Извержение вулкана

Об одноименной статье см . Eruption .

Спутниковый снимок вулканического шлейфа и огненных облаков Сарычева в России во время плинианского извержения .

Извержение вулкана — это геологическое явление , характеризующееся выбросом вулканом лавы или тефры в сопровождении вулканических газов . Когда извержение вулкана вызывает материальный ущерб и гибель людей, а также других видов животных или растений , что является большинством случаев для наземных вулканов, это явление представляет собой в краткосрочной или среднесрочной перспективе стихийное бедствие , имеющее локальный или глобальное воздействие и способные нарушать привычки животных и человека, топографию и т. д.

Недавние исследования показывают, что извержения вулканов оказывают значительное влияние на глобальный климат и должны рассматриваться как важные каталитические явления в объяснении экологических изменений и исторических потрясений в человеческих обществах ^{[ 1 ]} .

Механизмы

По своему механизму различают три типа извержений:

• Магматические извержения вызваны дегазацией магмы под действием декомпрессии , что приводит к падению плотности , которое толкает магму вверх под действием толчка Архимеда .
• Фреатомагматические извержения вызваны внезапным охлаждением магмы при контакте с водой, что вызывает ее расщепление и взрывное увеличение поверхности контакта вода-магма.
• Фреатические извержения вызваны испарением воды при контакте с магмой, которая выбрасывает окружающие материалы, а магма остается на месте.

При магматических извержениях доминирующим процессом во время подъема магмы является ее дегазация за счет выделения летучих при декомпрессии (главным образом воды и, в более скромных количествах, менее растворимой двуокиси углерода, причем количество летучих контролируется химией магмы). силикатная ванна, ее давление и температура). «Эта дегазация оказывает различное влияние на вязкость силикатной жидкости, на разделение между жидкой и газообразной фазами за счет зародышеобразования , роста и, возможно, слияния газовых пузырьков, на долю твердой фазы за счет кристаллизации микролитов ^{. 2 ]}  » . Скорость всплытия пузырьков нафлотация обратно пропорциональна вязкости магмы, в которой они будут двигаться, и намного меньше, чем подъем магмы ^{[ 3 ]} . Если подъем магмы достаточно медленный (порядка см/с), эти пузырьки имеют тенденцию к росту, затем сливаются (феномен везикуляции ) ^{[ 4 ]} , что способствует потере летучих в сторону ограждающих стенок протока и предотвращает развитие больших газовых избыточных давлений, допуская извержение эффузивного типа (магма достигает поверхности уже дегазированной) ^{[ 5 ]}. Если подъем магмы очень быстрый (около 1 м/с), у пузырьков нет времени, необходимого для слияния, летучие вещества остаются в ловушке в магме и создают достаточное избыточное давление, чтобы вызвать фрагментацию магмы в месте ее возникновения. эксплозивного извержения ^{[ 6 ]} .

Частота и продолжительность

Продолжительность извержений сильно варьируется ^{[ 7 ]}  : некоторые длятся несколько часов, например, извержение Везувия в 79  г.; из примерно 1500 действующих вулканов на Земле немногим более половины извержений не превышают двухмесячной активности и немногим более сотни длятся более года. Согласно исследованиям, существует 1,5 миллиона подводных вулканов, ответственных за 75% объема лавы, ежегодно извергаемой всеми вулканами ^{[ 8 ]} .

Обычно бывает от 50 до 70 пароксизмальных наземных извержений в год, длящихся в среднем 15 дней. Пуу-О , один из устьев Килауэа на Гавайях , извергся из3 января 1983 г.к30 апреля 2018 г., или на 35 лет ^{[ 9 ]} .

В следующей таблице приведены различные распределения длительности ^{[ 10 ]}  :

Типы вулканических извержений

Со временем было предложено несколько категорий извержений. В 1805 г. George Poulett Scrope выделил постоянные, промежуточные и пароксизмальные высыпания. В 1891 году [ ^{11 ] Джеймс} Дуайт Дана на основе исследований гавайских вулканов различал эксплозивные, промежуточные и спокойные извержения ^{[ 12 ]} . Под влиянием исследований итальянских вулканов Джузеппе Меркалли в 1907 году и изучения извержения горы Пеле Альфредом Лакруа в 1908 году была разработана более сложная классификация, основанная на геометрии вулканов (форма вулканического конуса), их поведение (взрывное или спокойное) и продукты, которые они испускают ( огненные облака , потоки лавы , блоки , фонтаны лавы ), что приводит к классификации на четыре типа: гавайский, стромболианский, плинианско-вулканский, пелейский, позже обогащенный Исландский тип и сольфатарная стадия ^{[ 13 ]} . Эта классификация до сих пор используется в школьных учебниках, хотя она является результатом неправильного толкования типов вулканических взрывов ^{[ 14 ]} .

Эта категоризация превратилась в несколько современных классификаций, таких как следующие:

Эти названия от названий вулканов или регионов не должны вести к мысли, что эти вулканы систематически имеют извержения соответствующего типа, а следовательно, и к тому факту, что вулкан характеризуется одним типом извержений. Они просто переводят то, что описание модели было сделано с извержения этого вулкана или этого региона. В действительности преобразования, которым подвергается магма в магматическом очаге , вызывают эволюцию извержений как в течение жизни вулкана, так и во время эруптивного цикла . Охлаждение магмы в потолке камеры вызывает фракционную кристаллизацию жидкой фазы, при этом первыми образуются кристаллы основных минералов., более тяжелые, которые оседают на дне камеры и оставляют магму, обогащенную кремнеземом , наверху , что называется дифференциацией магмы . Таким образом, начало извержения, особенно если предыдущее извержение было старым, могло характеризоваться более вязкой лавой и более эксплозивным типом, чем последующее. Более того, в течение длительных периодов времени магма стремится частично растворить окружающие породы. Для континентальных вулканов обычно кислые минералы из коры также обогащают магму кремнеземом. При этом, чем старше вулкан, тем более вязкой будет его лава и взрывоопасными извержениями. Есть исключения: если магматический очаг находится в известняковых отложениях, как в случаеВезувий , магма будет становиться все более и более основной, а извержения будут все менее и менее эксплозивными.

Эффузивные извержения

Эффузивные извержения характеризуются выбросом относительно бедной растворенным газом магмы , которая распространяется, образуя потоки лавы , часто большие по протяженности. Эти извержения относительно тихие, без крупных взрывов. Единственной опасностью этих извержений является продвижение лавовых потоков (до нескольких десятков км/ч ): экономический ущерб может быть значительным, но население, как правило, успевает покинуть свои дома, взяв с собой несколько вещей.

Выбрасываемая магма в основном базальтовая , с низким содержанием кремнезема (SiO ₂) и, следовательно, очень текучие, и выделяемые газы легко выходят. Встречаются и потоки лавы с составом, более богатым кремнеземом, и даже потоки обсидиана .

Вулканы, извержения которых обычно являются эффузивными, находятся на срединно-океанических хребтах и ​​в горячих точках (например, на Гавайях , в Питон-де-ла-Фурнез и на Этне ).

гавайская сыпь

Схема извержения на Гавайях .

Гавайское извержение характеризуется очень жидкой, базальтовой и бедной кремнеземом лавой , что позволяет ей течь по склонам вулкана иногда на десятки километров. Дегазация лавы очень проста и выброс ее может осуществляться либо в виде лавовых фонтанов высотой в несколько сотен метров и с регулярным потоком, либо в виде более или менее временного лавового озера кратере .

Не очень опасные, эти извержения, тем не менее, могут нанести существенный ущерб, когда человеческая инфраструктура пострадает от потоков лавы . С другой стороны, человеческий риск почти нулевой, потому что нет риска взрыва, а лава дает время для эвакуации.

Вулканы с извержениями в гавайском стиле — Мауна-Кеа , Мауна-Лоа , Питон-де-ла-Фурнез , Ньирагонго , Эрта-Але и  др.

Индекс вулканической взрывоопасности для этого типа извержений колеблется от 0 до 1.

Стромболианское извержение

Схема стромболианского извержения .

Стиль, промежуточный между гавайским и вулканским типами , стромболийский тип выделяет умеренно жидкие лавы в виде потоков и тефры в виде вулканических бомб , шлаков и  т. д. проецируется частыми взрывами. Облако пепла может подняться на несколько сотен метров. Опасность зависит от близости населенных пунктов.

Вулканы с извержениями стромболийского типа - это Стромболи или Этна , хотя у последней иногда могут быть вулканические извержения.

Индекс вулканической взрывчатости для этого типа извержений колеблется от 1 до 2.

Взрывные извержения

Взрывные извержения выбрасывают андезитовую лаву , богатую кремнеземом и поэтому очень вязкую и с трудом выделяющую свои вулканические газы . Эти извержения не образуют потоки лавы , а вместо этого сопровождаются взрывами, производящими большое количество пепла , что приводит к образованию огненных облаков и вулканических шлейфов . Около 80% извержений вулканов приходится на этот тип вулканов ^{[ 16 ]}. Очень опасные, потому что они непредсказуемы, эти типы извержений иногда не оставляют времени для эвакуации населения, которому угрожают горящие газы и пепел. Наиболее типичными вулканами являются «  серые вулканы  » «  Тихоокеанского огненного кольца  », такие как Пинатубо , Кракатау , Майон или даже Мерапи .

вулканическое извержение

Схема вулканического извержения .

Лавы вулканического типа текут с большим трудом, потому что они богаче кремнеземом и их дегазация труднее . Фонтаны и выступы лавы создают потоки , которые спускаются вдоль вулкана и могут достигать зданий внизу.

Риск для человека выше, потому что могут возникать выбросы пемзы , пепла и бомб , которые поднимаются на несколько километров в высоту. Типовое извержение — последнее извержение вулкана между 1888 и 1890 годами .

Индекс вулканической взрывоопасности для этого типа извержений колеблется от 2 до 5.

Пелеанское извержение

Схема извержения Пелея .

При этом типе извержения пастообразная лава едва течет и имеет тенденцию образовывать лавовый купол . Это, под давлением магмы , может распасться или взорваться, производя огненные облака и вулканические шлейфы . Очень смертоносным из-за нестабильного характера извержения и скорости огненных облаков, типичным является извержение горы Пеле , которое унесло жизни 28 000 человек в 1902 году на Мартинике .

Вулканы, имеющие пелейские извержения, - это гора Пеле , Суфриер-де-Монтсеррат , Суфриер-де-ла-Гваделупа и т. Д.

Индекс вулканической взрывоопасности для этого типа извержений колеблется от 1 до 8.

Плинианское извержение

Схема плинианского извержения .

При этом типе извержений лава очень пастообразная , потому что она очень богата кремнеземом . Поскольку вулканические газы не могут быть высвобождены, давление в магматическом очаге увеличивается и вызывает взрывы, которые распыляют лаву, а иногда и вулкан, выбрасывая пепел на десятки километров в высоту, достигая таким образом стратосферы . Вулканический шлейф обычно падает под собственным весом и опустошает склоны вулкана на мили вокруг. Наличие подземных водна пути лавы увеличивается риск взрыва и опасность этих вулканов, первым описанием которых было описание Везувия в 79 году Плинием Младшим и которое разрушило Помпеи .

Вулканы с плинианскими извержениями составляют большинство из тех, кто образует «  Тихоокеанское огненное кольцо  », таких как Мерапи , Кракатау , Пинатубо , гора Сент-Хеленс или гора Августин .

Индекс вулканической взрывоопасности для этого типа извержений колеблется от 3 до 8.

Сыпь в присутствии воды

Сурцеянское извержение

Схема извержения Сурцеяна .

Извержения Суртсей – это извержения, в которых участвует большое количество воды . Обычно это подводные или подозерные извержения близко к поверхности, обычно глубиной менее ста метров, или подледниковые , когда тепло магмы успевает растопить большое количество льда ^{[ 17 ]} .

Подводные или подозерные вулканы, которым удается достичь поверхности, выходят из воды, образуя остров во время извержения Сурцеяна. Остров Суртсей , давший название этому типу извержений, родился таким в 1963 году .

Во время сурцеянского извержения поверхность вулкана находится на несколько метров или несколько десятков метров ниже поверхности воды. В этом случае давления воды уже недостаточно, чтобы предотвратить взрыв лавы при контакте. Затем происходят «кипарисоидные » взрывы, по форме напоминающие кипарисы , смешивающие остывшую лаву и тефру , жидкую воду и водяной пар . Как только остров возник, извержение продолжается классическим образом в зависимости от типа магмы ^{[ 18 ]} .

Если извержение подледниковое, талая вода должна быть захвачена над вулканом, чтобы вызвать извержение Суртсейана. Невадо -дель-Руис не стал причиной извержения Суртсейана, когда оно произошло в 1985 году, потому что вода от тающего льда на вершине вулкана скатилась по склонам вулкана, образуя лахары , которые разрушили город Армеро . С другой стороны, извержение Гримсвётна в 1996 году под Ватнайёкюдлем превратилось в суртсейское извержение, потому что талые воды ледяной шапкиобразовалось озеро над вулканом. Когда магма вышла на поверхность, кипарисоидные выступы прорвались сквозь лед, и озеро опустело, как йёкульхлауп .

Индекс вулканической взрывоопасности этого типа извержения колеблется от 2 до 5, но он сильно зависит от типа магмы, будь то базальтовая или андезитовая .

подледниковое извержение

Схема подледникового извержения .

Подводный выброс

Схема подводного извержения .

фреатическое извержение

Схема фреатического извержения .

Фреатомагматическое извержение

Лимническая сыпь

Смертельные высыпания

Извержение	Вулкан	Страна	Датировать	Количество погибших
Извержение Самаласа в 1257 г.	Самалас	Индонезия	1257	Не подсчитано (но истребление королевства Ломбок , а также части населения островов Бали и Сумбава в Европе , обострение нехватки продовольствия в крайне смертоносный голод) [ 19 ] .
Извержение Тамборы в 1815 году	Тамбора	Индонезия	1815 г.	92 000 [ 20 ]
Извержение Кракатау в 1883 году.	Кракатау	Индонезия	1883 г.	36 417 [ 20 ]
Извержение Везувия в 79 г.	Гора Везувий	Италия	79	Обнаружено > 1500 тел, < 33 000 вероятных жителей региона
Извержение горы Пеле в 1902 году.	Гора Пели	Франция ( Мартиника )	1902 г.	29 000 [ 20 ]
Извержение Невадо-дель-Руис в 1985 году.	Невадо-дель-Руис	Колумбия	1985 г.	25 000 [ 20 ]
Извержение горы Унзен в 1792 году.	Гора Унзен	Япония	1792 г.	15 000
Извержение Келуда в 1586 г.	Келуд	Индонезия	1586	10 000
Извержение Лаки в 1783 г.	Лаки	Исландия	1783 г.	9 336 [ 20 ]
Извержение Санта-Мария в 1902 году.	Санта Мария	Гватемала	1902 г.	6000 [ 20 ]
Извержение Келуда в 1919 году.	Келуд	Индонезия	1919 г.	5 115 [ 20 ]

Прогноз расстояния удара тефры и их скорости

Во время извержения вулкан извергает лаву и тефру . Чтобы оценить, куда попадут эти проекции, можно использовать следующие уравнения:

Предсказание расстояния

${\displaystyle \Delta d_{\mathrm {h} }=V_{\mathrm {i} }\,\Delta t\,\cos \theta }$

${\displaystyle \Delta d_{\mathrm {v} }=V_{\mathrm {i} }\,\Delta t\,\sin \theta +{\frac {1}{2}}g\,(\Delta t)^{2}}$

с :

${\displaystyle \Delta d_{\mathrm {h} }}$ : горизонтальное расстояние;

${\displaystyle \Delta d_{\mathrm {v} }}$ : вертикальное расстояние;

${\displaystyle V_{\mathrm {i} }}$ : модуль начальной скорости;

${\displaystyle \Delta t}$ : время ;

${\displaystyle g}$ : ускорение под действием силы тяжести  ;

${\displaystyle \theta }$ : угол начальной скорости с горизонтом.

Прогноз скорости

Профессор Лайонел Уилсон из Ланкастерского университета использует модифицированную теорему Бернулли для расчета скорости выброса выступов:

${\displaystyle {\frac {1}{2}}U_{s}^{2}={\frac {P_{i}-P_{s}}{S_{c}}}}$

с :

${\displaystyle U_{s}}$- Скорость выброса

${\displaystyle P_{i}}$- Давление газа

${\displaystyle P_{s}}$- Атмосферное давление

${\displaystyle S_{c}}$- Плотность магмы

Уилсон также использует второе уравнение, полученное из теоремы Бернулли, уравнение для пушки, которое используется для расчета скорости быстрых снарядов, проходящих через узкое отверстие:

${\displaystyle P_{i}={\frac {4mU_{s}^{2}}{27gAb}}}$

с :

${\displaystyle P_{i}}$- Начальное давление

${\displaystyle m}$- Масса снаряда

${\displaystyle U_{s}}$- Скорость выброса

${\displaystyle g}$- Гравитационное ускорение

${\displaystyle A}$- Область, где применяется давление

${\displaystyle b}$- постоянная Бернулли

Примечания и ссылки

Смотрите также

Источники и библиография

• (ru) Физика извержений на ffden-2.phys.uaf.edu
• Происхождение вулканов на http://ici.radio-canada.ca

Статьи по Теме

• Индекс вулканической взрывоопасности
• Вулканологический прогноз
• активность вулкана
• Списки извержений вулканов

• Портал вулканизма
• Портал основных рисков