Гавайеведение/Гавайская геология/Гавайские вулканы

Гавайеведение

---

1. Гавайская география
2. Гавайская геология
3. Гавайская биология и экология
4. Гавайская астрономия
5. Гавайская история
6. Гавайская культура
7. Путеводитель
8. Справочник

Глава 2. Гавайская геология

1. Образование Гавайских островов

2. Гавайские вулканы

3. Геологическая деятельность моря

Кратер Халемаумау вулкана Килауэа

Гавайские вулканы

История изучения

Вулканическая обсерватория на краю кальдеры Килауэа

Томас Джаггар, профессор геологии Массачусетского технологического института, в 1912 году основал Гавайскую вулканическую обсерваторию и был её директором до 1940 года. Основной задачей стало изучение работы вулканов и предсказание извержений. Ему принадлежит заслуга в убеждении американского Конгресса основать 1 августа 1916 года Гавайский вулканический национальный парк (Hawai’i Volcanoes National Park). Сейчас обсерватория обладает сетью датчиков, камер и сейсмометров по всему острову, дистанционно наблюдает за нагревом и составом вулканических газов, а также проводит спутниковые измерения поверхности вулканов. На острове ежегодно фиксируется более 100 тыс. мелких землетрясений. Заметные колебания земли встречаются не чаще раза в десятилетие.

Измерения

Сейсмометры практически не изменились за 100 лет

Важными вулканологическими измерениями является наблюдение за деформацией формы поверхности вулкана. Сегодня они осуществляются с помощью 60 GPS-датчиков, расставленных по всему острову и лазерных дальномеров. Это позволяет оценить процессы наклона поверхности от «сдувания и надувания» вулканов (анг. DI — Deflation/Inflation), под действием движения магмы по внутренним резервуарам в результате конвекции. Кроме этого измеряют деформации сбрасывания и разрывов от скольжения пластов по склону (бесшумные землетрясения), раскачивания поверхности и изменения гравитации.

Килауэа

Во время извержений вулканологи измеряют объемы, тип и скорость излияния лавы и оценивают степень опасности. Спокойные не взрывные выбросы и не высокие фонтаны жидкой горячей базальтовой лавы, которые тонкими слоями разливаются по поверхности, образуя щитовидные вулканы (англ. Shield volcano), геологи так и назвали гавайский тип извержений. Такие извержения хорошо изучены и вполне предсказуемы. Они начинаются по одинаковому сценарию: высокочастотные землетрясения (англ. Harminic tremor) от нарастания давления магмы продолжаются несколько месяцев. Непосредственно перед началом извержения они заменяются низкочастотными колебаниями от подъёма магмы. При этом деформируется (надувается) поверхность вулкана и изменяется состав вулканических газов. Затем в образовавшемся отверстии под давлением выходят вулканические газы, нередко они поднимают кратковременный фонтан лавы. Рекордный фонтан высотой 580 метров был зафиксирован в 1959 году во время извержения Килауэа Ики (Kīlauea Iki) или маленького Килауэа.

Отсюда 60 лет назад бил фонтан раскалённой пемзы и пепла (в 4 раза выше глубины кратера Килауэа Ики)

После падения давления газов начинается вытекание жидкой лавы. Гавайская лава одна из самых горячих на Земле. Вытекая на поверхность, магма превращается в лаву. Она похожа на жидкий мёд, обычно в ней уже мало газов, но они бурлят и лопаются на поверхности. Жидкая лава имеет температуру 1150°С поэтому вечером она светится желтым цветом, а остывая становится оранжевой и красной. К такому кипящему «мартену» невозможно подойти даже на несколько метров из-за сильного жара, поэтому геологи используют специальные теплоотражающие костюмы, чтобы зачерпнуть пробы лавы. Застывшая гавайская лава похожа на пористый хлеб, В ней большая концентрация железа, магния, кальция и даже титана.

Вулканические формы

Поток лавы текущий долгое время формирует русло направленное вниз по склону, как правило, в сторону океана. Такой канал постепенно застывает по краям и сверху, так образуется лавовая труба (англ. Lava tube). Застывшая лава благодаря газам обладает пористой структурой и хорошей теплозащитой. Внутри трубы поток остывает гораздо медленнее (всего 1°С на 1 км пути) и часто преодолевает более 10 километров пока не достигнет берега океана. В одной из таких труб на склоне была зафиксирована рекордная скорость потока лавы в 56 км/ч. На пути движения лавы могут образовываться лавопады (англ. Lava falls) и лавовые озёра (англ. Lava lake). В глубинах застывшего озера лава остаётся горячей ещё несколько десятилетий. За последние 30 лет наблюдений непрерывного извержения Килауэа отмечено, что 75 % потоков лавы доходили до океана, а самая долгая «огненная река» текла 22 месяца.

Канатная форма лавы — пахоэхоэ

Хорошо видны застывшие свежие потоки лавы в Вулканическом национальном парке. Одинаковая по составу лава может протекать и застывать в двух формах, которые зависят от совокупности факторов: стадии извержения, степени наклона склона, температуры и газового состава.

Первая форма это в основном гладкая и ровная лава, она похожа на новый асфальт, но её стекловидная поверхность блестит на солнце. Такая лава была очень горячей и жидкой, это позволило ей легко растекаться. Этот тип лавы получил название «пахоэхоэ» (гав. Pāhoehoe), что переводится, как лава, по которой «удобно ходить босиком». Звуки протекающей лавы похожи на жарящуюся яичницу с колбасой. Края пахоэхоэ часто застывают в форме пальца, или вздуваются в виде купола. Когда она выливается на равнину и приостанавливает своё течение, то её застывшая верхняя корка начинает сдвигаться притоком новых порций лавы и сморщивается в красивую складчатую структуру похожую на сложенные «канаты». Поэтому такую форму называют канатные лавы или «рисунки Пеле».

Другой тип лавовых потоков похож издали на свежевспаханные поля. Это более холодная и вязкая, медленно текущая лава с шумно перекатывающимися черепками и слипшимися комками. Её называют «аа» лава (гав. ‘A’ā). По полям аа лавы практически невозможно ходить, она состоит из нагромождения острых осколков и неустойчивых хрупких камней. Неслучайно островитяне дали ей такое название, шагая по ней босиком, они то и дело кричали «а-а …». Эти гавайские названия давно стали общепризнанными геологическими терминами, вошедшими во все учебники. Потоки пахоэхоэ лавы могут течь десятки километров и часто формируют лавовые трубы. Из-за того, что верхний слой лавы движется быстрее, возникает ощущение движения гусеницы трактора, которая постепенно нарастает в высоту по мере продвижения фронта потока.

Кристаллы оливина в лаве Мауна-Лоа

На подводных съемках можно увидеть, как лава вытекает из глубоководного вулкана Лоихи или стекает в океан из лавовой трубы. Такой поток лавы заметно отличается от наземного. Вода мгновенно охлаждает поток и он застывает в виде плотных вздутий, которые продолжают трескаться под внутренним давлением потока, образуя всё новые «подушки». Поэтому такой тип лавы назван подушечная (англ. Pillow). Подводный вулкан имеет коническую форму и растёт быстрее, так как его лава нагромождается, а не растекается по склонам.

Вулканические бомбы на Мауна-Кеа

Волосы Пеле на Килауэа

Во время прогулок по лаве то и дело обнаруживаешь интересные камни, капли, нити и черепки разной формы. Все они имеют научные названия и широко представлены в геологическом музее Джаггера (Jaggar Museum) в Вулканическом национальном парке. Некоторые кратковременные редкие извержения (несколько раз в столетие) сопровождаются газовыми выбросами лавы. При этом она застывает в полёте в разных причудливых фрагментах или тефрах (англ. Tephra): совсем мелкие продукты извержений (до 2 мм) это пепел (англ. Ash), более крупные (2 — 50 мм) — лапили (англ. Lapilli) или шлак (англ. Cinder), самые крупные — округлые вулканические бомбы (англ. Volcanic bombs) разной «аэродинамической» формы (веретено, лента, корка, лепёшка, орех и пр.). Мелкие фонтаны лавы могут застывать в виде стекловолокна (англ. Pele’s hair — волосы Пеле). Более крупные в виде капель (англ. Pele’s tears — слёзы Пеле). Если лава вытекает на берег, то вода оставшаяся под ней закипает, от этого лопаются пузыри лавы, так получаются тонкие полупрозрачные пластины (гав. Limu o Pele — водоросль Пеле). Сильно вспененная лава образует застывшую пену или пемзу (англ. Pumice). Если пепел от извержения в воздухе смешивается с дождём, то земля покрывается мелкими шариками. Интересно отметить, что вулканического стекла (обсидиана) на Гавайях нет, он характерен для другого типа вулканов, расположенных в местах взаимодействия плит земной коры.

Вокруг кратеров боковых конусов Мауна-Кеа разбросаны вулканические бомбы, похожие на каменные «мячи». Поищите шары, которые разбиты молотками, в их сердцевине иногда попадаются блестящие прозрачные кристаллы зеленовато-желтого минерала — оливина (olivine — магниево-железный силикат). Оливин красивый, но очень хрупкий минерал, его концентрация больше в старых вулканах. Если волны размывают кратер такого вулкана, то оливин превращается в зелёный песок, о котором будет написано в следующем разделе. Перидот (Peridot) — более ценная разновидность оливина, его крупные кристаллы используют ювелиры. Он встречается гораздо реже, так как его кристаллизация происходит при очень высокой температуре 1890°С. Таким образом, геологи по застывшему лавовому потоку легко определяют характер извержения его мощность, возраст и различные характеристики лавы.

Вог — вулканический смог

Вог из кратера Халемаумау на вулкане Килауэа, 2017

Вулканические газы состоят в основном из водяного пара (H₂O), углекислого газа (CO₂), азота (N₂), оксида серы (SO₂), сероводорода (H₂S), водорода (H₂), хлорной кислоты (HCl) и других газов. Туристов предупреждают о опасности вулканических газов, их запах похож на зажигающиеся спички с примесью тухлых яиц. Даже если стараться не дышать он вызывает кашель, першение в горле и раздражает глаза. Дым вулкана, смешиваясь с парами воды, образует смог, который называется вог (Vog). По своей сути такой дым это мельчайшие капли кислот, они вызывают кислые дожди, которые угнетают растения и растворяют зубы. Текущее извержение Пуу Оо и Купайанаха выделяет более 1800 тонн оксида серы (SO₂) ежедневно, что сопоставимо с несколькими грязными угольными электростанциями. От кислых дождей особенно страдают соседние пустыня Кау и городок Пахала. Иногда вог доходит до Коны, и его след виден даже из космоса (http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/view.php?id=38709).

Выход вулканических газов из трещин

кристаллизация серы

Даже тогда, когда вулканы не извергаются, они демонстрируют свою поствулканическую активность испарениями дождевой и грунтовой воды и выделением газов из трещин и лавовых труб. Такие выходы вулканических газов называются фумаролы. Края фумаролов разукрашены красноватыми и желтоватыми налётами серы (S). Самые красивые отложения самородков серы (Sulphur Banks, Ha’akulamanu) находятся у дамящихся трещин на краю Килауэа рядом с въездом в Гавайский вулканический национальный парк.

Другие вулканические явления

Интересно, что в отличии от многих других вулканических мест на Гавайях совсем нет гейзеров, или фонтанов горячей воды. Зато на юго-западе острова, в рифтовой зоне, местные жители и туристы могут насладиться купанием в своеобразных термах — заливах с тёплой морской водой подогреваемой близостью вулкана. Подробнее об этих местах написано в разделе Путеводитель.

Цвета лавы на Килауэа

На молодых вулканах извергается чёрная базальтовая лава (англ. Tholeiitic basalt), такая лава вытекает из Мауна-Лоа и Килауэа. На старых вулканах состав лавы меняется. Вершина Мауна-Кеа покрыта более светлой щелочной и силикатной лавой — андезитом (англ. Andesite, или Hawaiite, Mugearite). Она извергалась 65 тыс. лет назад из множества шлаковых конусов на вершине. При древних извержениях внутри ледника образовывались не пористые и очень прочные базальтовые камни (англ. Аdze Basalt). Эти камни древние гавайцы добывали на высоте 3780 метров, использовали в качестве наиболее твёрдых топоров и торговали ими с другими островами.

Поверхность лавового озера в кратере Халемаумау вулкана Килауэа (модель взаимодействия тектонических плит земной коры)

На щитовых вулканах, в результате оседания вершины в освободившуюся от магмы полость и обрушения стенок кратеров, формируются очень широкие (более 1,6 км) котловины, которые называются кальдеры (Caldera). Они часто заполнены разлившимися озёрами застывшей лавы, в которых появляются уже вторичные более мелкие кратеры. Такие обрушения кальдеры происходят регулярно каждые несколько сот или тысяч лет. У Килауэа кальдера округлая размером 3 на 4,4 км (Kīlauea Caldera). Этот провал произошел около 500 лет назад всего за несколько дней или недель. На Мауна-Лоа кальдера (гав. Moku’āweoweo — горящий остров) более вытянутая — 2,5 на 6 км. Мауна-Кеа принадлежит к старым постщитовым вулканам, его кальдера на высоте 3871 м, засыпана более поздними слоями андезитной лавы и частично стёрта сходящим ледником. Такой тип кальдеры, которая находится ниже вершины вулкана, называется возрождённой. От кальдер по трещинам и цепям боковых кратеров расходятся зоны разломов. Землетрясения способствуют разломам, например на Килауэа трещины расширяются со скоростью до 10 см в год.

Чёрная «река лавы» на обрывистых Гавайских берегах

Потоки лавы, которые достигают берега океана, постепенно увеличивают площадь острова, образуя лавовые дельты. Стоит отметить что, такие новые каменные берега очень не надёжны, от землетрясений они трескаются и сползают в океан. Крупный обвал берега в море наблюдался 28 ноября 2005 года, тогда за 5 часов в океане оказалось почти 14 гектаров «новой» лавовой земли, которые прихватили с собой и 4 гектара старого берега (посмотрите ускоренное видео на http://gallery.usgs.gov/videos/136). Однако лава продолжила заливать этот берег, и через 2 года он опять увеличился на 26 гектаров, это не помешало ему продолжать обваливаться и ещё через 3 года от новой суши опять почти ничего не осталось. При подводных исследованиях вокруг острова было отмечено более 50 таких провалов и оползней.

Если русло или подземный канал для вытекания лавы ещё не сформировались, то в кратере образуется озеро жидкой лавы. Если лава находит боковой выход, то его уровень резко падает, а края осыпаются. В этом озере, питаемом магмой, бурлят вулканические газы, которые прорываются наружу через тонкую корку остывшего верхнего слоя лавы. Ночью хорошо заметны яркие границы и медленное направленное движение тёмных островков на поверхности лавы. Такое движение лавы, которое происходит за счёт перемешивания остывших и горячих слоёв озера, в уменьшенном масштабе и ускоренном режиме является моделью тектонического движения гигантских плит земной коры под воздействием подстилающих её потоков магмы. В озере лавы видны главные типы взаимодействия плит: Чёткие конвергентные границы, образованные схождением плит путём опускания одной под другую. Рваные растянутые дивергентные границы от расхождения плит, и трансформные границы в результате бокового сдвига тектонических плит.

Борьба с вулканом

Поток лавы перекрыл дорогу

Люди давно экспериментируют с тем, как остановить поток лавы. Древние гавайцы верили, что успокоить богиню Пеле можно с помощью даров — любимых ею красных ягод, цветов и перьев птиц. Сам Камехамеха ещё в 1801 году «навсегда» усмирил целый вулкан Хуалалай, бросив в его лаву частичку самого себя — прядь волос завёрнутых в лист. В 1881 году принцесса Киликолани (англ. Ruth Keelikolani), использовала более современные технологии, она сбрасывала в лаву красные шелковые ткани и даже бутылку бренди. В конце концов, поток лавы остановился прямо в пригородах Хило. В 1936 году директор вулканической обсерватории Томас Джаггар уговорил военных бомбардировать устье лавовой трубы, куда уходил поток лавы с Мауна-Лоа грозивший городу Хило. Несколько 500-фунтовых бомб (227 кг) было сброшено с самолёта, одна попала в трубу. Взрыв произвёл «выброс части лавы», но не изменил направление потока. Через 2 дня извержение, длившееся больше года, прекратилось. Джаггар был уверен, что именно бомбы остановили его. Гавайские знатоки утверждают, что богине это не понравилось, и она покарала за это почти всех лётчиков в войне, которая началась через несколько лет. Сейчас гавайцы более философски относятся к лаве, которая протекает через их селения. Они повторяют, что мы не в силах контролировать не только звёзды с луной, но и вулканы.

С момента открытия островов на Килауэа дважды в 1790 и 1924 годах были отмечены взрывные извержения. Они произошли из-за попадания в кратер грунтовых вод, в результате поднялись высоко в воздух густые облака пара, газов, пыли и пепла. За всю известную историю на Гавайских островах погибло от извержений около 5 тысяч человек, и только 5 из них в прошлом веке. За последние 50 лет потоки лавы уничтожили 211 зданий, только несколько домов удалось вовремя перевезти в безопасное место.

История извержений

Вулкан Килауэа

Килауэа — самый активный и самый молодой из наземных гавайских вулканов.

Даты крупных извержений:

• 1750 (по рассказам)
• 1790
• 1823
• 1832
• 1840
• 1868
• 1877
• 1884—1885
• 1894
• 1918—1919
• 1921—1924
• 1927—1931
• 1934
• 1952
• 1954—1955
• 1957
• 1959—1965
• 1967—1975
• 1983—н. в.

Потоки лавы
май—август 2018

Подсчитано, что за 200 лет (1750—1955) вулканом было извергнуто около 3.29 км³ лавы и пепла.

В 1955 году (28 февраля — 26 мая) лава извергалась в 32—45 км от кальдеры. По сообщению Гордона Макдональда, извержение состояло из трех фаз, каждой из которых предшествовали многократные землетрясения и подземный грохот. Количество выброшенной лавы составляло около 0,11 км³.

Последнее извержение началось 3 января 1983 года и продолжается по настоящее время. В фазу новой интенсивной активности вулкан вступил 6 марта 2011 года.

C 5 мая по 22 сентября 2018 года — Гавайский вулканический национальный парк был полностью закрыт для посещения туристами, после сильного извержения вулкана, сопровождавшегося землетрясениями и большими выбросами вулканических газов и пепла.

Минералы и горные породы

Базальты на разных стадиях вулканизма:

1. Толеитовые базальты изливались в начальную стадию вулканической деятельности и образовали нижнюю часть гавайских вулканов.
2. Щелочные оливиновые базальты приурочены к следующей менее мощной фазе вулканизма, сопровождавшейся образованием кальдер и шлаковых конусов.
3. Пикритовые и оливиновые базальты, нефелиновые базальты и нефелин-мелилитовые базальты характерны для конечной слабой стадии вулканизма.

Толеитовые базальты состоят в основном из оксидов кремния (49 %), алюминия (15 %), кальция (10 %) и железа (11 %).

Геологические организации и общества

• Hawaiian Volcano Research Association (1925)
• Hawaiian Volcano Observatory
• U.S. Geological Survey (USGS)

Продолжение

• Геологическая деятельность моря

Ссылки и литература

• Макеев А. Б., Лютоев В. П., Второв И. П., Брянчанинова Н. И., Макавецкас А. Р. Состав и спектроскопия ксенокристов оливина из гавайских толеитовых базальтов // Учёные записки Казанского университета. Серия: Естественные науки. 2020. Т. 162. Кн. 2. С. 253—273. — doi: 10.26907/2542-064X.2020.2.253-273.
• Второв И. П. Гавайские вулканы. Курилка Гуттенберга. Октябрь 2017.
• Второв И. П. Гавайские вулканы. Центральный дом учёных РАН. Москва, доклад — 7 декабря 2016.

Другая литература на Гавайеведение/Гавайская геология.