Эти горы доказывают нам, что в земной коре на какой-то глубине температура так высока, что горные породы находятся там в расплавленном состоянии.
Наблюдения в шахтах и буровых скважинах также показали, что с углублением в земную кору температура заметно повышается. В одних местах это повышение происходит быстрее, в других медленнее; в среднем оно определено в 1 градус на каждые 33 метра.
Число метров, на которое необходимо опуститься вглубь земли, чтобы температура повысилась на 1 градус, называется геотермической ступенью.
Если принять ее среднюю величину в 33 метра, то легко сосчитать, что на глубине 10 километров температура будет уже на 300° выше, чем на поверхности, а на глубине 40 километров достигнет 1200°C, т. е. на этой глубине большинство горных пород должно находиться в расплавленном состоянии. Впрочем, полагают, что с глубиной величина геотермической ступени должна увеличиваться, т. е. температура плавления горных пород может быть достигнута только гораздо глубже. Кроме того, на глубине сильно увеличивается давление, что повышает также точку плавления горных пород. Поэтому вероятно, что и на большой глубине породы еще не расплавлены, хотя и имеют температуру выше точки плавления. Но при резком ослаблении давления эти породы сразу могут расплавиться. Вулканы в качестве отверстий, соединяющих земные недра с поверхностью, при извержениях могут создавать такое ослабление давления на глубине, которое вызывает переход горных пород в расплавленное состояние.
Изверженные породы. Магма
Изучение горных пород, находившихся прежде на большой глубине, а теперь очутившихся у земной поверхности, показывает, что среди них есть породы, которые прежде, несомненно, были в расплавленном состоянии, а потом затвердели. Все такие породы называют изверженными, так как они когда-то извергались, массивными, потому что они лишены того наслоения, которое характерно для осадочных пород, а также магматическими, потому что они произошли из магмы. Греческое слово «магма» значит «тесто», и им называют горные породы, находящиеся в недрах Земли в расплавленном состоянии.
Магма содержит не только минеральные вещества, но также и воду в виде пара и различные газы. Это доказывают как непосредственные наблюдения над действующими вулканами и анализы их выделений, так и изучение изверженных пород разного возраста, в которых анализы также обнаруживают содержание воды и разных газов, а под микроскопом видны пузырьки, содержащие воду и газы и включенные внутри зерен минералов.
Вулканы
Извержения вулканов составляют одно из самых грозных и величественных явлений природы, которое ни предотвратить, ни регулировать и обезвредить человек еще не может. Не все вулканы извергаются одинаково, и наблюдения показали, что имеется несколько основных типов извержений. Познакомимся сперва с самым распространенным типом, а потом вкратце расскажем и об остальных.
Но сначала нужно сказать, что вулканы делятся на действующие, потухшие и древние. Действующими называют те, которые производят извержения в наши дни или производили их в историческое время, а потухшими считают те, о деятельности которых у людей не сохранилось никаких сведений. Но последние правильнее называть уснувшими или временно потухшими, потому что мы знаем уже несколько примеров, когда вулканы, считавшиеся потухшими, неожиданно начинали действовать, как Везувий в 79 году нашей эры и Мон-Пеле (Лысая гора) на острове Мартинике в 1902 году. Только вулканы, которые уже сильно разрушены и размыты, что доказывает их бездействие в течение многих тысяч лет, можно считать окончательно потухшими. Такие вулканы называют также древними.
Форма вулкана
Большинство вулканов имеет форму отдельной горы в виде усеченного или острого конуса (рис. 148—149). На вершине конуса находится более или менее глубокая впадина, называемая кратером; она имеет в плане овальную или круглую форму и достигает в поперечнике от нескольких десятков метров до 2—3 и более километров. Стены кратера уходят вглубь вулкана круто или отвесно. На дне его можно различить одно или несколько отверстий, представляющих жерла каналов, которые соединяют недра вулкана с кратером (рис. 153) и во время бездействия вулкана или ослабления его деятельности более или менее закупорены застывшей лавой. Кратер нередко даже превращается в озеро. Вулканическая гора обычно целиком сложена из продуктов извержений. На ее склонах часто видны затвердевшие потоки лавы разного возраста, а иногда второстепенные менее крупные кратеры, которые также производили извержения; их называют паразитическими. Вулканы то поднимаются порознь на большом расстоянии друг от друга, то образуют целые цепи или группы в той же местности, причем отдельные вулканы цепи или группы действуют в разное время и с различной силой, а некоторые давно уже бездействуют.
Ход извержения
Действующие вулканы не производят извержений все время и с одинаковой силой. Хотя каждый вулкан имеет свои особенности, но в общем деятельность его то ослабевает, то усиливается, так что можно говорить о пароксизмах, т. е. вспышках деятельности, которые имеют различный характер и разную продолжительность даже у одного и того же вулкана. В промежутках между пароксизмами, которые могут продолжаться от нескольких дней до целых столетий, одни вулканы совершенно замирают, кажутся потухшими, другие чуть-чуть дымят с перерывами, третьи выделяют регулярно много дыма и по временам выбрасывают камни и пепел, что нужно считать слабыми пароксизмами, четвертые спокойно изливают лаву.
Пароксизм извержения начинается появлением выделений дыма у вулканов, совсем бездействовавших, и усилением их у других. Ему предшествуют или сопутствуют более или менее заметные землетрясения, т. е. содрогания земли в ближайших окрестностях вулкана, а также исчезновение источников воды в этих окрестностях, или уменьшение их дебита, или изменение их состава. Эти содрогания показывают, что в глубине под вулканом происходят смещения пластов земной коры, образование новых трещин или возобновление старых под напором накопившихся газов и паров, которые ищут выхода на поверхность.
Дым из кратера поднимается более или менее толстым столбом и в зависимости от состояния погоды или сразу же отклоняется ветрам в ту или другую сторону, превращаясь в тучу, или достигает высоты нескольких километров и затем расплывается во все стороны; такой столб дыма имеет форму итальянской сосны — пинии, почему называется пиниеобразным (рис. 151). Столб состоит из черного дыма и из белых паров, причем иногда преобладает дым, а иногда пары. Дым состоит из мельчайших частиц горных пород, которые под напором паров и газов отрываются от лавы, находящейся еще в глубине вулкана, и быстро остывают. Эти частицы и составляют вулканический пепел, который начинает сыпаться на склоны вулкана или на его окрестности из дымовой тучи, в зависимости от того, куда ее повернул ветер. Пепел в виде черного, серого или белого мелкого песка выпадает иногда слоем такой толщины, что под его тяжестью обрывается не только листва, но и ветки деревьев, и продавливаются крыши домов и, конечно, вся растительность садов и огородов гибнет.
Водяной пар, скопляясь в виде туч над вулканом, наконец, разражается ливнями, сопровождаемыми сильными грозами (так как частицы пепла при движении в воздухе заряжаются положительным, а капли воды — отрицательным электричеством). Дождь очищает воздух от пепла, а на склонах вулкана захватывает и пепел, выпавший ранее, и создает потоки грязной воды, вернее, даже грязи, переполненной щебнем и глыбами, смытыми со склонов вулкана. Эти потоки мчатся вниз и производят сильные опустошения на своем пути. Из-за быстрого движения они даже опаснее потоков лавы.
Вместе с пеплом, в особенности при усиленном выделении дыма, из кратера выбрасываются более грубые материалы — вулканический песок, лапилли и бомбы. Лапилли — это застывшие в воздухе мелкие куски лавы не больше грецкого ореха; более крупные куски лавы называют бомбами. Бомбы, оторванные от лавы еще в горячем состоянии, при полете приобретают скрученные формы, иногда в виде кусков толстого каната. Песок, лапилли, бомбы и обломки более древних пород, оторванные от стенок канала, сыплются более или менее густо на склоны вулкана и составляют главную опасность для людей, которые захотели бы подняться на вулкан во время извержения.
Выделения из кратера все усиливаются, и, наконец,— иногда с явлениями сильного взрыва,— в кратере поднимается лава, заполняет его и переливается через самое низкое место его верхнего края в ту или другую сторону, образуя поток, который течет медленно по склону вулкана, иногда достигая подножия, а иногда заканчиваясь на склоне — в зависимости от количества и состава лавы.
Излиянием лавы пароксизм вулкана обычно заканчивается. Выделение дыма и газов быстро или постепенно ослабевает, и через некоторое время вулкан возвращается к тому состоянию, в котором находился до пароксизма, т. е. или замирает совсем или продолжает более или менее слабо дымить.
Продукты извержений
Продукты извержений являются газообразными, жидкими и твердыми. Кроме водяного пара, составляющего существенную часть газообразных выделений вулканов, в последних, как показали анализы, находятся элементы: водород, хлор, сера, азот, кислород и углерод. Углерод участвует в виде углекислого газа, окиси углерода и метана (углеводорода), а другие газы или в элементарном виде или в виде соединений — хлористого водорода, сероводорода, сернистой и серной кислоты (безводной), аммиака, хлористого и углекислого аммония. Водяной пар и газы выделяются не только из кратера вулкана, но и на склонах последнего и на свежеизлившихся потоках лавы в виде так называемых фумарол, которые в разных местах вырываются с шумом и свистом из трещин и отверстий в виде облачков пара, распространяя удушливый запах хлора, серы и аммиака.
Эти фумаролы выделяются в кратерах и на склонах вулканов и в промежутках между извержениями, а из потоков лавы только короткое время, пока лава не остынет.
Твердыми продуктами извержений являются вулканические пепел, песок, лапилли и бомбы; они состоят или из отдельных минералов, входящих в состав лавы (пепел и песок) и представляющих результат распыления лавы напором газов и паров, или из кусочков и кусков лавы, оторванных этим напором и застывших в полете по воздуху (лапилли и бомбы). Состав этих твердых продуктов тот же, что и состав лавы данного извержения. Часть твердых продуктов может состоять и из пород, слагающих стенки канала, ведущего к жерлу вулкана, и оторванных от них газами и парами.
Жидким продуктом является лава, изливающаяся из вулкана, что бывает не при всяком извержении; последнее иногда ограничивается выбросом твердых и газообразных продуктов. Лава по своему составу бывает более вязкая, содержащая больше кремнезема, и более жидкая, с меньшим его содержанием. Первая в связи со своей вязкостью движется медленнее и образует на склонах более короткие и мощные по толщине потоки; они состоят из глыб разной величины, на которые разламывается кора, затвердевающая на поверхности движущегося еще потока. Такая лава называется глыбовой. Менее кремнеземистая лава, более жидкая, течет быстрее и застывает не глыбами, а волнами, которые при быстром течении набегают друг на друга. Такая лава называется волнистой.
Нужно отметить, что один и тот же вулкан при разных извержениях может изливать лаву разного состава, то глыбовую, то волнистую, но такие смены происходят не часто. Другие же вулканы состава лавы не меняют.
Пепел и песок, выпадающие из вулкана на его склоны и окрестности, сначала представляют очень рыхлую массу, но постепенно слеживаются, уплотняются и превращаются в твердую горную породу, которая называется вулканическим туфом. Если пепел падает в воду озера или моря, при смешении его частиц с частицами песка, глины, известкового ила, приносимыми в тот же бассейн, получается порода смешанного вулканического и осадочного состава, которую называют туффитом. В состав туфа, образовавшегося на склонах вулкана или в ближайшем его соседстве, нередко входят лапилли или бомбы, выброшенные во время извержения; если таких более грубых составных частей много, то туф переходит в вулканическую брекчию.
Типы извержений
Мы уже упоминали, что не все вулканы производят извержения одинакового характера. Наблюдения над вулканами в разных странах позволили установить следующие основные типы извержений.
1. Гавайский тип — отличается отсутствием обильных выделений газов и паров, а в связи с этим также и отсутствием пепла, лапилли и бомб. Лава очень жидкая и вытекает более или менее постоянно и спокойно, почти без взрывов. Этот тип извержения свойствен вулканам Гавайских островов Тихого океана, особенно вулкану Килауэа. Этот вулкан имеет огромный плоский кратер, представляющий собой целое озеро жидкой лавы, из которого выделяются в небольшом количестве пары и газы, вызывающие лавовые фонтаны. Лава волнистая.
2. Тип Стромболи. В вулканах этого типа лава также жидкая, но выделяется много газов, обусловливающих сильные взрывы с выбрасыванием бомб, но не пепла. Бомбы крученые и грушеобразные. Лава волнистая. Характеризует вулкан Стромболи в Средиземном море, по имени которого этот тип назван.
3. Тип Вулькано. Лава более вязкая и поэтому часто закупоривает канал; вследствие этого при извержении происходят взрывы накопившихся газов и паров и обильное выбрасывание пепла, лапилли и бомб. Последние ввиду вязкости лавы не крученые, а «хлебного» типа; они представляют глыбы с растрескавшейся коркой, как у каравая хлеба. Потоки лавы редкие и необильные, не растекаются широко. Лава глыбовая. Этот тип свойствен вулканам Вулькано в Средиземном море и отчасти Везувию в Италии.
4. Тип Пеле. Лава очень вязкая, застывает еще в жерле и не дает выхода газам и парам; последние, накопившись, производят сильнейшие взрывы и вырываются сразу огромной тучей, которая состоит из сильно сжатых раскаленных газов, паров, пепла, лапилли и глыб, которые мчатся вниз по склону вулкана с громадной быстротой, уничтожая все живое на своем пути. Одновременно туча разрастается вверх огромным кудрявым столбом. Такие тучи называют палящими. Под напором газов застывшая, но еще раскаленная лава выталкивается из кратера подобно пробке, образуя иглу или обелиск, который довольно быстро разрушается отпадением обломков и оседанием в кратер. Этот тип впервые наблюдался при извержении вулкана Мон-Пеле, или Лысой горы, на острове Мартиника, уничтожившем палящей тучей в несколько минут город Сен-Пьер с его 26 000 жителей. Но позже его наблюдали и при извержении некоторых других вулканов.
5. Тип Бандайсан. Очень вязкая лава, не дающая выхода газам и парам, под напором которых, наконец, происходит взрыв всего вулкана и выбрасываются массы старой,, давно застывшей лавы. Свежая лава на поверхность не поднимается. Этот тип впервые обнаружен при извержении вулкана Бандайсан в Японии, разрушившем значительную часть его. Вероятно, страшное извержение вулкана Кракатау в 1883 году возле острова Ява, при котором половина вулкана провалилась в море, принадлежало к этому же типу.
Необходимо заметить, что один и тот же вулкан не всегда производит извержения по одному типу; только крайние типы — гавайский и Бандайсан, повидимому, являются постоянными для определенных вулканов, тогда как извержения трех средних тииов могут происходить у одного и того же вулкана. Так, Везувий в последний раз извергался сначала по типу Стромболи, а затем по типу Вулькано и даже выбросил палящую тучу типа Пеле. Вероятно, извержение Везувия в 79 году нашей эры, погубившее в короткое время город Помпею, принадлежало к типу Пеле. Это изменение типа, очевидно, связано с изменением состава лавы, которое с течением времени может происходить у одного и того же вулкана.
Действующие вулканы на Камчатке и на Курильских островах, единственные в СССР, принадлежат, насколько известно, к типам Стромболи и Вулькано.
Все эти типы вулканических извержений приурочены к вулканам, имеющим канал, по которому газы и магма выходят на поверхность, т. е. к определенному центру. Поэтому их называют центральными и им противополагают извержения трещинные, при которых газы и лавы вырываются из трещины в земной коре, имеющей более или менее значительную длину и представляющей разлом, идущий на большую глубину. Примеры трещинных излияний наблюдались в Исландии из трещин Лаки и Эльдгия и других, достигавших в длину 30—40 километров и давших громадную массу лавы, разлившейся по окрестностям.
В связи с трещинными излияниями надо сказать о покровах лавы. Лава, вытекающая из кратера, редко бывает настолько жидкой и подвижной, что достигает горизонтальной поверхности у подножия вулкана, где должна разливаться во все стороны. По склону лава течет вниз и образует застывающий поток, длиной иногда в несколько километров, редко больше 10—15, но шириной только в десятки метров, толщиной до 20 метров, редко больше. На более пологой поверхности лавовый поток достигает ширины в 1 килохметр и больше. На горизонтальной поверхности жидкая лава разливается во все стороны и образует покров, который может занимать очень значительную площадь и достигать большой мощности, как показывают некоторые древние вулканические районы, где лава изливалась главным образом из трещин.
Количество продуктов извержений
Количество продуктов извержений колеблется очень сильно даже для одного и того же вулкана в разное время его деятельности. Оценка этой продукции показала, что наибольшее количество ее доставляют вулканы, извергающиеся очень редко, тогда как вулканы, действующие часто, дают каждый раз немного продуктов извержения. Чтобы дать об этом понятие, приведем некоторые цифры (см. табл.).
В общем считают, что с 1500 года всеми вулканами Земли извергнуто до 300 куб. километров рыхлых продуктов и только до 50 куб. километров лавы.
Распределение потоков лавы на склонах вулкана обычно бывает очень неправильным в зависимости от состояния стенок кратера и расположения наиболее низкого места его бортов, через которые переливается лава. Эта выемка может в течение ряда лет оставаться на том же месте, и потоки лавы будут изливаться всегда на ту же часть склона; сильный взрыв при выбросе рыхлых продуктов может сразу создать новую выемку, и лава потечет на другую часть склона. Кроме того, лава нередко вытекает не из главного кратера, а из паразитического на склоне. В этом случае поток может достигнуть населенных пунктов и культурных площадей, расположенных у подножия вулкана, очень редко достигаемых потоками из главного кратера, которые успевают затвердеть еще на склоне. Так, при извержении Этны в 1928 году лава из паразитического кратера на восточном склоне пересекла железную дорогу, проложенную по подножию этого вулкана, и залила улицы, дома и сады двух селений.
Состав вулканического конуса зависит от состава продуктов извержений. Вулканы, изливающие только лаву, как Гавайские, состоят исключительно из наслоенных друг на друга потоков лавы разного возраста. Большинство же вулканов состоит из переслаивающихся потоков лавы и слоев туфа и брекчий, образовавшихся из рыхлых выбросов (рис. 162). Вулканы, извергающие только рыхлые продукты, строят свой конус из туфов и брекчий.
Распределение вулканов
Распределение вулканов на Земле весьма неравномерно, и обширные области, даже целые материки, совершенно лишены действующих вулканов. Так, например, материк Австралии совсем не имеет вулканов; в Азии они сосредоточены на полуострове Камчатка и отсутствуют на остальной площади, кроме группы в Северо-Восточном Китае (Дунбэй); в Европе имеется только один вулкан в Италии; в Африке их довольно много; всего богаче вулканами обе Америки, острова Тихого и Индийского океанов, частью Атлантического океана и Средиземного моря. Но если принять во внимание и потухшие вулканы, действовавшие в историческое время, а также районы более древнего вулканизма, то неравномерность распределения вулканов на Земле исчезнет, так как нигде не останется сколько-нибудь крупной области, совершенно лишенной хотя бы древних вулканов.
Главной областью развития действующих вулканов является Тихий океан; многочисленные вулканы расположены вдоль его берега в обеих Америках, с Аляски переходят по Алеутским островам на Камчатку, с последней по Курильским островам в Японию, рассеяны на всех островах Зондского архипелага, известны на Новой Зеландии и на Южном материке — Антарктиде. Некоторые острова среди этого океана также имеют действующие вулканы, как Гавайские и Самоа. Тихий океан опоясан огненным кольцом; если присоединить к нему соседние вулканы Зондских островов со стороны Индийского океана, то число действующих вулканов этого кольца превысит 400.
На втором месте можно поставить Атлантический океан с Караибским и Средиземным морями. Здесь вулканы более разбросаны отдельными группами и единицами, а не цепями, как в огненном кольце. Они имеются в Исландии, на островах Азорских, Канарских, Зеленого мыса, на Малых Антильских островах в Караибском море, в Сицилии, на Липарских островах, в Италии и Греческом архипелаге в Средиземном море. В этой области несколько десятков действующих вулканов.
Третье место занимает материк Африки, где на западном берегу имеется один, а внутри, вдоль цепи больших озер, несколько вулканов.
По последнему подсчету вулканов, действовавших после 1500 года, в тихоокеанской половине Земли имеется 403 и в атлантическо-индийской 83, а всего 486. Если же учитывать и более древние известные извержения, то всего 522 вулкана.
Изучение строения земной коры привело ученых к выводу, что вулканы приурочены к областям наиболее сильного нарушения первоначального залегания пластов, слагающих эту кору. Эти нарушения состоят, как мы узнаем в следующей главе, во-первых, в сильном сжатии этих пластов, выражающемся в том, что это сжатие образует складки, подобно складкам на скатерти, лежащей на столе, возникающим, если мы будем эту скатерть сминать давлением руки с одной стороны, а во-вторых — в разрывах этих пластов большими трещинами, образующимися при их чрезмерном растяжении.
Действующие вулканы и расположены главным образом там, где земная кора в недавнее время подвергалась особенно сильной складчатости или большим разломам. Те и другие нарушения нередко сочетаются друг с другом. Так, на берегах Тихого океана молодая складчатость во многих местах сопровождалась большими разломами, и по соседству со складчатыми горными цепями на берегах расположены самые большие глубины океана в виде длинных узких впадин, которые похожи на провалы. Вулканы Средиземного и Карибского морей также расположены в областях молодой складчатости, сопровождавшейся разломами. Вулканы внутри Африки приурочены к длинному поясу молодых разломов, оканчивающемуся на севере Красным морем и провалом Мертвого моря с долиной реки Иордан. Менее ясна закономерность расположения вулканов в Атлантическом океане, где только предполагают пересечения более древних поясов складчатости и разломов с молодыми. Неясно возникновение вулканов на островах среди Тихого океана — Гавайских, слишком отдаленных от береговых поясов складок и разломов.
Древние вулканические области
Древние вулканические области на Земле подтверждают указанную закономерность распределения вулканов. Эти области весьма различной древности. В некоторых из них имеются вулканы, которые действовали еще в начале современного геологического периода, вероятно, даже на глазах первобытного человека. В этих самых молодых из числа древних вулканов сохранились характерные формы конических гор с кратером на вершине, часто представляющим озеро, и уцелели лавовые потоки, изливавшиеся из этих кратеров. Таковы самые высокие вершины Кавказа — Казбек и Эльбрус и некоторые другие, затем Арарат в Турции, Алагез и другие в Армении, Демавенд в Иране, маленькие вулканы Лопатина, Мушкетова и Обручева на Витимском плоскогорье, вулканы Перетолчина и Кропоткина в Восточном Саяне. Овернь во Франции, Монте Нуово и Флегрейские поля в Италии, Драхенфельс на Рейне и маары Эйфеля в Германии представляют собой также самые молодые (из древних) вулканические области. Мы найдем их также в разных местах Монгольской Народной Республики (например, вулканы в Дариганской области и вулкан Клеменца в нагорье Хангай), в Южном Китае, Северной Индии, Австралии, Малой Азии и т. д. В Дунбэе в группе вулканов Уюн-Холдонги в районе города Мергень извержение происходило еще в 1724 году нашей эры (по китайским летописям).
В разных местах и в неодинаковом количестве по всем материкам рассеяны более древние вулканические области, в которых формы вулканов сильно пострадали от выветривания и размыва и сохранились только развалины вулканических гор и остатки лавовых потоков и покровов (рис. 165). Сохранились и еще более древние остатки, в которых мы находим только самые внутренние части вулканов и каналы, заполненные магмой. Такие остатки известны на Урале, в Донбассе, на Волыни, в Пятигорском районе Предкавказья, в Альпах и Карпатах, на Балканах, в Тибете, на Алтае, в Саянах, Забайкалье, на Чукотском полуострове, на Амуре и по всему морскому побережью от Владивостока до реки Анадырь. В Средней Сибири между реками Енисеем и Леной, в северной части Тунгусского бассейна лежит громадный лавовый покров, изливавшийся главным образом по трещинам; к югу и востоку от лавового покрова огромная площадь занята вулканическими туфами, которые выбрасывались из большого количества вулканов и трубок взрыва. Такую же древнюю вулканическую область представляет плато Декан в Индии с его лавовыми покровами. Острова Арктики — Шпицберген, Земля Франца-Иосифа, Гренландия — также изобилуют древними лавовыми покровами, покрывающими толщи осадочных пород и частью переслаивающимися с последними.
Все эти древние вулканические области обнаруживают явную зависимость от поясов сильной складчатости или от разломов земной коры. Вдоль по трещинам разломов возникали цепи действующих вулканов или происходили трещинные излияния лавы. В некоторых из этих областей, именно в более молодых, последние отзвуки вулканической деятельности еще проявляются в виде горячих источников, показывающих, что вулканический очаг, резервуар магмы, на глубине еще не совсем остыл и из него продолжает выделяться ювенильная вода. Такими признаками угасшего вулканизма являются горячие источники берегов озера Байкал и Баргузинской тайги, Карловых Вар в Чехословакии, Пятигорска и Боржоми на Кавказе, Киссингена в Германии, Оверни во Франции, Демавенда в Иране и других. Но не только теплые, а во многих случаях и холодные минеральные источники представляют последние отзвуки былой вулканической деятельности.
Наблюдения над современными вулканами показали, что, когда вулкан после сильных извержений потухает и его фумаролы охлаждаются, в них уменьшается разнообразие газов и даже из главного центра выделяются только сернистый и углекислый газы, а также водяной пар. В таком состоянии вулканы называют сольфатарами (рис. 166).
В дальнейшей стадии потухания вулканы выделяют только углекислый газ и углеводороды в виде так называемых мофетт. Поэтому в древних вулканических областях теплые и холодные минеральные источники можно считать ювенильными водами вулканического происхождения, а не вадозными, согретыми и минерализованными на глубине.
Одним из самых замечательных вулканических районов, сравнительно молодым, является йеллоустонский национальный парк в Скалистых горах Соединенных Штатов Америки. Река Иеллоустон врезалась ущельем в громадную толщу лав и туфов прежних извержений (рис. 167), в которой погребены остатки деревьев на 15 горизонтах. Пятнадцать раз в этой местности вырастал большой лес со столетними деревьями, и пятнадцать раз соседний вулкан засыпал новый лес пеплом и заливал лавой. Многие деревья окаменели на корню и сохранились в вертикальном положении в виде пней, другие же — в виде поваленных стволов. Это свидетельствует о том, что здесь пятнадцать раз происходили катастрофические вулканические извержения, после которых должны были протекать целые века, чтобы на новой поверхности возник и вырос новый большой лес (рис. 168).
В том же Национальном парке мы находим другие доказательства недавней вулканической деятельности в виде обильных гейзеров.
Гейзеры
Гейзеры представляют собой горячие источники, извергающиеся периодически в виде более или менее высоких фонтанов. Они известны только в вулканических областях, как современных, на Камчатке, на островах Исландия и Новая Зеландия, так и более древних — в Йеллоустонском парке. Одни из гейзеров вытекают из отверстий на дне небольшого бассейна, другие — из отверстий среди слоев кремневого туфа, которые и являются отложениями горячей воды. Извержения гейзеров происходят с разными промежутками, постоянными для данного источника; одни извергаются каждые 10 или 20 минут, другие — через несколько часов, третьи — раз в сутки. Извержению предшествуют подземные удары, а в бассейне — вскипание воды; затем вырывается фонтан воды, действующий также различное время и потом прекращающийся. Температура воды гейзеров от 60 до 99°С; в растворе она содержит главным образом кремнезем, который и выделяется, образуя вокруг отверстия небольшие неправильные конусы, или бассейны, окруженные террасами, по которым вода стекает и которые при этом постепенно нарастают. В Исландии главный, Большой гейзер действует каждые 24—30 часов; в Новой Зеландии целые десятки их бьют в долине Вайкато, вокруг озера Ротомагана; самый крупный гейзер Тетарата отложил уже целый ряд белоснежных террас из кремневого туфа. В Йеллоустонском парке есть несколько десятков гейзеров разного размера, имеющих отдельные названия (рис. 169). По соседству с некоторыми гейзерами часть леса, заливаемая минеральной водой, постепенно гибнет: деревья на корню пропитываются кремнеземом и становятся окаменелостями.
В 1941 году были обнаружены крупные гейзеры на Камчатке близ вулкана Кихпиныч в долине реки Гейзерной.
В этой долине находится свыше 20 больших гейзеров, из которых один, называемый «Великаном», является наиболее крупным. Он выбрасывает струю воды диаметром у грифона до 3 метров, на высоту до 40 метров, а пар временами поднимается ввысь на несколько сот (до 400—500) метров.
Режим камчатских гейзеров разнообразен. Одни отличаются длительностью покоя, другие, наоборот, длительностью извержения и кратковременным покоем.
Продолжительность одного полного периода, т. е. извержения и покоя, в камчатских гейзерах различная — от 2,5 минут до 5 часов. Продолжительность извержения воды и пара от 1 до 12 минут. Высота выбрасываемой струи воды от 1 до 40 метров. Температура воды в гейзерах от 94 до 99°С.
Большинство гейзеров отличается нерегулярностью извержения. Они действуют на Камчатке с точностью в 20—40%, причем по сравнению с другими гейзерами земного шара они все-таки являются более регулярными.
С течением времени режим гейзеров меняется, обычно периоды их деятельности становятся более продолжительными.
Интрузии
Магма, поднимающаяся из недр Земли, далеко не всегда достигает поверхности, создавая вулкан и его извержения. Гораздо большее значение, судя по массам горных пород, образовавшихся из магмы, имеют извержения, оставшиеся на некоторой глубине и называемые интрузиями, т. е. внедрениями, так как магма внедряется среди слоев земной коры, иногда пользуясь имеющимися пустотами, но чаще создает себе место, поднимая и раздвигая слои и расплавляя их своим жаром.
Интрузии имеют весьма различную форму и различную величину. Самые крупные, занимающие площади от нескольких десятков до нескольких сот квадратных километров (и имеющие соответствующий объем), называют батолитами; в плане они имеют вытянутую или округлую форму с отростками и выемками; верхняя поверхность их неровная, с выступами (куполами). Более или менее крупные участки или отдельные глыбы осадочных пород, слагающих кровлю батолита, в которые внедрилась магма, оторваны от последней и погружены в его массу в виде ксенолитов. Батолиты небольших размеров, площадью в сотни и тысячи квадратных метров, называются штоками.
Часто магма поднимает куполом слои земной коры и застывает в форме, напоминающей каравай хлеба и называемой лакколитом; у последнего всегда есть канал под дном, по которому магма поднималась вверх. Лакколиты могут образоваться только недалеко от земной поверхности, среди слоев горизонтальных или слабо наклонных, которые под напором магмы могут подняться вверх. В кровле лакколита, если она состоит из более тонко наслоенных пород, можно видеть внедрение магмы в промежутки между слоями, т. е. по плоскостям напластования, иногда на значительное расстояние. Лакколит можно считать неудавшимся вулканом — магме не удалось прорваться на поверхность, а с другой стороны, возможно, что на некоторой глубине под действующим вулканом находится лакколит в виде резервуара магмы, производящей извержения. На рис. 181 изображен лакколит (гора Аю-Даг), вскрытый размывом.
Поучительный пример лакколитов представляет район Минеральных Вод на Кавказе, где мы видим целый ряд отдельных гор, всего семнадцать. Одни из них являются лакколитами, уже размытыми эрозией, как Бештау, Змиевка, Развалка, Железная гора, Верблюд, Бык, где на поверхность выходят изверженные породы, тогда как другие, как Машук, Лысая, Юца, Свистун, представляют собой лакколиты, еще скрытые под оболочкой куполообразно приподнятых осадочных пород. На рис. 174 изображен разрез гор Бештау (7), Железной (2) и Развалки (3), на котором видно, что при внедрении лакколита слои иногда сильно заворачиваются и даже опрокидываются. Лакколит Железной и Развалки — общий, с двумя вершинами, между которыми виден остаток кровли. Внедрение, очевидно, происходит не так спокойно, как изображает идеальный разрез (рис. 173). Горячие и холодные минеральные источники разнообразного состава, которыми славится этот район, представляют последние отзвуки давно уже замершей интрузии, не создавшей здесь вулканов. Но не так далеко отсюда на юг мы находим Эльбрус, представляющий собой огромный вулкан, действовавший, очевидно,, еще на глазах человека, судя по приуроченной к нему легенде о Прометее, похитившем с неба огонь и прикованном богами в наказание к вершине горы.
Кроме батолитов и лакколитов, интрузии слагают и другие, более сложные или простые формы; из них мы отметим, как наиболее часто встречающиеся, только жилы, которые или пересекают слои осадочных пород в разных направлениях и называются секущими, или же располагаются между слоями по плоскостям напластования и называются пластовыми или силлами (рис. 177). В жилах различают висячий бок (В), лежачий бок (Л) и мощность, которую определяют перпендикулярно к этим бокам. Эта мощность бывает очень различная, от сантиметра до десятков и даже до сотни-другой метров. Одни жилы быстро кончаются, выклиниваются, другие тянутся на сотни метров или на километры.
Жилы часто раздуваются, т. е. увеличивают свою мощность, или утоньшаются, образуют пережимы. Они отходят и от батолитов и от лакколитов, а также от вулканов, именно от их канала, и представляют собой заполнения магмой трещин (секущие) или внедрения магмы по плоскостям напластования.
Типы изверженных горных пород
Магма, застывшая в батолитах, лакколитах, жилах, в потоках и покровах лавы, представляет собой горные породы, которые называются изверженными или магматическими, как мы указали в начале этой главы. Эти породы очень разнообразны по своему составу и строению. Изучением как этих, так и осадочных пород занимается петрография, крупная отрасль геологии; здесь мы можем дать только самое общее понятие об их составе и строении.
Изверженные породы делятся прежде всего по содержанию кремнезема на кислые (содержащие свыше 65% окиси кремния), средние (52—65%), основные (42—52%) и ультраосновные (менее 42%).
По условиям залегания мы различаем среди изверженных пород: а) интрузивные, или глубинные, которые застывали в земной коре на глубине и в зависимости от этого приобрели зернистое строение; б) эффузивные, или излившиеся (также вулканические, экструзивные), прорвавшиеся на земную поверхность по каналам вулканов или трещинам и затвердевшие под атмосферным давлением; в) жильные, представляющие магму, застывшую в трещинах земной коры на различной глубине.
По строению различают породы:
1. Полнокристаллически-зернистые, образующиеся в том случае, когда магма остывала очень медленно на глубине и все минералы, входящие в состав породы, успели выделиться в виде кристаллов или зерен приблизительно одинаковой величины. В качестве примеров назовем из кислых пород гранит, из средних — диорит и сиенит, из основных — габбро и из ультраосновных — перидотит.
Гранит состоит из кварца, полевых шпатов и слюды, рядом с которой или вместо которой бывает роговая обманка, редко авгит.
Диорит и сиенит состоят из полевых шпатов и слюды (или роговой обманки, авгита); разница между ними зависит от состава полевого шпата — калиевого (у сиенита) или известковонатрового (у диорита).
Габбро состоит из известково-натрового полевого шпата, пироксена (диаллага, авгита, гиперстена) и оливина.
Перидотит состоит из оливина и авгита, иногда с примесью роговой обманки, слюды.
2. Порфировые горные породы образуются при более быстром затвердевании магмы на небольшой глубине или на поверхности и отличаются тем, что часть минералов успела выделиться в виде зерен или кристаллов заметной величины, тогда как остальная часть застыла в виде очень мелкозернистой массы, часто содержащей еще стекло в большем или меньшем количестве. Когда лава застывает так быстро, что никакие минералы не успевают выделиться, то образуется вулканическое стекло; это сплошная более или менее прозрачная масса разных цветов, похожая на искусственное стекло.
В качестве примеров порфировых пород назовем из кислых кварцевый порфир, липарит, из средних — дацит, трахит, из основных — порфирит, андезит, базальт, из ультраосновных — пикритовый порфирит. Состав этих пород тот же, что у названных полнокристаллических (например, кварцевый порфир и липарит соответствуют граниту, трахит — сиениту, порфирит и андезит — диориту и т. д.), но строение другое, в зависимости от других условий затвердевания.
3. Стекловатые породы или целиком состоят из стекла или же содержат в стекле некоторые минералы, успевшие выделиться. Примеры: витрофир (стекловатый порфир), витро-базальт (стекловатый базальт), обсидиан, пемза, пехштейн (сплошные стекла состава липарита, дацита).
Различают еще пузыристые породы, как разновидность порфировых и стекловатых, богатые пустотами различной величины, оставленными газами, которые выделились из лавы. В зависимости от величины и формы пустот говорят о губчатом, пузыристом, грубо- и мелкопористом строении, которое вообще свойственно породам, излившимся на поверхность земли.
Читатель может спросить, почему порфировые породы, соответствующие по составу граниту, называют и кварцевым порфиром и липаритом и какая между ними разница? Дело в том, что среди порфировых пород различают более древние и более молодые или более измененные и более свежие; к первым принадлежат кварцевые порфиры, порфириты, ко вторым — липариты, трахиты, дациты, андезиты, базальты.
Более древние породы отличаются большей уплотненностью, они уже успели подвергнуться разным изменениям под воздействием химических и физических агентов; в них исчезли мелкие поры, оставленные газами, которые выделялись из магмы при ее застывании. Среди выделений у некоторых молодых пород имеется стекловатый полевой шпат (санидин), отсутствующий у древних. У последних стекло в основной массе часто уже раскристаллизовалось. В большинстве случаев древнюю порфировую породу нетрудно отличить от молодой.
Необходимо сказать несколько слов о метаморфических породах, которые образуются на глубине из осадочных пород при их соприкосновении с интрузиями. Жар, выделяемый последними при остывании, а также их пары и газы производят более или менее сильное изменение, выражающееся в разных степенях — от появления отдельных новых минералов до полной перекристаллизации осадочной породы, т. е. до превращения ее в кристаллическую. Значительное давление, господствующее на глубине, а также развивающееся при горообразовании, высокая температура и циркулирующие по породам растворы являются агентами метаморфизма.
Примеры метаморфических пород: гнейсы, кристаллические сланцы, кварциты, мраморы. Гнейс, имеющий состав гранита, образуется или из осадочных пород, полностью перекристал-лизованных, и тогда называется парагнейсом, или же интрузивная масса, застывая под давлением при горообразовании, получает сланцеватое строение и превращается в ортогнейс. Мрамор образуется из известняков и доломитов; кристаллические сланцы, роговообманковые, слюдяные, хлоритовые и пр. создаются из разных осадочных пород.
Изучение вулканов
Изучение вулканов представляет важную, но в некоторых отношениях особенно трудную задачу. Изучать древние, давно потухшие и глубоко размытые вулканы, конечно, не труднее, чем выходы каких-нибудь других пород; таким путем можно составить представление о внутренности вулкана, его составе и строении, о форме и способе заполнения канала, о соотношениях горных пород разного рода и о последовательности наслоений в вулканическом конусе.
Батолиты и лакколиты, вскрытые размывом более или менее глубоко, позволяют изучить состав и строение этих подземных проявлений вулканизма, выяснить процесс их внедрения в слои земной коры, затвердевания и влияния на окружающие горные породы. Но самый процесс вулканизма в его разнообразных проявлениях на земной поверхности и во всех фазах его развития можно изучать только на действующих вулканах, и здесь изучение встречает громадные трудности в виде удушающих или ядовитых газов, горячих водяных паров, палящих туч и выбрасываемых раскаленных бомб.
Тем не менее с начала XX века в изучении действующих вулканов сделаны значительные успехи. Сперва американские ученые проникли в обширный кратер вулкана Килауэа на Гавайских островах и с опасностью для жизни измеряли температуру расплавленной лавы, брали образчики ее, собирали газовые выделения. Собирание и анализ газов помогли решить сложный вопрос об их составе, в особенности об участии паров воды, которое многие оспаривали. Позже начали спускаться в кратеры Везувия и Стромболи; в первом погиб ученый Мер-калли; во втором Кернер достиг на канате глубины 250 метров. Японский геолог и журналист спускались в кратер действующего вулкана Михараяма близ города Иокогамы. Для спуска была использована снабженная искусственным охлаждением стальная гондола. Оба наблюдателя были снабжены асбестовыми костюмами и газовыми масками. До глубины 150 метров в кратере была достаточная видимость, можно было наблюдать извергавшуюся лаву и взрывы газов и делать съемки. Спустя еще 30 метров видимость настолько ухудшилась, что спуск можно было продолжать лишь наугад. На глубине 370 метров гондолу стало так сильно швырять взрывами газов, что дальнейший спуск сделался небезопасным и пришлось дать сигнал к подъему. Научный результат посещения кратера — собранные пробы газов и несколько сот фотографических снимков.
После нескольких неудачных попыток в последние годы удался спуск в кратер Ключевской сопки на Камчатке, очень высокого вулкана, подъем на вершину которого уже требует большой затраты сил. В 1935 году участники камчатской экспедиции геолог Кулаков, химик Троцкий с рабочим Микули-ным и альпинистом Коптеловым побывали в кратере, собрали газы и наблюдали выделение дыма и выбрасывание лапилли и бомб.
На вулкане Килауэа специальную наблюдательную станцию уже давно организовали американцы, а на Везувии — итальянцы.
Вулканологическая станция Академии наук СССР, построенная в 1935 году около Ключевской сопки — самого активного вулкана на Камчатке, изучает вулканическую деятельность в разнообразных ее проявлениях: механизм извержений, состоящие вулкана в промежутки времени между извержениями, фумарольную и сольфатарную деятельность, гейзеры и горячие источники.
Большое внимание уделяется выявлению признаков наступающего извержения с целью предупреждения населения о нем.
За время существования станции произошел ряд извержений вулканов Шивелуча, Ключевского, Толбачика, Малого Семячика, Карымского, Жупановского, Авачи, Мутновского, Сарычева и пика Креницына, которые в той или иной степени наблюдались и изучались.
Кроме того, изучаются вулканические продукты (т. е. лавы и другие вулканические породы, минералы, возгоны и вулканические, преимущественно фумарольные, газы), а также формы вулканов и другие объекты. До настоящего времени эти наблюдения и исследования опубликованы в 23 номерах «Бюллетеня» и в 9 томах «Трудов».
Польза и вред вулканов
Давно уже замечено, что вулканические породы, выветрившись и разложившись, дают очень плодородную почву. Поэтому склоны и окрестности действующих вулканов при соответствующем климате густо заселяются человеком, обрабатывающим почву, несмотря на постоянную угрозу возобновления извержений. Пепел, выбрасываемый вулканом, является удобрением полей и садов, конечно, если выпадает не в таком количестве, чтобы засыпать и уничтожить растительность.
Отложения нашатыря и в особенности серы в кратерах некоторых вулканов Служат предметом добычи, иногда с опасностью для жизни рабочих.
Минеральные источники, связанные с вулканами как действующими, так и древними, издавна используются человеком для лечебных целей. Красивое зрелище периодически извергающихся гейзеров привлекает туристов.
Выделения углекислого газа в некоторых местах улавливаются для получения жидкого углекислого газа. Большую ценность представляют выделения борной кислоты, которые собирались в вулкане Вулькано до его последнего извержения, уничтожившего аппаратуру. Большое значение имеют горячие фумаролы и источники Соффиони в Тоскане, в Италии, содержащие борную кислоту; их использовали уже с 1818 года, а в последнее время начали утилизировать тепловую энергию фумарол не только для извлечения борной кислоты, но и для получения механической и электрической энергии. Посредством буровых скважин, глубиной от 60 до 1561 метра, улавливаются пары с температурой от 100 до 240°С в количестве до 3000 тонн в час. Пар содержит до 6% газов, главным образом углекислого (90%), а также сероводорода, метана, аммиака, азота, аргона и гелия. Заводы вырабатывают борную кислоту, буру, карбонаты натрия и аммония и большое количество электрической энергии, потребляемой соседними городами.
Успех этого предприятия побудил заняться вопросом об утилизации фумарол в Южной Италии, Калифорнии, Индонезии, Чили и Боливии. Но громадные количества пепла и газов, которые выделяются в короткое время при вулканических извержениях, до сих пор не используются человеком, так как непостоянство этих явлений и громадный риск для всей аппаратуры и для людей делают овладение силами вулкана очень трудной задачей.
Вред, приносимый вулканами, значителен, но не так велик, как казалось бы по сравнению с землетрясениями. Население склонов и ближайших окрестностей вулкана терпит материальный и жизненный ущерб в связи со следующими явлениями, обусловленными вулканизмом: 1) землетрясения, предшествующие и сопутствующие извержениям, разрушают здания, дороги и нарушают режим источников; 2) грязевые потоки уничтожают поля и сады, портят дороги и здания; 3) пепел и бомбы при сильном выпадении приносят такой же ущерб; 4) лава заливает культурные угодья, дороги, улицы, разрушает дома; 5) палящие тучи уничтожают не только всю растительность, но и вообще все живое в сфере своего прохода, как показало извержение Лысой горы в 1902 году, погубившее город Сен-Пьер и все его население в 26 000 человек; 6) волны, возникающие при подводных извержениях, производят сильные разрушения на соседних берегах.
Все эти явления связаны с большей или меньшей потерей человеческих жизней; по произведенным подсчетам в связи с вулканическими извержениями погибло с 1500 года около 190 000 человек. По сравнению с числом жертв землетрясений, наводнений и тайфунов (ураганов) это немного.
Источник: «Основы геологии», В. А. Обручев, 1956