Вулканы. Заметка 1: как устроена земля и откуда берётся энергия вулканов
В комментариях под постом Размеры вулкана под Йеллоустоном в диалоге с @filonPiL и @BOBAH.1 возникла идея выпустить серию постов о вулканах и лаве. О второй много интересного не расскажу, всё-таки конкретно вулканологией не увлекаюсь, а вот о вулканах, особенно с точки зрения их места и роли в более масштабных геологических процессах - пожалуйста.
Поскольку тема вулканов, проявлений различных форм вулканизма и их взаимосвязи с тектоникой весьма обширна, одним постом не обойтись - будет именно серия. В ней я расскажу про вулканы как про часть большой системы - геотектоники. И начну с ликбеза: без базового понимания устройства Земли любые описания процессов под вулканами будут восприниматься как магия ;)
Что вообще такое вулкан?
В представлении большинства обывателей, вулкан - это гора, которая время от времени извергает лаву. Но это слишком узкое представление. На самом деле, каждый отдельный вулкан - это выход глубинного вещества на поверхность, и он не обязан быть классической конусообразной горой, а вещество не всегда предстаёт в виде привычной густой оранжевой лавы.
И форма вулканов, и вид выходящих на поверхность веществ бывают очень разными: всё зависит от того, почему вулкан образовался и где именно это произошло.
По свойствам вулкана, относительно доступным к изучению, можно многое понять о скрытом в глубине земли. Таким образом вулкан - это ещё и проявление недоступных нашему глазу процессов в недрах: они отмечают границы литосферных плит, выдают места, где мантия поднимается к поверхности и фиксируют движение континентов сквозь миллионы лет.
А чтобы понять, откуда берётся вулканическое вещество, почему оно выходит на поверхность, за счёт чего формируется тот или иной вид вулканизма - нужно посмотреть, как устроена Земля.
Слои Земли
Со школы мы помним, что Земля - это шарик с относительно прохладной твёрдой оболочкой, раскалённым содержимым и железным ядром. Про шарик спорить не буду, про эллипсоид и геоид пусть расскажут геодезисты и картографы, а для нашего рассказа такого уровня точности достаточно.
Строение же у этого шарика действительно слоистое, но "базовые три слоя" (кора, мантия, ядро) - это слишком грубое приближение, и для нашего рассказа нужно их рассмотреть детальнее.
Самый глубокий слой - ядро - начинается с глубины 2900 км и сам по себе не является монолитом: есть внутреннее твёрдое ядро и внешнее жидкое. Именно в жидком внешнем ядре рождаются те самые вихревые электрические токи, которые формируют магнитное поле Земли. На процессы вулканизма этот слой напрямую не влияет, может быть кроме вулканов горячих точек (рассмотрим эту гипотезу в четвёртой части серии).
Следующий слой, мантия - наш главный герой. Её тоже делят на два уровня: верхнюю мантию и нижнюю. Нижняя нам понадобится позже, когда дойдём до мантийных плюмов, супервулканов и горячих точек, а сейчас сосредоточимся на верхней мантии.
В первом приближении большая часть верхней мантии твёрдая, состоит из минерала оливина и горных пород семейства перидотитов (состоят из того же оливина (Mg,Fe)2[SiO4], зеленоватого полупрозрачного минерала, и пироксенов - группы минералов с общей формулой (CaMgMn)2[Si2O6], с тёмной окраской, и небольшого количества акцессорных минералов, типа шпинели или граната). Но "твёрдая" здесь не значит "неподвижная и неизменная", как кусок такой же породы на поверхности.
Вот так выглядит перидотит на поверхности земли. Образец ксенолита в базальте (черный) - кусочек породы мантии, захваченный лавой и вынесенный извержением на солнечный свет.
В геологических масштабах времени вещество мантии ведёт себя как очень вязкая жидкость - из‑за огромных давлений и температур . Наглядный пример - знаменитые капли пека (Да что вы знаете про терпение): вот насколько медленными, но реальными могут быть "текучие" процессы в твёрдом на первый взгляд материале.
Внутри верхней мантии есть особенно важный слой - астеносфера. В нём температуры уже достаточно высоки (порядка 1300-1400 °C), а давление ещё не настолько экстремальное (в сравнении с более глубокими слоями), поэтому вещество частично расплавлено (обычно на 1-3 %) и обладает пониженной по сравнению с остальной мантией вязкостью. Астеносфера работает как смазка между жёсткой литосферой сверху и более твёрдой частью мантии снизу. Она залегает на глубине примерно 100-500 км, причём под океанами бывает ближе к поверхности, а под континентами - глубже.
И наконец, литосфера - как раз то, что мы обычно имеем в виду под "твёрдой оболочкой": она включает в себя земную кору (от 5 км толщиной под океанами и до 70 км под материками) и самый верхний, твёрдый слой мантии (до глубин порядка 120-200 км). Эта оболочка не монолитна как по свойствам (есть океаническая кора, есть континентальная), так и по строению: литосфера разбита на отдельные блоки - литосферные плиты. О причине их появления мы поговорим ниже.
Важный факт о различиях типов земной коры: существуют 2 основных типа земной коры - океаническая и континентальная. Океаническая кора тонкая (5–10 км) и плотная, состоит из 2 слоёв: базальтового и осадочного. Континентальная - толстая (30–70 км) и относительно лёгкая, между осадочным и базальтовым слоями есть третий - гранитный. В дальнейшем повествовании эта разница сыграет большую роль при рассмотрении ситуации, когда при столкновениях разных плит более тяжёлая океаническая кора легко «ныряет» под лёгкую континентальную.
Конвекция - "кастрюлька с кашей" планетарного масштабе
В описанной выше схеме всё может смотреться как набор статичных слоёв, но на самом деле всё сложнее: мантия медленно течёт, астеносфера работает как смазка, а литосфера раскалывается на плиты. Наша “луковица” живёт и двигается, и сейчас мы рассмотрим, как именно.
Представьте себе кастрюлю с густой кашей на плите. Каша нагревается снизу, поднимается, растекается, остывает - и где‑то в стороне от точки подъёма начинает опускаться. Это и есть процесс конвекции. В мантии происходит точно то же самое, только масштабы и сроки иные. Мантия нагревается от ядра, горячий материал поднимается, растекается вдоль границы астеносферы, и на некотором отдалении опускается обратно.
Но литосфера над мантией жёсткая и хрупкая, поэтому она не течёт, как пенка на каше, а ломается. Под действием вязкого трения со стороны астеносферы она медленно движется (1-10 см в год, для понимания масштаба - это приблизительно скорость роста ногтей), ломаясь на отдельные блоки - примерно как лёд колется на льдины на быстрой реке. Так образуются литосферные плиты, а их границы как раз и становятся центрами геологической активности, в том числе и вулканизма.
Две картины конвекции
У мантийной конвекции есть два квазистабильных режима - то есть таких, которые могут держаться десятки и сотни миллионов лет, пока система не "переключится" из одного в другой.
Режим одной конвекционной ячейки
Представьте себе гигантский вихрь на всю планету: раскалённое вещество мантии поднимается в одном "полюсе", растекается во все стороны и опускается на противоположной стороне земного шара. В таком режиме конвекции потоки будут стягивать континенты вместе. Над зоной опускания отдельные материки соберутся в единый суперконтинент. Последним из них и самым известным была Пангея, но до неё существовали Родиния, Колумбия (Нуна) и другие.
Важно отметить, что полюса подъёма и опускания мантийного вещества - это не географические и не магнитные полюса Земли. Это чисто конвекционные зоны, и они могут находиться где угодно.
Пример конвекции с одной ячейкой. Чтобы не путать полюса конвекции и полюса географические - северный полюс на иллюстрации - слева.
Режим двух конвекционных ячеек ("теннисный мяч")
Если в описанной выше схеме образуется асимметрия (а она обязательно образуется со временем), один из "меридианов" между "полюсами" конвекции удлиняется, на нём начинает образовываться застой вещества. В зоне застоя оно остывает, а остыв, начинает тонуть. Таким образом формируется второй полюс погружения. Конфигурация с двумя полюсами опускания при одном точечном полюсе подъёма очень нестабильна, и за небольшое (с геологической точки зрения) время формируется схема с условным названием "теннисный мяч". Её примерно можно описать следующим образом: на экваторе (по всей его окружности) вещество поднимается, а на двух полюсах опускается. Помним, что полюса и экватор здесь исключительно тектонические, а не географические. Со временем зона подъёма начинает изгибаться, и вместо ровных полушарий получаются два накрест лежащих лоскута, как у теннисного мяча.
В настоящий момент наша планета живёт примерно в таком режиме: Евразия, Африка и в какой-то мере Австралия это центр опускания одной ячейки, обе Америки и Антарктида - другой. Граница между ячейками проходит там, где активнее всего идёт спрединг (расширение морского дна) - прежде всего по центру Тихого океана и в Атлантическом Срединно-океаническом хребте.
Процесс возникновения и последующего распада суперконтинентов из‑за смены типа мантийной конвекции называется суперконтинентальным циклом.
А что насчёт обратного перехода? Суперконтинентальный цикл не заканчивается распадом суперконтинента и образованием "теннисного мячика", иначе это не был бы цикл. Со временем в новой конфигурации плит снова нарастает асимметрия, зоны субдукции (уменьшения океанов и слияния континентов) концентрируются в одном полушарии, и система постепенно «переключается» обратно к режиму одной ячейки. Тогда материки снова начинают стягиваться - к примеру, по мнению ряда учёных через ~300млн лет может сформироваться новый суперконтинент. И цикл замыкается: сборка - распад - снова сборка.
Различные гипотезы сборки следующего суперконтинента. Автору ближе всего вариант Новопангея, но на истину не претендую.
Виды границы плит
Как выше мы поняли, поверхность земного шара состоит из литосферных плит, которые движутся под воздействием мантийной конвекции. В центральных частях плит обычно спокойно (кроме разве что деятельности мантийных плюмов, но это мы обсудим в четвёртой заметке). А вот на границах происходит большинство тектонических событий, включая вулканизм.
В первую очередь на характер проявлений глубинных сил оказывает влияние то, как относительно друг друга движутся граничащие плиты.
Сходятся (конвергентная граница). Здесь более тяжёлая плита (чаще океаническая) погружается под более лёгкую - этот процесс называется субдукцией. Именно на таких границах сосредоточена бо́льшая часть вулканов на суше. Ярким примером служит Тихоокеанское огненное кольцо: там плиты активно сталкиваются, и вулканы тянутся длинной дугой вдоль почти всего побережья. Или сталкиваются две континентальные плиты - вулканизм в таком случае менее выражен, но получаются высокие горы, такие как Гималаи на месте столкновения Азиатской и Индостанской плит.
Расходятся (дивергентная граница). Плиты разъезжаются, и в трещину между ними поднимается мантийное вещество. Здесь рождается новая океаническая кора. Именно на дивергентных границах находится больше всего подводных вулканов. Классический пример - Срединно‑Атлантический хребет: по сути, это гигантский подводный вулканический шов, который медленно раздвигает Америку и Евразию.
Скользят вдоль друг друга (трансформная граница). Плиты не сталкиваются и не расходятся, а смещаются по горизонтали. С ними вулканизм обычно не связан (зато бывают сильные землетрясения). Пример - разлом Сан‑Андреас в Калифорнии: именно там Тихоокеанская и Северо‑Американская плиты "трутся" друг о друга.
Типы границ плит. А -дивергентная. Б и Г - конвергентные (б - океаническая и континентальная кора, Г - по обе стороны границы континентальная), В - трансформная.
Теперь у нас есть фундамент: мы знаем, из чего состоит Земля, как работает её «внутренний мотор» в виде мантийной конвекции, как из‑за этого двигаются материки и собираются/распадаются суперконтиненты. Мы также разобрались, какие бывают границы плит и почему именно на них концентрируется вулканическая активность.
Дальше будет конкретика: начнём с самых "злых" вулканов - тех, что рождаются на конвергентных границах, где плиты сталкиваются и борются за место под солнцем. Там формируются мощные стратовулканы и происходят наиболее опасные извержения. В следующей заметке разберём, как именно субдукция запускает плавление пород и приводит к появлению магмы, и посмотрим на примеры таких вулканических дуг. Не переключайтесь! ;)