Pod nazwą wulkanizmu ujmowane są procesy geologiczne związane z wydobywaniem się na powierzchnię Ziemi stopu skalnego, czyli magmy.
Rodzaje materiału wulkanicznego
Produkty aktywności wulkanicznej wyrzucane na powierzchnię to zwłaszcza:
- lawa, czyli stop skalny składający się z minerałów krzemianowych, dwutlenku krzemu, a także tlenków metali; lawy zawierające duże ilości dwutlenku krzemu (krzemionki; powyżej 65%) nazywane są kwaśnymi; lawy ubogie w krzemionkę nazywane są zasadowymi,
- gazy wulkaniczne, przede wszystkim para wodna, dwutlenek węgla, związki chloru, wodoru oraz siarki,
- tefra (albo utwory piroklastyczne), czyli okruchy skalne o różnej średnicy; piaski i popioły wulkaniczne składają się z ziaren o średnicach poniżej 2 mm, lapille to na ogół kuliste okruchy o średnicach 2 mm – 5 cm, z kolei mianem bomb wulkanicznych określa się większe, zazwyczaj wrzecionowate fragmenty skalne; fragmenty lawy o pęcherzykowatej strukturze i wielkościach rzędu 10 cm określane bywają mianem szlaki; fragmenty gąbczastej lawy o średnicy kilku centymetrów, krzepnącej w powietrzu, określane są z kolei mianem scorii; pieniąca się, silnie nasycona ulatniającymi się gazami lawa może również zastygać w postaci pumeksu – jego ciężar objętościowy jest mniejszy od wody, stąd też może się on unosić na powierzchni,
- fragmenty skał otaczających komin wulkaniczny, porwane przez przemieszczającą się ku górze lawę.
Materiał wulkaniczny wydobywa się na powierzchnię w drodze:
- erupcji, czyli gwałtownych eksplozji, w trakcie których do atmosfery wyrzucane są duże ilości gazów, pyłów oraz luźnych okruchów skalnych (piroklastyków; zjawisko to zachodzi zwłaszcza w przypadku law kwaśnych oraz przy wysokich ciśnieniach gazów wulkanicznych),
- efuzji, czyli wylewów lawy o małej lepkości, tworzącej potoki oraz kopuły lawowe (zjawisko to zachodzi w przypadku law zasadowych),
- emisji gazów wulkanicznych, zwłaszcza związków siarki; są to tak zwane ekshalacje (wyziewy) wulkaniczne; zachodzą one w w fumarolach (ekshalacje o temperaturach 800-200 stopni C), solfatarach (200-100 st. C) oraz mofetach (chłodniejsze wyziewy).
Rodzaje erupcji i efuzji
Wśród erupcji i efuzji wulkanicznych wydzielane są podtypy, między innymi:
- typ hawajski – dominują wylewy lawy w postaci potoków lawowych, wulkan zajmuje duży obszar, a jego stoki są łagodne (tak zwany wulkan tarczowy); ten typ efuzji zachodzi gdy lawa jest obojętna lub zasadowa (i w efekcie tego wykazuje niską lepkość), współcześnie ten typ znany jest z Hawajów,
- typ strombolijski – dominują częste, niewielkie erupcje; typ erupcji charakterystyczny dla law o niskiej lepkości, ale większych ciśnień gazów niż w przypadku typu hawajskiego; wzorcowym wulkanem jest Stromboli we Włoszech,
- typ pliniański – dochodzi do gwałtownych erupcji o charakterze eksplozywnym; lawa wykazuje małą lepkość, ale ciśnienie gazów jest bardzo wysokie; wulkany powstające w miejscu takich erupcji to zazwyczaj tak zwane stratowulkany; nazwa upamiętnia Pliniusza Młodszego – opisał on wybuch Wezuwiusza w 79 r. n.e.,
- typ Merapi – lawa ma dużą lepkość, ale wydobywa się pod niewielkim ciśnieniem; powstają w ten sposób tak zwane kopuły lawowe; nazwa pochodzi od wulkanu znajdującego na Jawie (Indonezja),
- typ peleański – wulkany takie powodują eksplozje w dużej skali, wyrzucając duże ilości materiału piroklastycznego; powstający wulkan ma na początku charakter kopuły lawowej; lawa ma wysoką lepkość (jest kwaśna) i wydobywa się pod bardzo dużym ciśnieniem; nazwa pochodzi od wulkanu Mt Pelée na Martynice i od jego katastrofalnej erupcji w 1902 roku.
Miejsca występowania wulkanów
Rozmieszczenie wulkanów wykazuje silny związek z budową skorupy ziemskiej. Pojawiają się one w trzech konfiguracjach tektonicznych:
- konwergentne (zbieżne) granice kier litosfery – są to miejsca, w których dochodzi do kolizji sąsiadujących ze sobą kier litosfery, zbliżających się ku sobie; na takich obszarach tworzą się strefy subdukcji, czyli miejsca, gdzie jedna z kier litosfery (zazwyczaj oceaniczna) zanurza się pod drugą (często kontynentalną); wydobywające się tam lawy są z reguły kwaśne, z działalność wulkaniczna ma charakter eksplozywny; zjawiska takie zachodzą między innymi na obszarze Andów, w Indonezji oraz Japonii,
- dywergentne (rozbieżne) krawędzie kier litosfery – sąsiadujące ze sobą kry litosfery oddalają się od siebie, a pomiędzy nimi powstaje ryft dający niekiedy początek nowemu oceanowi; dominują lawy zasadowe oraz działalność efuzyjna; ze względu na swój charakter większość takich wulkanów znajduje się na oceanach, ale pojawiają się także w miejscach, gdzie skorupa kontynentalna pęka i zaczyna się tworzyć nowy ocean: dobry przykład stanowi Wielki Rów Wschodnioafrykański,
- ponad plamami gorąca, które rozmieszczone są nieregularnie na powierzchni Ziemi, w obrębie kier litosfery; klasyczny przykład stanowi wulkanizm Hawajów.
Przeczytaj również artykuł Gdzie tworzą się wulkany?
Typy wulkanów
W zależności od typu erupcji/efuzji wulkany mają różną postać. Najważniejsze rodzaje morfologiczne wulkanów to:
- stożki żużlowe – wulkany o średnicy do kilku kilometrów, wysokości kilkuset metrów i nachyleniu około 35 stopni; w części wierzchołkowej znajduje się krater; wulkany te wyrzucają niemal wyłącznie materiał piroklastyczny, potoki lawowe mogą występować (choć nie muszą), spływają one niekiedy poza podstawę stożka; stożki takie mogą przyrastać bardzo szybko (nawet dziesiątki metrów w ciągu jednego dnia; na przykład wulkan Paricutín w Meksyku), ale mają bardzo krótkie czasy aktywności; wulkany te tworzą się w obrębie kier litosfery, ale także na ich krawędziach, w rejonach stref subdukcji,
- stratowulkany – wulkany w formie stożka o wysokości do kilku tysięcy metrów i stromych stokach (około 40 stopni), np. Fuji (Japonia), Mayon (Filipiny); w części wierzchołkowej znajduje się krater o średnicy do kilkuset metrów; wnętrze stożka zbudowane jest z kolejnych warstw utworzonych przez potoki lawowe oraz zbudowane z materiału piroklastycznego; udział materiału piroklastycznego rośnie w miarę oddalania się od głównego krateru; wulkany te są charakterystyczne dla okolic stref subdukcji; ich lawa jest bogata w krzemionkę (a więc ma charakter kwaśny), co powoduje, że wulkany te często są eksplozywne,
- kopuły lawowe – wulkany o stromych stopkach i spłaszczonej powierzchni szczytowej; ich wysokości są różne, a średnice – do kilku kilometrów; brakuje krateru; tworzą się podczas spokojnych wylewów kwaśnej lawy (czyli zawierającej duże ilości krzemionki), bardzo szybko zastygającej; charakteryzują się szybkim przyrostem, nawet kilku metrów w ciągu doby; niestabilność ich stoków sprawia, że są to niebezpieczne wulkany – szczególnie groźne są spływy materiału piroklastycznego (głównie popiołów), które tworzą tak zwane chmury żarowe o temperaturze sięgającej do tysiąca stopni Celsjusza, przemieszczające się z prędkością do kilkuset kilometrów na godzinę (takie jak w czasie eksplozji Mt Pelée na Martynice w 1902 roku); pozostałości dawnych kopuł lawowych zbudowanych głównie ze skał o składzie riolitów (datowanych na schyłek ery paleozoicznej) można oglądać w Polsce na Dolnym Śląsku – są nimi góra Chełmiec obok Wałbrzycha oraz składające się z wielu takich kopuł Góry Krucze,
- wulkany tarczowe – największe ziemskie wulkany; charakteryzują się średnicą liczoną w dziesiątkach kilometrów i niewielkim nachyleniem stopniu (kilka lub kilkanaście stopni); tworzą je potoki lawowe wypływające z położonego centralnie krateru; materiał piroklastyczny ma niewielki udział; lawa wypływająca z wulkanów zawiera mało krzemionki (jest obojętna lub zasadowa) oraz wykazuje niską lepkość, może więc płynąć na duże odległości; wulkany takie są charakterystyczne dla plam gorąca znajdujących się w obrębie kier litosfery (na przykład wulkany hawajskie), nie pojawiają się w rejonie stref subdukcji; są to wulkany efuzyjne (nie dochodzi do nagłych erupcji).
Inne formy terenu i struktury związane z działalnością wulkaniczną
Kaldery
Są to obniżenia terenu o średnicy liczonej w kilometrach i głębokości sięgającej setek metrów. Powstają one w miejscach, gdzie istniały wcześniej stożki wulkanów. Jedna z największych kalder znajduje się na Sumatrze (Indonezja); powstała ona w wyniku katastrofalnej erupcji wulkanu Toba około 70 tysięcy lat temu. Kaldery tworzą się z reguły w wyniku zapadnięcia się stożka ponad komorą magmową opróżnioną w wyniku gwałtownej działalności wulkanicznej (emisji materiału piroklastycznego oraz lawy).
Maary
Koliste zagłębienia otoczone wałem zbudowanym z materiału piroklastycznego, osiągającym wysokość do kilkudziesięciu metrów. Tworzą się one w wyniku eksplozji lawy połączonej z parą wodną pochodzącą z podgrzania wód podziemnych. Obecność sprężonej pary, która nie może utorować sobie drogi ujścia prowadzi do silnej erupcji, wyrzucenia materiału piroklastycznego i powstania kolistego zagłębienia.
Pokrywy lawowe
Bardzo rozległe (o powierzchniach przekraczających dziesiątki, a nawet setki kilometrów kwadratowych), niemal płaskie powierzchnie (o nachyleniu kilku stopni), pokryte lawami o małej lepkości. Są to głównie lawy o składzie bazaltu. Grubość takiej pokrywy może sięgać kilometra. Powstaje ona w stosunkowo krótkim okresie. Z czasów historycznych znane jest powstanie w ciągu kilku miesięcy 1783 roku pokrywy lawowej Laki (Islandia), obejmującej powierzchnię ponad pięciuset kilometrów kwadratowych. Lawy tworzące powierzchnię pokrywy zaliczane są do dwóch typów (nazwy z języka hawajskiego):
- aa, inaczej lawy blokowe – lawa składająca się z nieregularnych, niestabilnych i ostrokrawędzistych okruchów (tworzy się, gdy potok lawowy ma wysoką lepkość i dużą prędkość płynięcia),
- pahoehoe (czyt. pahojhoj), inaczej lawy sznurowe, trzewiowe – wykazuje pomarszczoną, powierzchnię przypominającą skręcone ze sobą sznury; to zjawisko charakterystyczne dla law o niskiej lepkości, wolno płynących.
Cios kolumnowy
System regularnych spękań tworzący się w lawie, najczęściej o składzie bazaltu. Powstaje on w wyniku zmian objętości lawy podczas jej stygnięcia. Tak spękana lawa ma postać wielobocznych kolumn o średnicach do 1-2 metrów. Cios kolumnowy pojawia się w pokrywach lawowych oraz w wypełnieniach kominów wulkanicznych.
Neki
Kominy wulkaniczne oraz części centralne dawnych wulkanów, z reguły stratowulkanów, które zostały odsłonięte w wyniku działania niszczących procesów wietrzenia oraz erozji. Dominujący w peryferyjnych częściach stożka materiał piroklastyczny, jako mniej odporny, jest usuwany w pierwszej kolejności, pozostawiając lawę zastygłą w kominie. To właśnie ta lawa tworzy tak zwany nek.
Takie kominy dawnych wulkanów można oglądać na Dolnym Śląsku. Są one pozostałościami po stosunkowo młodych zjawiskach wulkanicznych, datowanych na erę kenozoiczną. Mają one wysokość względną do 150 metrów i strome stoki. Kształt i wysokość tych wzniesień nie mają jednak związku z wyglądem wulkanów w czasach ich aktywności, nie należy uważać, że tak wyglądały działające stożki wulkaniczne.
Budowa wulkanu
Główne elementy budowy większości wulkanów to:
- stożek wulkaniczny – ma zróżnicowaną wielkość oraz kształt; oprócz stożka głównego na stokach wulkanów mogą znajdować się również tak zwane stożki pasożytnicze; jeśli stożki pasożytnicze odpowiedzialne są za erupcje/efuzje porównywalne lub silniejsze z generowanymi przez stożek główny, to taka struktura określana bywa nazwą wulkanu kompleksowego,
- komin wulkaniczny – kanał, którym produkty erupcji są dostarczane na powierzchnię,
- krater – górne zakończenie komina wulkanicznego; lejkowate zagłębienie powstałe w wyniku wyrzucenia skał w trakcie erupcji oraz na skutek osuwania się ścian stożka wokół komina,
- komora magmowa (ognisko) – zbiornik gorącego stopu skalnego, czyli magmy, który jest połączony z kraterem kominem wulkanicznym.
Superwulkany
Mianem superwulkanu określane są wulkany, których erupcje osiągają najwyższy stopień w skali Wulkanicznego Indeksu Eksplozywności, czyli VEI=8. Są one zatem nawet tysiąc razy silniejsze od erupcji typowych wulkanów. Komory magmowe doprowadzające lawę do takich wulkanów mają objętość liczoną w tysiącach kilometrów sześciennych. Po erupcji i opróżnieniu takiej komory wulkan zapada się, a w jego miejscu powstaje kaldera – obniżenie mające kilkadziesiąt kilometrów średnicy.
Charakterystyczne cechy superwulkanów to:
- nie mają wyraźnego stożka, natomiast na powierzchni obserwowane są gejzery, fumarole, solfatary,
- magma zalega w ogromnym zbiorniku płytko pod powierzchnią, zazwyczaj kilka kilometrów,
- magma zalegająca pod wulkanem może zastygnąć w batolit, bez wielkiej erupcji,
- po erupcji powstaje gigantyczna kaldera o średnicy dziesiątek kilometrów,
- erupcje superwulkanów powodują zniszczenia w promieniu setek kilometrów,
- mają wpływ na klimat całej Ziemi, poprzez uwalnianie do atmosfery dużych ilości tlenków siarki, wybuch takiego wulkanu ma wpływ na przebieg zlodowaceń, warunki klimatyczne w skali tysięcy lat, stanowi jednen z czynników powodujących wymierania, może spowodować tzw. globalną zimę wulkaniczną,
- wybuchy superwulkanów zdarzają się średnio co 50-100 tysięcy lat.
Erupcje superwulkanów, do których doszło w przeszłości geologicznej, miały katastrofalne skutki:
- wielka erupcja, która miała miejsce 39 tysięcy lat temu w pobliżu Neapolu prawdopodobnie obniżyła średnie temperatury na Ziemi o około 2 stopnie, a w Europie o 5 stopni Celsjusza,
- superwulkan Yellowstone po erupcji 2,1 miliona lat temu pozostawił kalderę o powierzchni 4 tysięcy kilometrów kwadratowych,
- erupcja Yellowstone 640 tysięcy lat temu była tysiąc razy większa niż wybuch wulkanu St Helens w 1980 roku,
największą erupcję superwulkaniczną w plejstocenie i holocenie spowodował superwulkan Toba na Sumatrze (Indonezja), - krater Laacher See koło Koblencji (Niemcy) to pozostałość po eksplozji 6 stopnia w skali VEI (a więc mniejszej niż erupcja superwulkanu) sprzed około 13 tysięcy lat; istnieją przypuszczenia, że nawet taka erupcja doprowadziła do ochłodzenia trwającego setki lat, spowalniającego ustępowanie pokrywy lądolodu skandynawskiego oraz ocieplanie klimatu następujące po ostatnich zlodowaceniach.
Wśród miejsc, w których w niedalekiej przyszłości może dojść do erupcji superwulkanu, wymieniane jest zwłaszcza Yellowstone (USA). Odnotowuje się tam zwiększającą się aktywność gejzerów, wzrasta też temperatura wód jeziora Yellowstone. Potencjalne superwulkany w Europie znajdują się we Włoszech: Campi Flegrei (Pola Flegrejskie) koło Neapolu to ponad 20 miejsc, w których dochodzi do zjawisk wulkanicznych, a komora magmowa podnosi się kilka centymetrów rocznie.
Wielkie erupcje z przeszłości
Największe erupcje, związane z wyrzuceniem największej objętości magmy, związane są z tak zwanymi wielkimi prowincjami magmowymi (ang. large igneous provinces). Każda taka prowincja składa się z wielu superwulkanów, które w stosunkowo krótkim czasie geologicznym (czyli setek tysięcy lub miliona-dwóch lat) dokonują licznych erupcji.
Obecnie nie obserwujemy żadnej aktywnej wielkiej prowincji magmowej. To dobrze, ponieważ w przeszłości miały one ogromny wpływ na klimat oraz życie na Ziemi. Kilka takich prowincji, działających w schyłkach trzech geologicznych okresów (permskiego, triasowego oraz kredowego), było prawdopodobnie jednym z czynników prowadzących do mających wtedy miejsce wielkich wymierań.
Nie jest łatwo obliczyć objętość magmy wyrzuconej przez superwulkany wielkich prowincji magmowych. Po pierwsze, dysponujemy tylko ich osadami (popioły wulkaniczne, a także skały wulkaniczne takie jak bazalty, riolity, andezyty), które na przestrzeni milionów lat mogły ulec erozji (zniszczeniu). Po drugie, trudno jest odróżnić języki lawy należące do kolejnych erupcji, które wydarzyły się w dalekiej przeszłości geologicznej.
Mimo wszystko naukowcy potrafią w przybliżeniu oszacować objętość magmy wyrzuconej w trakcie dawnych erupcji. Na grafice poniżej zamieszczone są tylko wybrane z wielkich katastrof wulkanicznych z przeszłości geologicznej. Dla porównania widoczna jest także współczesna erupcja Wezuwiusza, sprzed niecałego stulecia. Jak widać, znane nam wybuchy wulkanów związane były z uwolnieniem znikomych objętości magmy. Jednak nieco starsza erupcja Toba, sprzed 74 tys. lat, niemal doprowadziła do zagłady istniejących już wówczas populacji ludzkich.
Źródła danych do grafiki:
- Bryan, S. E., Peate, I. U., Peate, D. W., Self, S., Jerram, D. A., Mawby, M. R., … & Miller, J. A. (2010). The largest volcanic eruptions on Earth. Earth-Science Reviews, 102(3-4), 207-229.
- Cole, P. D., & Scarpati, C. (2010). The 1944 eruption of Vesuvius, Italy: combining contemporary accounts and field studies for a new volcanological reconstruction. Geological Magazine, 147(3), 391-415.
- Mason, B. G., Pyle, D. M., & Oppenheimer, C. (2004). The size and frequency of the largest explosive eruptions on Earth. Bulletin of Volcanology, 66(8), 735-748.
Literatura:
- Migoń, P., 2006. Geomorfologia. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 462 str.
- Mizerski, W., Graniczny, M., 2017. Geozagrożenia. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 338 str.