Феноменът на вулканите

Вулканските екологични катастрофи заемат особено място в историята на човечеството. Спомените за тях се предават от поколение на поколение, оставяйки трайни и силни отпечатъци в психиката на хората - и смъртен ужас, и религиозно преклонение, и естетични усещания, и респект.

Понятието вулканска активност обхваща всички явления и процеси, свързани с издигането на нагрети субстанции от недрата на Земята към повърхността й. Тези субстанции, наречени вулкански продукти, съдържат разтопена скална маса, гореща вода, водни пари и газове. Внезапното появяване на вулкански продукти на земната повърхност през отвори или цепнатини определя вулканското изригване. Под вулканизъм се разбира съвкупността от явления и процеси, предизвикани от вулканските изригвания.

За действащи или активни вулкани се приемат тези, които са изригвали поне веднъж през последните 5000 години - период от време, нищожно малък в сравнение с геоложките периоди. Останалите вулкани се смятат за затихнали. Между отделните си изригвания, които могат да продължат от часове до месеци, вулканите са в период на покой. Продължителността на този период за различните вулкани през различни етапи на геоложкия им живот е много различна - дни, месеци, години, столетия или даже хилядолетия. Известни са редица случаи, когато вулкани, смятани за затихнали, неочаквано са изригвали и причинявали големи екокатастрофи. Класически пример за това е вулканът Везувий. В по-късни времена такива изненади са поднасяли вулканите Бандай Сан в Япония през 1888 г., Лемингтън в Нова Гвинея през 1951 г., Безименний в Камчатка през 1956 г. и Вирунга в Конго през 1958 г.

Вулканите са феноменални природни явления, при които протичат изключително сложни физико-химични процеси. При описанието им специалистите използват десетки специфични термини от областта на няколко науки. Редица монографии и статии са посветени както на общите проблеми на вулканизма, така и на отделни изригвания (Тазиеф, 1963; Макдоналд, 1975; Апродов, 1987). Тук се ограничаваме с изброяване и кратко разглеждане само на основните понятия и най-важните характеристики на вулканизма.

Вулкан - това е мястото, където вулканските продукти се изхвърлят от недрата на Земята на повърхността й. Отворът, през който става това, се нарича гърло на вулкана. В резултат на единични или на многократно повтарящи се изригвания твърдите вулкански продукти се натрупват около гърлото и образуват хълмове, най-често с конична форма, т.нар. вулкански конуси. Обикновено тези конуси са пресечени, върховете им са срязани и имат вдлъбнатина във формата на фуния или чаша - кратерът на вулкана. Каналът, по който вулканските продукти се издигат от земните дълбини до кратера, се нарича проводящ канал.
В някои случаи той е с по-сложна структура - има отклонения, които, излизайки по склоновете на вулканския конус, образуват допълнителни странични отвори - паразитни кратери.

Сместа от разтопени скали, разтворени газове, газови мехурчета и суспензирани кристали от различни минерали се нарича магма. Стопилката се състои главно от окисите на силиций, калций, магнезий, желязо, алуминий, натрий и калий. Съотношението между количеството газове и количеството стопилка от скална маса в магмата се мени в широки граници. В най-общи линии характерът на вулканското изригване зависи от това съотношение и от това, колко лесно газовете се освобождават от стопилката. Газовете могат изцяло да са разтворени в нея, а могат да бъдат и във вид на мехурчета. Мястото, където се намира магмата, се нарича магмено огнище. Магмените огнища са разположени в земната мантия на дълбочини от няколко десетки километра до над 100 кт. Съществуват обаче и вулкани с много плитки огнища, например Везувий, магменото огнище на който е само на около 6 кт дълбочина.

В дълбочините, където са разположени магмените огнища, налягането е много високо - от порядъка на 10 хил. аtm, (1 atm 100 кРа) и затова там въпреки високата температура веществото остава в твърдо състояние. Когато в земната кора се появи пукнатина, налягането под нея намалява, веществото се разтопява и тръгва нагоре. Когато излезе на земната повърхност или на дъното на океана, течната магма губи водните пари и газовете и се превръща в огнетечна лава. Лавата се излива от гърлото и се стича по вулканските склонове, образувайки лавови потоци.

В зависимост от физико-химичните им качества се различават три основни типа и множество разновидности лавови потоци. Лавата пахоехое е със сравнително гладка или леко вълниста повърхност и се образува при движение на течна лава под кора, втвърдяваща се отвън навътре и когато външните части на потока се движат по-бавно, отколкото вътрешните. Лавата аа има повърхност, състояща се от твърде груби, остри и нащърбени отломки. Третият вид лава е блоковата и напомня по обща тестура на лавата аа, но отломките са с доста правилна многоъгълна форма и с гладки стени. Магмата, от която се образува блоковата лава, е по-вискозна, поради което потоците от нея имат дебелини до десетки метри, на дължина рядко превишават 10 кт и се движат със скорости до няколко метра на ден. За разлика от тях потоците лава пахоехое и аа са с дебелини обикновено между 2 и 7 т, простират се на дължини до десетки километри и се движат със скорости стотици метри в час. В някои случаи лава с много ниска вискозност може да се движи със скорост няколко километра в час. Вискозността се определя много трудно, тъй като зависи от температурата. При висока температура течната лава с високо съдържание на газ може да има вискозност, близка до тази на водата.

Според съдържанието на главната им съставка - силициев двуокис, магмата и съответно лавата и образуваните при застиването й вулкански скали се делят на ултрабазични (със съдържание на SiO2 под 40%), базични (40-52% ), средни (53-65%) и кисели (над 66%) (Апродов, 1987). Най-широко разпространена е базичната, т.е. базалтовата магма и съответно най-разпространените магмени скали са базалтът, гранитът и андезитът. Базалтовата магма има сравнително висока температура, достигаща до 1300 °С, малка вискозност и лесно отделя разтворените в нея водни пари и газове.

Съществува и класификация според типа на изригванията. В нея се разграничават шест типа вулканска дейност: хавайски, стромболски, вулкански, плинийски, пелейски и катмайски (Тазиеф, 1963).

Хавайският тип дейност се проявява само във вулкани с базалтова лава. Именно високата степен на разреденост на лавата на този вид вулкани позволява мощни потоци от нея да се разливат на много големи разстояния. По същата причина понякога възникват и т.нар. лавови фонтани, височината на които достига до няколко десетки, а понякога и до стотици метри. Хавайският тип изригване е много опасно, защото разредената лава е много бързоподвижна и се спуска по склоновете със скорости, достигащи до 50 кm/h, като за кратко време залива огромни територии. Характерен пример за такова изригване е вулканът Лаки в Исландия, при последното изригване на който през миналия век лавата е заляла територия от над 50 хил. hа и е причинила смъртта на около 10 хил. души.

Стромбопският тип вулканска дейност се характеризира с често и сравнително ритмично изхвърляне на газове. Застиващите потоци лава имат форма на хаотично разположени, щръкнали и с остри гребени вълни. В общи линии към този тип вулканска дейност може да се причисли и прочутият вулкан Етна.

Последното изригване на вулкана Вулкано на Липарските острови, което продължило от 1888 г. до 1890 г., е послужило като еталон за охарактеризиране на друг вид изригване, наречено вулкански тип. По химичен състав магмата на тези вулкани е киселинна. Киселата лава е по-леплива, по-гъста, движи се бавно, застива бързо и не се разпространява на големи разстояния. По същите причини тази лава не пропуска газовете, които се натрупват в кратера на вулкана, и когато налягането им стане достатъчно високо, успяват да пробият частично застиналата лава, при което се получават колосални взривове.

Изригвания, подобни на екокатастрофата, причинена от вулкана Везувий през 79 г., се наричат плинийски в чест на Плиний Младши, който е наблюдавал и описал това изригване. Плинийските изригвания са необикновени явления - при тях се разрушават върховете на вулканските планини, а милиони тонове пепел и скални отломки се изхвърлят на огромни височини. Именно под такъв слой пепел с дебелина няколко метра са били погребани през 79 г. градовете Помпей, Херкулан и Стабий.

Пелейският тип вулкански изригвания са наблюдавани за пръв път от учени на 8 май 1902 г., когато катастрофално изригване на вулкана Мон Пеле на о-в Мартиника за няколко минути унищожава напълно град Сан Пиер и причинява смъртта на почти всичките му жители. Най-характерният елемент на този тип вулканска дейност е т.нар. изгарящ облак - смес от нажежени газове и разтопен лавов прах. Особено коварно е поведението на този облак -той се разпространява в хоризонтална посока със скорости от по няколко стотици километри в час.

Най-характерното за изригванията от катмайски тип са т.нар. пясъчни потоци, представляващи всъщност проливни дъждове от капчици разтворена лава. В наши дни е известно само едно изригване от този тип - екокатастро-фата на вулкана Безименний на полуостров Камчатка през 1956 г., определена и като най-голямата вулканска екологична катастрофа на века.

В принадлежността на отделните вулкани към различните типове вулканска дейност има известна условност. Нерядко някои вулкани при различните си изригвания са се проявявали като представители на различни типове вулканска дейност. Най-характерни примери за това има в Средиземноморието. Например вулканът Етна, спадащ към стромболския тип, се е проявявал и като хавайски, а Везувий - като стромболски и плинийски.

Известна е и класификация, отчитаща количеството и налягането на газовете в издигащата се магма. Според нея се различават вулкани с ниско, средно и високо налягане на газовете.

География на вулканите

Вулканите, както и земетресенията, не са разположени безразборно по земното кълбо. Те са разпределени закономерно във вулкански пояси - сравнително тесни участъци по крайбрежията на океаните, съвпадащи със сеизмоак-тивните зони.

Най-много активни вулкани (около 350) има в т.нар. Тихоокеански огнен пръстен. Той започва от Камчатка и Курилските острови, минава през Япония, Тайван, Филипините, о. Целебес, Молукските острови, Нова Гвинея, Нова Зеландия и завършва в Антарктида. Най-много вулкани в този пояс има във Филипините - около 100, а най-известни с катастрофалните си изригвания от тихоокеанските вулкани са Килауеа, Мауна Лоа, Асама, Безименний и др.

Друг вулкански пояс е Средиземноморско-Тихоокеанският. В него най-много действащи вулкани има на Малайския архипелаг: 30 на о-в Ява и 10 на о-в Суматра. Действащи вулкани в този пояс са Етна (най-големият в Европа), Везувий, Кракатау, Тамбора и др. В него попадат и редицата затихнали вулкани в Южна Франция, Западна Германия, Армения, както и вулканът, причинил най-голямата известна ни в детайли екокатастрофа - Санторин (Мардиросян, 1995).

Третият вулкански пояс се простира по цялата дължина на централната част на Атлантическия океан. Най-много действащи вулкани в тази зона има в Исландия, а на о-в Мартиника се намира действащият вулкан Мон Пеле.

Вулканска зона има и в източната част на Африка, където е разположен най-големият вулкански масив в този континент - Килиманджаро, състоящ се от три слети вулкана.

Множество затихнали вулкани има и в Китай (Петков и др.,1989).

В таблица 1 са дадени действащите и активните в близко минало вулкани, а на фиг. 1 и тяхното разположение в отделните райони на земното кълбо.

Таблица 1
Действащи и активни в близкото минало вулкани.
Звездичката означава минималния известен брой, а въпросителната - че броят е неизвестен.

Фиг. 1
Схема на разположението на вулканите (точките) по Земята,
заедно със сеизмичните пояси (щриховките).

Елементи на катастрофалното екологично въздействие на вулканските изригвания

Вулканските изригвания нанасят едни от най-тежките екологични поражения. Причина за това са както вулканските продукти, излизащи от кратера по време на изригване във вид на лавови потоци, вулканска пепел, вулкански бомби, вулкански газове, хидротермални взривове и др., така и образуването на калдери и кратерни езера, които могат да причинят еко-катастрофи не само по време на изригване. Екологичното въздействие на отделните елементи на вулканските продукти може да бъде и самостоятелно, и комбинирано.

Най-мащабните отрицателни ефекти от вулканските изригвания в пространството и във времето са лавовите потоци. Интерес представляват физичното и математичното им моделиране, даващи възможност за получаване и на количествени данни, които се използват предимно за борбата с лавовите потоци с цел ограничаване и насочване на разпространението им.

Лавови потоци. Течните лавови потоци се движат по същия начин, както и всички други течности. В първо приближение динамиката на Лавовия поток може да се опише като движение на нютонова течност. Основният проблем е в определянето на вискозността на лавата. Разработени са няколко полуемпирични метода, чрез които, изхождайки от състава на магмата, се определя нейната вискозност.

При движението си лавата постепенно се охлажда и съответно постоянно изменя вискозността си, по-точно температурата й постепенно намалява, вследствие на което вискозността й постепенно се увеличава. За създаването на динамичен модел на движещ се лавов поток е необходимо познаването на зависимостта на вискозността h от абсолютната температура T. Тази зависимост обикновено се дава чрез формулата:

/1/

където h0 и b са константи. За базалтови магми 1.3.10-6 < h < 6,0.10-6 Р (поаза, 1Р = 0,1 Ра.s) и 2,65.104 < b < 2,75.104 К (Danes, 1972). Температурата на стопилката е около 1150 °С. Поради по-голямата вискозност и по-ниската температура на магмата в момента на изригването за андезитовите лави стойностите на константите h0 и b са различни от тези при базалтовите.

Налягането Р на движеща се по наклон с ъгъл a стопилка с плътност r и дебелина на слоя h е:

Р = rgcosa

/2/

където g е земното ускорение.

Уравнението на движението на вискозна течност с ламинарно течение по наклон с ъгъл a е:

/3/

където u е скоростта на потока, а х и y са координатите по оси, съответно успоредна и нормална към посоката на движение на потока.

При малки стойности на a можем да приемем sina a и cosa 1. Тогава от /2/ и /3/ се получава:

/4/

 

Вулканска пепел. Вулканска пепел са най-ситните, с диаметри d < 0,25 mm, твърди частици от вулканските продукти. Пепелоподобните вулкански продукти въздействат по два начина: чрез т.нар. пепелен поток и чрез пепелен дъжд.
Вулканската пепел представлява аерозол, състоящ се от газ с частици от много фина гореща пепел и по-едри частици пемза (шлака от втвърдена магмена пяна). Поради съдържанието на множество твърди частици и високия процент въглероден двуокис този облак е много тежък. Пепелният поток се движи надолу по вулканския склон под действието на собствената си тежест и се разлива по земната повърхност. Вулканските пепелни потоци се движат много бързо и изминават разстояния до 200-300 кт само за 3-4 часа, като в края на движението температурата им все още е достатъчно висока, за да предизвика поражения върху хора, растения, животни и т.н. Високата скорост на движение и смъртоносният характер на пепелните потоци не позволяват прякото им изследване. При изригването на вулкана Катмай през 1912 г. се образуват пукнатини, от които потичат пепелни потоци, разлели се на разстояния до 20 кm в долината. За около 20 часа обемът на изригнатата пепел достига до около 11 кm3, като на места дебелината на пепелния слой е няколко десетки метра.

Дребногабаритните продукти от вулканското изригване се изхвърлят високо във въздуха, а движението им се дължи на хоризонталната сила на вятъра и остатъчната турбулентност. Със затихването на турбулентността носещата способност на въздуха намалява и под действието на силата на тежестта пепелта постепенно пада върху земната повърхност. Повечето вулкански изригвания продължават няколко дни или няколко седмици, през време на които посоката на вятъра обикновено се изменя малко. Затова и пепелта пада главно в някакъв сектор около вулкана. Но има и изключения, като изригването на вулкана Парикутин в Северна Америка, продължило около 9 години, през които вятърът многократно е сменял посоката си, поради което и пепелният слой е разположен достатъчно равномерно (Болт и др., 1978).

На базата на редицата описания на пепелни дъждове са изучени механизмите им и са направени изводи, които могат да се формулират така (Ш е й -деггер, 1981):

• пепелта се издига във въздуха благодарение на турбулентното движение;
• началното разпределение в даден обем на изхвърляните във въздуха за даден период от време частици (според техните размери и плътността им) е степенна функция на скоростта на падането им;
• продължителността на падането на пепелния дъжд във всяка точка от подветрената страна на вулкана е пропорционална на продължителността на изхвърлянето на пепел.

 

Вулкански бомби. При вулкански взрив - експлозивно изригване, от кратерите на вулканите изхвърчат и скални късове, наречени вулкански бомби. Някои бомби имат съвсем неправилни форми, но други приемат във въздуха сферична или вретенообразна форма. При силни взривове вулканските бомби се изхвърлят достатъчно високо и успяват да се втвърдят до такава степен, че не изменят формата си при удара със земната повърхност. Вулканските бомби достигат диаметри до d = 50 cm, излитат с начални скорости v0 от порядъка на стотици m/s и падат на разстояния L от порядъка на няколко километра, а в някои случаи и до няколко десетки километра. Кинетичната енергия на бомбата представлява само нищожна част от общата освободена енергия на изригването.

Например при катастрофалното изригване на вулкана Безименний през 1956 г. вулкански бомби са падали на разстояния Lmax 25 кт, което съответства на начални скорости v0 500 m/s.

 

Вулкански газове. Най-голям дял от вулканските газове се пада на водните пари, но заедно с тях в различни съотношения се отделят и други газове. Това са преди всичко въглеродният двуокис СО2, въглеродният окис СО, серният двуокис SO2, серният триокис SO3, сероводородът Н2S, хлороводородът НСL и флуороводородът НF. При съединяването си с вода серните газове образуват съответно серниста и сярна киселина. При различни концентрации всички тези газове и киселини са в различна степен вредни за хората, животните, растенията и неживите обекти.

Вредното екологично влияние на вулканските газове се проявява при директното им вдишване, при външното им въздействие върху хората, животните и предметите, както и при киселинни дъждове. При изригването на Катмай през 1912 г. са паднали киселинни дъждове в Сюард и Кордова, отдалечени съответно на 490 и 575 кm от вулкана, които са причинили изгаряния по кожата на хората и са повредили растителност и метални повърхности.

Вулканските газове излизат както от главния или от страничните кратери на вулканите, така и от пукнатини, от които никога не изригват нито лава, нито пепел. Често от подветрената страна на вулканите се образува мъгла, състояща се от киселинен аерозол. Процесът на излизане на вулкански газове, несъпроводен с изригване на лава и пепел, се нарича фумаролна дейност, а отворите, от които излиза газът - фумароли. Обикновено фумаролната дейност продължава от няколко седмици до около година след спирането на лавовите и пепелните потоци. Газове се отделят и директно от лавовите и пепелните потоци.

 

Други екологично вредни вулкански елементи. Вулканът може да причини екологична катастрофа не само при изригване. Има и други опасни явления и процеси, които могат да се проявят не само по време на активна вулканска дейност.

След вулканско изригване подземният резервоар, в който са били събрани изхвърлените магма и газове, се изпразва. Получава се кухина, която под действието на лежащите отгоре пластове и в зависимост от устойчивостта на стените си може да се срути в различни интервали от време след изригва-нето. Такова срутване може да стане и под въздействието на различни по сила и различно отдалечени земетресения. В резултат се образува фуниеобразна падина с отрицателен релеф - калдера. Типичен пример за образуване на калдера е вулканът Бандай на о-в Хонсю. След хилядолетен покой, през 1888 г. очевидно огромна калдера се е срутила в продължение на само около минута. Върхът и целият северен склон на вулкана били унищожени, като се е образувала подковообразна падина, заемаща около 3,5 кт2.

Често кратерите на вулканите са запълнени с вода и образуват кратерни езера. Когато по някаква причина бреговете, по-точно стените на тези езера се разрушат, надолу по вулканския склон тръгват огромни потоци вода, смесена с кал, ледени късове, парчета застинала лава и др. Тези потоци - лахари, се спускат по склоновете със скорости, достигащи до 90 кm/h, а разстоянията, до които достигат, са от порядъка на 150-200 кm. Такава екокатастрофа става на 24 декември 1953 г. на затихналия вулкан Руапеху в Нова Зеландия, като отнема живота на над 150 и ранява неколкостотин души.

Вулканите са способни да причиняват екологични катастрофи и чрез хидротермалната си дейност. Внезапният преход на намиращата се в повърхностния слой вода в пара може да доведе до взривоподобни явления. Механизмът на тези взривове е подобен на действието на гейзерите, но е по - мощен, поради което образуваните при тези взривове фунии достигат до 1,5 кm в диаметър.

 

Големите вулкански екокатастрофи

Първото детайлно описание на голяма вулканска екокатастрофа, достигнало до нас, се съдържа в писмата на римския учен Плиний Младши, написани до историка Тацит. В него, наред със съобщението за смъртта на чичо си - забележителния природоизследовател Плиний Старши, загинал при това изригване, племенникът разказва твърде описателно за катастрофалното изригване на Везувий през 79 г. (Болт и др., 1978). След това гибелно за Помпей изригване, Везувий е изригвал до XVII в. още осем пъти. Всички те са били сравнително слаби и не са имали големи катастрофални последици. Вулканът отново напомнил за мощта си едва през 1631 г., когато само за няколко часа от цветущия град Торе дел Греко не останала и следа, а почти всичките му около 18 000 жители загинали.

Две са изригванията, които могат да се класифицират като най-големите вулкански екокатастрофи на XIX в. И двете са станали на Зондския архипелаг в северозападната част на Индийския океан: вулканите Тамбора и Кракатау.

До началото на миналия век не е имало данни за изригвания на вулкана Тамбора и той бил смятан за затихнал. Но на 5 април 1815 г. колосален взрив изхвърлил вулканска пепел на височина до 20 кm. Вулкански бомби падали на разстояния до 40 кm от вулкана. Почти три дни територия от над 550 хил. кm2 и населявана от милиони хора тънела в непрогледен мрак. Цветущи градини на островите Ломбок, Мадура, Ява, Бали и Флорес се превърнали в безжизнени пустини. Общият брой човешки жертви на катастрофалното изригване на Тамбора е около 92 хиляди. Вследствие на катастрофалното изригване на Тамбора височината на планината, която била около 4000 т, се понижила с 1150 m и днес тя е 2850 m. На мястото на изчезналия връх се появил огромен кратер с диаметър близо 6,5 кm.

Другата голяма вулканска екокатастрофа на миналия век е изригването на Кракатау. В 10 ч. сутринта на 27 август 1883 г. се раздал страхотен взрив. Колосални количества газове, пари, пепел и скални късове били изхвърлени на височина над 50 кm. Падайки, тези вулкански продукти засегнали територия от около 1 млн. кm2. Образуваните от падналите в морето огромни скални късове цунами, високи до 30 т, една след друга се стоварили върху островите. Буквално били изтрити от лицето на Земята градовете и селата по крайбрежието на о-в Ява. След изригването районът бил изменен неузнаваемо. На мястото на остров Кракатау се плискали морски вълни и само старият конус на вулкана се подавал над водата. Според официални данни броят на загиналите при тази екокатастрофа е около 36 500 души. С изригването на вулкана Кракатау са свързани и някои интересни геофизични явления - изменение на релефа на морското дъно, появяване на нови острови, образуване на силни урагани, обиколила три пъти земното кълбо звукова вълна и др. (Мардиросян, 1995).

Най-силното вулканско изригване на XX в. е взривът на вулкана Безименний на полуостров Камчатка. В 17 ч. и 11 мин. на 30 март 1956 г. над вулкана изригнали огнен стълб и облаци черен пушек. В района настъпила непрогледна тъмнина. Завалял пепелен дъжд, който покрил територия от около 50 хил. кm2 с дебел няколко десетки сантиметра пепелен пласт. В радиус 25 km от вулкана дървета с диаметри 20-25 сm били като отсечени. Дебелият слой нажежен пясък предизвикал бурно топене на снежната покривка. Мощни потоци от вода, кал, скални късове с маси до стотици тонове и дървета се устремили към долините, унищожавайки всичко по пътя си (Резанов, 1983). Благодарение на това, че районът на Безименний е почти необитаем, най-голямата вулканска екокатастрофа на века не е взела човешки жертви.

Според статистиката само през последните пет века в резултат от над 500 вулкански изригвания са загинали повече от 230 хил. души. А под потоците лава и пластовете пепел завинаги е погребано културно-историческото наследство на древни цивилизации.

В таблица 2 са дадени някои от най-големите екокатастрофи, причинени от изригвания на вулкани и приблизителният брой жертви, взети от тях.

Таблица 2
Най-големите вулкански екокатастрофи и приблизителния брой жертви,
взети от тях.