. Лахари трапляються, коли вибухи змушують воду над краєм кратера.

Фото: Дмитро Руве

Озеро Ньос, Камерун (фото зроблено в березні 2016 року).
У 1986 році озеро Ньос випустило в атмосферу хмару СО2, внаслідок чого в навколишніх містах та селах загинуло 1700 людей та 3500 тварин. Після цього інженери встановили систему труб, щоб випустити газ з озера. Труба довжиною 200 метрів звисає на плоту і дозволяє контрольовано виходити на поверхню багатого газом води з дна озера.

Фото: Дмитро Руве

Озеро Ківу Руанда, Демократична Республіка Конго
Вулканічне озеро є одним з багаті вуглекислим газом озера. Небезпеку спалахів газу, які потенційно накопичуються у товщі води протягом десятиліть чи століть, можна було запобігти лише шляхом штучної та контрольованої дегазації шару ґрунтової води. Але для таких багатих на види озер, як озеро Ківу, таке рішення мало б серйозні екологічні наслідки.

Лагуна Куйкоча, Еквадор
Двоокис вуглецю в Лагуні Куйкоча стабільно зростає. Вулканічні рідини значною мірою втратили в цьому озері свої найбільш реакційноздатні компоненти, такі як галогени та сірка.

Які кольори води можуть сказати нам про вулканічні озера

Різноманітність водних кольорів, які можуть проявляти вулканічні озера, особливо вражає. Темно-сині часто є вулканічними озерами, які не містять багато життя, які біологічно непродуктивні через брак поживних речовин. Прикладом цього є озеро Кратер, яке також є озером кальдери, в штаті Орегон. Глибина 589 метрів є найглибшим озером США та сьомим за глибиною у світі. Озеро Кратер живиться виключно атмосферними опадами, майже не має припливів або відтоків і виглядає насиченим.

Озера, які отримують поживні речовини з якогось природного або антропогенного джерела, виглядають зеленувато-блакитними. З одного боку, водозбір та запліднення прилеглих сільськогосподарських територій відіграють важливу роль. З іншого боку, геотермальні джерела з водою, багатою мінералами, можуть бути ще одним джерелом поживних речовин. Незвично сильний зелений колір може свідчити про велику кількість зелених водоростей, тоді як помітний червоний пов’язаний з великим розмноженням червоних водоростей. Якщо багато органічного матеріалу розкладається, озеро зазвичай здається коричневим, оскільки органічні кислоти утворюються при розщепленні листя та інших рослинних або тваринних матеріалів.

В основному біологічні процеси у вулканічних озерах мало чим відрізняються від процесів в озерах невулканічного походження. Однак через хімію в активних озерах кольори можуть відрізнятися: озера з геотермальними джерелами або вулканічними поживними речовинами (із гірської породи) часто містять фосфор, який потім також запліднює. Різниця в цьому випадку полягає в незвичному походженні поживних речовин. З іншого боку, залізо і сірка можуть розчинятися у воді. Залежно від того, яке залізо міститься, озеро тоді може виглядати насиченим зеленим для двовалентного заліза (Fe 2+) або фіолетово-коричневим або оранжево-червоним для тривалентного заліза (Fe 3+). Крім того, речовини з певними типовими кольорами можуть осідати або плавати у воді (наприклад, гіпсовий шпат, маніт меча, гетит або ферригідрит). Коли озеро Вуї, яке належить вулкану Амбае (Вануату в південній частині Тихого океану), за кілька днів у 2006 році стало червоно-червоним, це пізніше було пов’язано з опадами ярозиту, сульфату та гематиту, оксиду заліза (Bani et al., 2009).

Особливо вражаючими є бірюзово-кремово-білі озера, такі як одне з трьох кратерних озер вулкана Келі Муту в Індонезії або найбільше кисле озеро кратера у світі на острові Кава Іджен, яке також можна знайти в Індонезії. Подальшими прикладами є Лагуна-Калієнте в Поасі в Коста-Ріці або озеро-кратер Югама на вулкані Кусацу-Ширане в Японії. Дрібно розподілені сірчані сфери (сфери) плавають тут, на поверхні води. Якщо такі частинки домінують повністю, озеро виглядає дуже блакитним і стає бірюзово-зеленуватим, коли частинки сірки зменшуються і змішуються із зеленим відтінком іонів заліза. Геотермальні басейни, багаті діоксидом кремнію, також мають, як правило, дуже специфічний синій колір через розсіювання світла крихітними колоїдами (Ohsawa et al., 2010). Спостереження за змінами кольору або за наявністю та морфологією сірчаних кульок можуть бути простим інструментом для контролю вулканічної активності. Наприклад, раптові зміни кольору можуть відображати зміну дегазації сірчаних газів (див., Наприклад, озеро Юдамарі в Японії).

Вороже середовище

Якщо ми маємо справу з вулканічним озером, яке не пов’язане з виділенням газів із камер магми, то це навряд чи відрізняється від невулканічних озер - крім того, що може не бути припливів та відтоків. По-англійськи говорять про "нейтрально розбавлені вулканічні озера". Тоді температури води є дзеркалом погодних умов та (за наявності) приток. Хімія води залежить від навколишньої породи, потоків і річок, які протікають через неї або стікають в озеро, та опадів мінералів.

Якщо озера все ще підключені до систем дегазації магми, справа йде інакше. Потім стан дегазаційної магми та тип навколишньої породи надзвичайно визначають речовини у воді, температури води та ступінь кислотності (значення рН). З усіх відомих поверхневих вод на землі вулканічні озера мають найбільший діапазон значень рН. РН води в озері може бути за межами діапазону, який було довільно встановлено між 0 (кислим) та 14 (лужним) (Pecoraino et al., 2015). Наприклад, у найбільш кислих озерах, що покривають високоактивні вулкани, може бути навіть вода зі значеннями рН нижче нуля.