Menu

Структурные и динамические типы извержений

А. Гики (Geikie) в 1903 г. выделил три типа извержений: центральный (везувианский), трещинный (плато, образованные массовыми излияниями базальтов), тип Пюи (область Овернь), названный позднее ареальным или многовыходным. Это геологическое разделение, как говорил А. Н. Заварицкий, «основано на том различии в предполагаемом механизме извержений, которое связано с геологической структурой основания вулканов. Морфология вулканических построек почти не принимается во внимание. Рассматриваемая как следствие механизма извержений, она даже не упоминается среди признаков первого порядка по их значению. Мы теперь классифицируем типы вулканической деятельности, исходя из главных физико-химических особенностей магмы, с которыми непосредственно связан характер извержений».

В таблице Зондера (Sender, 1937) координатами служат температура и вязкость магмы, связанная с ее составом, определяющим отчасти температуру кристаллизации, и давление (или глубина), при котором происходит взрыв начала извержения и определяется возможное содержание газа. В связях этих термодинамических условий с определенной структурой земной коры следует искать закономерности вулканизма.

Примерами трещинных излияний могут служить базальтовые потоки, образующиеся в современных условиях на склонах крупных полигенных вулканов Камчатки (Ключевская сопка, Толбачик). Эти трещины имеют структуру эксплозивных рвов и приурочены к зонам, радиально расходящимся от вершины вулкана и связанным с куполообразным поднятием его фундамента. Очевидно, к этим радиальным направлениям тяготеют зоны ослабления, дающие выход газам и лавам. Казалось бы, возможно появление вулканических центров по концентрическим направлениям вокруг вулкана. Однако с этим направлением, по которому развиваются кольцевые разрывы, опоясывающие вулкан, обычно связано кальдерообразование — вулкано-тектоническое обрушение с возникновением эскарпа, обращенного крутым обрывом в сторону вулкана.

Трещинные излияния по радиальным направлениям связаны не с тектоническими разрывами, которые принято представлять в виде сбросов, а с зонами ослабления фундамента. Вне поля этих напряжений (в отдалении от вулкана) возможны излияния аре-ального (многовыходного) типа, с которыми часто бывает связано формирование вулкано-тектонической депрессии неправильной формы.

Таковы, например, обширные лавовые поля у вулкана Толбачик на Камчатке и на западном склоне Срединного хребта. Здесь наблюдается хаотическое расположение шлаковых конусов, которые при всем желании невозможно подчинить какой-нибудь геометрически правильной схеме. Можно предполагать, что некоторые конусы не имеют жерл, уходящих к магматическому источнику, а образованы продуктами газовых выбросов на поверхность еще не застывших в глубине мощных лавовых потоков. Однако большинство конусов связано с глубокими жерлами, и их образование сопровождается излиянием лавовых потоков.

Непосредственное соседство шлаковых конусов, связанных с радиальными трещинами, и беспорядочных конусов ареальных излияний позволяет считать, что в обоих случаях имеет место общая закономерность излияний, а именно: прорыв жерл при площадных излияниях приурочен к зонам ослабления фундамента, образующимся в связи с расширением при его поднятии под влиянием поднимающегося теплового фронта. Если эта система напряжений подчинена определенным геометрическим закономерностям (радиальным или концентрическим) по отношению к структуре фундамента, выявленной при геологическом исследовании, то и расположение жерл, сопровождающихся излияниями и шлаковыми конусами, можно будет геометризировать, как сеть трещин. Если же такой правильной системы напряжений в фундаменте не сформируется, магма будет отыскивать себе пути стихийно, и никакой системы в расположении жерл не будет.

По А. Н. Заварицкому (1945), малодифференцированные лавы достигают земной поверхности в разных местах, где этому способствуют трещины, и изливаются с образованием шлаковых конусов. При этом господствует тип извержений, названный Г. В. Тиррелем многовыходным (ареальным) в отличие от центрального или трещинного. Ареальные излияния не сосредоточиваются длительное время в одном месте и не приурочены к определенной линии; многочисленные кратковременные небольшие лавовые излияния происходят из жерл вулканов, хаотически рассеянных недалеко друг от друга. Следовательно, в областях ареального вулканизма в земной коре существуют такие условия, что возникшие трещины, облегчающие выход магме, потом закрываются и возникают в новом месте. Эти разломы не обладают постоянством, как при линейном или центральном вулканизме, а образуют системы дробления области на ряд блоков. По окраинам таких областей происходит стабилизация разломов, что приводит к относительному постоянству центров извержений.

Тип извержения — площадной (ареальный), линейный, трещинный и центральный — зависит от структуры фундамента, определяющей условия теплового потока и поднятия вулканического материала к земной поверхности.

Ареальные извержения, или «групповой вулканизм» (Риттман, 1964), — это площадные излияния через жерла, расположенные беспорядочно. Они обычны для базальтов и сопровождаются образованием над жерлами взрывов шлаковых конусов. По современным представлениям, при площадных базальтовых излияниях на платформах магма поднимается по глубоким трещинам из перегретого подкорового астеносферного слоя.

Площадной вулканизм сопряжен с обширными поднятиями и следующими за ними вулкано-тектоническими и гравитационными обрушениями по сложной сети трещин. Ареальные излияния флюид-базальтов затопляют обширные пространства платформенных областей или тыловых зон орогенных поясов. К ареальным относятся также извержения пеплов в больших объемах, образующих игнимбритовые покровы. Предполагается, что прорыв на поверхность больших масс пепловых туфов происходил в некоторых случаях вследствие проплавления и обрушения кровли крупными гранитными батолитами. При этом образуются вулкано-тектони-ческие депрессии разного типа на площадях в несколько десятков тысяч квадратных километров.

Таким образом, структурные нарушения в зависимости от типа вулканической деятельности охватывают не только вулканы, но и фундамент вулканической области.

Линейность вулканических извержений определяется глубинной структурой фундамента, на котором расположены ряды независимых в своей деятельности базальтовых и андезитовых стратовулканов. К линейному типу извержений относятся продольные и поперечные ряды крупных вулканов островных дуг, ранних орогенов, вулканов континентальных и океанических платформ, связанных с рифтовыми долинами и субкоровыми дайками. При этом линейное расположение вулканов подчинено направлениям господствующих дислокаций. Линейные тектонические структуры островных дуг и окраинно-континентальных Кордильер определяют общую протяженность линейных вулканических поясов.

Трещины растяжения (линейные, радиальные, кольцевые) возникают в процессе вулканизма как реакция на сводообразующие усилия. При ослаблении вулканической деятельности в связи с опустошением лавовых резервуаров эти трещины переходят в сбросовые структуры, на которых формируются грабены, секторные сбросы, кальдеры. Превратившись в деструктивные разломы, они уже не проводят магматических расплавов. При возобновлении вулканизма возможно магматическое оживление этих структур.

Вулкано-тектонические структуры, поднятия и обрушения, деформирующие горные хребты и вулканические сооружения, способствуют образованию сложных вулканических построек. По трещинам растяжения на склонах этих вулканических сооружений и крупных вулкано-тектонических куполовидных поднятий происходят трещинные извержения — одноактные излияния лав с образованием серии шлаковых конусов и лавовых потоков (рис. 6). Излияния по радиальным трещинам встречаются на склонах конусовидных вулканов, кальдер, щитовых вулканов Гавайи и Исландии.

Центральный тип извержений связан с вулкано-тектоническими куполовидными поднятиями и пересечениями трещин растяжения. Полигенные вулканы центрального типа отличаются друг от друга составом и различными сочетаниями продуктов извержений, а также периодичностью деятельности. Это дает основание предполагать их структурные связи с относительно небольшими субвулканическими телами в фундаменте, но не с крупными интрузиями.

При центральных извержениях с некоторыми типами вулканической деятельности генетически связаны вулкано-тектонические депрессии, а также кальдеры обрушения и кальдеры взрыва, обычно встречающиеся в сложных сочетаниях между собой. Од-

Рис. 6. Лавовый поток по радиальной трещине. Вулкан Ключевской (вид сверху)

нако и центральные вулканы образуют линейные вулканические пояса, подчиненные региональным и планетарным структурам.

Для формирования вулканических построек важное структурообразующее значение имеют процессы вулканической деятельности, обусловливающие три основных типа извержения (эффузивный, эксплозивный и экструзивный) и зависящие от типа магмы и динамики извержений.

Эффузия — излияние жидкой лавы, способной растекаться на обширные пространства, образуя лавовые потоки. Если они покрывают большую площадь, то называются лавовыми покровами. Обычно это флюид-базальты, легко текучие вследствие перегретого состояния, или флюидные лавы более кислого типа с высоким содержанием газов.

Экструзия — поднятие вязкой лавы, выдавливающейся на поверхность из жерла или трещины и нагромождающейся в виде купола или обелиска. Процесс поднятия, расползания и нагромождения экструзий длится годами, сопровождаясь взрывами, образованием эксплозивных кратеров, лавин, вздыманием новых куполов, разламывающих более ранние. Обычно экструзии состоят из кислых андезито-дацитовых лав и их стекловатых разностей.

Эксплозия, или взрывная деятельность, вулканов является следствием повышения давления магматических газов, способных вызвать вскипание магмы в магматическом канале и преодолеть сопротивление вязкой лавовой пробки в жерле вулкана. При этом образуются пемзы, игнимбриты, шлаковые выбросы, вулканические бомбы, пеплово-обсидиановые туфы и вулканические брекчии.

Наиболее распространенное сочетание типов извержений — эффузивно-эксплозивное, при котором излияние лавы сопровождается взрывами или чередуется с ними, причем на поверхность выбрасывается большое количество рыхлых обломков, в зависимости от размеров образующих пепловые тучи или агломератовые потоки.

Среди рыхлых вулканических отложений, однако, не всегда легко отличить обломочные фации эндогенного происхождения от фаций грязевых потоков и ледниковых отложений.

Сочетание описанных выше вулканических процессов меняется на разных стадиях вулканической деятельности. Как правило, в начале геосинклинального вулканизма и на платформах преобладают базальты, отличающиеся спокойными эффузиями. По мере развития орогенеза увеличивается роль экструзивного и эксплозивного вулканизма, отличающегося лавами более кислого типа. Так называемый «эксплозивный индекс» показывает отношение между объемом пирокластических пород и лав. Этот индекс для областей базальтовых излияний не превышает 50, а в орогенных областях достигает 95—100.

Тип вулканического извержения зависит также от сочетаний твердых, жидких и газообразных продуктов, участвующих в процессе извержения. Эти продукты разделяются на туфы и лавы, непосредственно участвующие в строении вулканической постройки, и различные газы, деятельность которых обусловливает! ход вулканических извержений, в значительной степени определяющий структуру вулкана.

В образовании различных продуктов извержений важную роль играют условия вулканизма, определяемые как подводные (субаквальные) и надводные (субаэральные).

При подводных извержениях на значительных глубинах давление воды превышает давление эруптивных газов, подавляя возможность эксплозии. Поэтому здесь преобладают излияния лав, образующих лавовые плато и щитовые вулканы, при незначительной роли обломочных продуктов и отсутствии пепловых облаков и извержений туфов в больших объемах.

Извержения в мелководных бассейнах близки к субаэральным,,. но при этом увеличивается роль паров воды в эксплозиях. Происходят гидроэксплозии, вызываемые проникновением воды по трещинам в глубь вулкана. Фреатические взрывы такого типа происходят также в субаэральных условиях, при извержениях через, кратерные озера и ледники. Выбросы воды и грязи, образующейся при смешении пепла с водой, являются причиной холодных и горячих лахар, стекающих по склонам вулканов. Такие грязевые потоки распространяются на большие расстояния.

Своеобразным типом извержения, где вода также играет значительную роль, являются подледные излияния, часто происходящие в Исландии. При этом грязевые и агломератовые потоки распространяются под толщей ледников, покрывающих склоны вулканов. Кластические образования такого типа в Исландии называются палагонитовыми туфами. Покровы палагонитовых туфов лежат на обширных площадях склонов и подножий щитовых вулканов.

Вулканические постройки состоят из лавы, пирокластических пород (в том числе пемзы) и резургентных выбросов, включающих обломки продуктов прежних извержений и фундамента вулкана.. Газы, состав, температура и давление которых определяют динамику извержений, рассматриваются как эруптивные, выбрасываемые под большим давлением при извержении вулкана. Это главным образом пары воды, составляющие около 70%, и газы: СО2,. N2, H2S, SO2, HC1, Н2. Вулканические газы, образующие фумаролы, те же, но среди них преобладают помимо паров воды сернистые газы и углекислота. Характеристике газообразных продуктов вулканической деятельности посвящены соответствующие исследования.

Выбросами газов, являющихся в значительной степени движущей силой извержения, обусловливается эруптивное (взрывное) состояние вулкана, его эруптивные циклы — периоды извержений, сменяемые периодами покоя.

Глубина, на которой в вулканическом канале пузырьки газа,, заключенные в лаве, лопаются и происходит вулканический взрыв, называется уровнем эксплозии. От положения этого уровня зависит ход извержения, в ряде случаев нарушающий структуру вулкана (образование кальдер взрыва, соммы вулкана и других структур, создаваемых зксплозиями).

Точкой эксплозии называется физико-химическая фаза магмы, на которой газ начинает бурно выделяться из расплава. Таким образом, начало извержения соответствует точке эксплозии, это происходит по достижении определенных температуры и внутреннего давления газов. Для каждого типа извержения имеется своя точка эксплозии с определенной температурой и давлением, обусловленными химическим составом и температурой магмы, определяющими ее вязкость. Вязкость магмы затрудняет выделение газов, способствуя сильным взрывам и образованию горячих пепловых туч.

В тот период, когда магма находится под большим давлением, чем давление пара молекулярно-растворенного газа, ее состояние характеризуется недосыщенностью газом и вязкость велика. При понижении давления магма становится очень жидкой (пиромагмой) и легко проникает по жерлу и трещинам к поверхности Земли. Совершая путь вверх, перегретая пиромагма охлаждается и дегазируется; вязкость ее увеличивается. Участвуя в извержении, магма освобождается от большей части газов и становится лавой, изливающейся на поверхность земли.

В вулканических процессах, стимулирующих извержения, важную роль играют конвекционно-гравитационный тепло-массоперенос, степень дифференциации магматических расплавов и насыщенность их газообразными продуктами.

Приводимая ниже кинематическая характеристика типов вулканических извержений не выходит за пределы оценки роли этих извержений в образовании вулканических структур.

Характеристики извержений центрального типа разработаны наиболее детально. Главными факторами, определяющими тип извержения, являются энергия извержения и состав магмы. При этом в жизни каждого вулкана, в связи с дифференциацией в вулканическом очаге на разных стадиях вулканической деятельности, в известных пределах изменяется тип извержений.

Мы коснемся характеристики главных типов центральных извержений и структурных черт, накладываемых ими на вулканические постройки и их фундамент. Извержения центрального типа наиболее характерны для современной деятельности вулканов. В зависимости от вязкости и газового давления магмы извержения протекают по-разному. Вулканам с периферическими очагами, вероятно, свойственны извержения с неглубоким уровнем вулканических эксплозии. Вулканы, действующие из более глубоких очагов, вероятно, имеют и более глубокий уровень эксплозии. Однако этот вопрос еще недостаточно изучен.

Далее описываются важнейшие динамические типы извержений.

Извержения гавайского типа поставляют наибольшее количество жидкой лавы, образующей обширные протяженные потоки с лавовыми озерами в кальдерах обрушения. Извержение происходит спокойно, с легким фонтанированием и редкими взрывами. Газовое давление невелико, температура лавы до 1200°. Извержения из лавовых озер происходят длительное время с небольшими перерывами. Рыхлый материал, присутствующий в незначительном количестве, образует шлаковые конусы и агглюти-натовые нагромождения с бомбами и лапилли. Эксплозивный индекс 10—15. Чуждый материал из фундамента вулкана отсутствует. Такой тип извержений свойствен главным образом щитовым вулканам.

В извержении стромболианского типа участвует базальтовая лава, но менее горячая (около 700°) и более взрывчатая, так как обладает более высоким газовым давлением, чем при гавайском типе. Поэтому часты ритмичные взрывы, невысоко выбрасывающие шлаки и бомбы с небольшим количеством пепла. Эксплозивный индекс 30—50. К этому типу относятся извержения крупных базальтовых вулканов.

Извержение вулканского типа характерно для андезитовых или более кислых лав с температурой около 900° и со значительной вязкостью, способствующей образованию сильных газовых взрывов при извержении, сопровождающихся выбросами несветящегося пепла. Эксплозивный индекс 60—80. Такое извержение характеризуется излиянием лавовых потоков от подвижных базальтовых, распространяющихся на десятки километров, до андезито-дацитовых вязких и мощных коротких потоков, которые обычно сопровождаются значительным количеством обломочного материала. До 10% пирокластического материала составляют обломки пород фундамента.

Крайней разновидностью вулканского типа извержения (с более низкой температурой лав) является пелейский тип с хорошо дифференцированной магмой. Как правило, он отличается отсутствием потоков лавы. Пелейский тип извержения характеризуется очень вязкой и кислой магмой, образующей в кратере пробку. Обычны сильные взрывы, при которых по склонам вулкана скатываются раскаленные облака и лавины обломков древней постройки вулкана. Извержение завершают агломератовые и грязевые потоки — результат растопления ледников или и снежных покровов. Иногда происходит поднятие из жерла вулкана экструзивных обелисков. Эксплозивный индекс около 100.

Разновидностью этого типа можно считать и катмайское извержение, иногда выделяемое как особый тип. В нем при более кислых магмах образуются большие пемзовые покровы. В максимальную стадию катмайского извержения агломератовые потоки бывают раскалены и при таянии снегов на вулкане образуются грязевые потоки. Происходят выбросы пеплов больших объемов, застывающих в виде игнимбритов (сплавленных туфов). Крупные взрывы, обрушая постройку вулкана, образуют кальдеры взрыва. Хотя при этом и происходит выброс обломков из фундамента, их объем не соответствует объему образовавшейся кальдеры. Поэтому есть основание предполагать, что в этом процессе участвует и обрушение кровли периферического очага вулкана.

Для бандайсанского (фреатического) типа извержения обычны мощные взрывы, разрушающие значительную часть вулкана. Эти взрывы связываются с проникновением в недра вулкана поверхностных вод. Скатывающиеся по склонам лавины не достигают температуры раскаленных лавин. Рыхлый материал, состоящий из обломков пород вулкана, при направленном взрыве занимает площадь в несколько десятков квадратных километров. При взрывах образуются громадные бреши в склонах вулканов, большие кратеры и эксплозивные грабены.

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:4223 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:7423 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:4412 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Покрытия криволинейного очертания в план…

Из таких покрытий в первую очередь заслуживают рассмотрения круглые в плане с радиальной системой вант. В статическом и конструктивном отношениях эти покрытия хорошо изучены в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко...

20-09-2011 Просмотров:9268 Вантовые покрытия

Первая собственная частота колебаний мон…

Результаты, приведенные в разделах 4.5 и 4.6, свидетельствуют о том, что первая собственная частота р колебаний моноопоры зависит от условий нагружения ее верхнего конца, т.е. от сил тяжести буровых механизмов...

12-01-2011 Просмотров:7925 Морские буровые моноопорные основания

Аерофототопографічна й фототеодолітна зй…

Аерофототопографічна зйомка. Для більших територій топографічні карти й плани всіх масштабів становлять переважно аэрофототопографічним методом, сутність якого полягає в наступному. З літака з певної висоти, що залежить від масштабу зйомки...

30-05-2011 Просмотров:5524 Інженерна геодезія