Wulkanizm – fascynująca podróż do wnętrza Ziemi

Wulkany od zawsze fascynowały ludzi, były personifikowane, otaczane kultem, składano im dary, aby przebłagać groźne siły Matki Ziemi i zabezpieczyć wsie i miasta przed gniewem góry. Choć w dzisiejszych czasach budzą zainteresowanie nade wszystko naukowców i podróżników, nie utraciły swojej magii i aury tajemniczości. Wciąż pozostają też groźne i – mimo nieustannego monitorowania procesów zachodzących w ich wnętrzach – nieprzewidywalne.

Zaglądając do kraterów i obserwując mieszające się i łączące ze sobą skorupy półpłynnej lawy można przyjrzeć się procesom, które kształtowały naszą planetę przez miliardy lat. To wulkany bowiem dały jej życie i wciąż pozostają jednym z kluczowych zjawisk geologicznych na Ziemi.

Budowa wnętrza Ziemi i zachodzące w nim procesy

Ziemia składa się z trzech głównych powłok nazywanych geosferami. Najbardziej zewnętrzną i najcieńszą z nich jest skorupa ziemska, zawierająca minerały o niskiej gęstości i sięgająca do 70 kilometrów w głąb Ziemi (tak duża głębokość dotyczy skorupy ziemskiej znajdującej się pod kontynentami; pod oceanami jej grubość nie przekracza zazwyczaj kilku kilometrów).

Pod skorupą jest powłoka pośrednia, czyli płaszcz ziemski zbudowany z minerałów o wysokiej gęstości. Sięga on do głębokości 2900 kilometrów. Najbardziej wewnętrzną geosferą jest natomiast jądro Ziemi, składające się z części zewnętrznej (ciekłej) oraz wewnętrznej (stałej).

Rozpad pierwiastków promieniotwórczych we wnętrzu Ziemi powoduje wydzielanie ogromnych ilości ciepła, które krąży zgodnie z zasadami konwekcji (w obrębie jądra i płaszcza występują duże różnice temperatur). Nie jest to jednak ruch bezwładny, ponieważ prądy konwencyjne porządkują go: ośrodek cieplejszy unosi się, chłodniejszy natomiast opada niżej.

Gorąca materia, z której zbudowana jest planeta, krąży zatem według ściśle określonych praw, powodując rozchodzenie się i zagłębianie w siebie płyt litosfery, które są w nieustannym ruchu i ciągle się przeobrażają, ponieważ konwencja nie ustaje. Ciepłe prądy konwencyjne unoszą materię aż do powierzchni Ziemi, gdzie ochładza się i znów opada ku jądru. W drodze do niego ogrzewa się po raz kolejny i znów unosi z ciepłymi prądami. Proces trwa zatem nieustannie.

Teoria tektoniki płyt litosfery

W jaki dokładnie sposób prądy konwekcyjne wpływają na przemieszczanie się płyt litosfery? Wyjaśnienie związane jest ściśle z teorią tektoniki płyt litosfery. Ziemia, a dokładniej jej powierzchnia (czyli właśnie litosfera), cała pokryta jest płytami, które przemieszczają się względem siebie w tempie kilku centymetrów rocznie.

Litosfera to sztywna warstwa skorupy ziemskiej, pod nią znajduje się jednak coś, co działa jak wielkie pole smaru – to astenosfera, najbardziej zewnętrzna część płaszcza Ziemi, która sprawia, że możliwe jest przemieszczanie się płyt litosfery. Ruch ten napędzają bezpośrednio prądy konwekcyjne krążące nieustannie we wnętrzu planety.

Spreading

Kiedy rozgrzana materia unosi się wraz z nimi ku górze (to prądy wstępujące), dociera aż do skorupy ziemskiej i powoduje nadtapianie oraz rozciąganie litosfery niczym toffi. Litosfera cienieje do tego stopnia, że w końcu pęka, czyli zostaje rozerwana i rozciągnięta na boki.

Roztopiona materia z płaszcza Ziemi, składająca się z gorącego materiału skalnego, wydostaje się na zewnątrz i na powierzchni tworzy nową warstwę litosfery, stopniowo ochładzającą się i zastygającą. Proces ten nazywa się spreadingiem, od angielskiego słowa spread oznaczającego rozciąganie, a same strefy, w których występuje – strefami spreadingu lub ryftem.

Większość stref spreadingu znajduje się w grzbietach śródoceanicznych, gdzie powstaje cienka skorupa ziemska typu oceanicznego. Można zatem powiedzieć, że planeta rozrasta się przede wszystkim pod wodą, na dnie oceanów. Nowo powstałe płyty litosfery są dalej rozsuwane przez prądy konwencyjne i stopniowo oddalają się od siebie.

Subdukcja

Przeciwieństwem spreadingu jest subdukcja. Ma ona miejsce tam, gdzie występują zstępujące prądy konwencyjne, czyli w miejscu ochładzania się materii płaszcza, która opada z powrotem do wnętrza Ziemi.

Efektem tego jest ściskanie płyt litosfery, czyli kontrakcja, co skutkuje wciąganiem jej do płaszcza ziemskiego. Jedna z płyt zanurza się zatem pod drugą i wędruje ku jądru planety (gdzie znów się ogrzeje, uniesie wraz z prądami wstępującymi i rozsuwanie kolejne płyty litosfery). Subdukcja nie zachodzi jednak tak samo w każdym przypadku.

O ile płyty oceaniczne są stosunkowo cienkie i łatwo zagłębiają się w płaszczu, o tyle płyty kontynentalne cechuje o wiele większa grubość, sztywność i mniejsza gęstość.

Ponieważ w strefie subdukcji można spotkać oba typy płyt litosfery, efekty takiego spotkania płyt są trzy:

Płyta oceaniczna kontra płyta oceaniczna

Płyta oceaniczna kontra płyta oceaniczna: jedna zagłębia się pod drugą, w wyniku czego powstaje rów oceaniczny.

Płyta kontynentalna kontra płyta oceaniczna

Płyta kontynentalna kontra płyta oceaniczna: płyta oceaniczna zagłębia się pod płytę kontynentalną, prawie zawsze towarzyszy temu rozładowanie naprężeń wywołanych przez tarcie, co z kolei wywołuje trzęsienie ziemi.

Płyta kontynentalna kontra płyta kontynentalna

Płyta kontynentalna kontra płyta kontynentalna: subdukcja ustaje, ponieważ żadna płyta nie jest wystarczająco cienka i plastyczna, aby zanurzyć się pod drugą, osady zgromadzone na skraju obu płyt ulegają ściśnięciu i wypiętrzeniu, czego efektem jest powstanie pasm górskich, czyli orogenów.

W naprzemiennych procesach spreadingu i subdukcji nasza planeta ulega zniszczeniu i rodzi się na nowo. Są to ponadto strefy, gdzie występuje najwięcej wulkanów, choć obszary stref subdukcji są o wiele bardziej aktywne sejsmicznie niż stref spreadingu.

Miejsca formowania się magmy, czyli gdzie szukać wulkanów

Magma to częściowo stopiona skała w obrębie skorupy ziemskiej. Wulkany natomiast powstają tam, gdzie magma wydobywa się na powierzchnię Ziemi, czyli staje się lawą. Sama magma występuje w skorupie ziemskiej tylko w niektórych miejscach, takich, gdzie mamy do czynienia ze szczególnymi warunkami.

Ciało stałe bowiem (a takim ciałem jest skała) może przejść w fazę ciekłą tylko w kilku przypadkach: w procesie podgrzania przy zachowaniu stałego ciśnienia, w przypadku spadku ciśnienia wokół skały o wysokiej temperaturze albo w sytuacji, kiedy do skały o wysokiej temperaturze doda się topik (bardzo dobrym jest woda). Stopiona skała migruje wzdłuż spękań ku powierzchni (ponieważ w stanie ciekłym ma mniejszą gęstość niż otoczenie) i może wydobywać się z niej jako lawa (najpierw gromadzi się w komorze magmowej wulkanu).

Najlepsze warunki do stopnienia skał występująca w strefach spreadingu i subdukcji, dlatego właśnie tam znajduje się najwięcej wulkanów. W strefach spreadingu dochodzi do silnego podgrzania dzięki wstępującym prądom konwekcyjnym i spadkowi ciśnienia na skutek rozciągania skorupy ziemskiej. Z kolei w strefach subdukcji skorupa wraz z osadami zagłębia się w płaszczu, a wraz z osadami dostaje się tam również woda, czyli jeden z najlepszych topików. Temperatura skał wzrasta.

Hot spots

W obrębie kuli ziemskiej znajduje się jeszcze jedno źródło wulkanizmu. Są to cienkie strumienie rozgrzanej materii płaszcza, nazywane pióropuszami płaszcza, które dochodzą aż do skorupy ziemskiej. Takie obszary noszą nazwę plam gorąca (hot spots).

Pacyficzny Pierścień Ognia

Prawie wszystkie wulkany znajdują się w strefach subdukcji. Wiele z nich tworzy Pacyficzny Pierścień Ognia. Łatwo go zobaczyć, jeśli weźmie się mapę albo ustawi globus w taki sposób, by obie Ameryki znajdowały się pośrodku.

Wulkany Pacyficznego Pierścienia Ognia należą do najgroźniejszych i najbardziej wybuchowych. To bardzo sejsmiczna strefa złożona z pasów rowów oceanicznych i aktywnych wulkanów, otaczająca niemal idealną obręczą Ocean Spokojny (ma długość prawie 40 tysięcy kilometrów). Pojedyncze wulkany (jak Mauna Loa na Hawajach) zlokalizowane są nad plamami gorąca. Z kolei wulkany stref spreadingu znajdują się prawie zawsze pod wodą (to wulkany podmorskie). Na powierzchni można je zobaczyć na Islandii, Azorach i we wschodniej Afryce.

Style erupcji wulkanicznych

Wulkany wybuchają w dwojaki sposób. Jeśli lawa wydostaje się przez kanał magmowy i tworzy się stożek wulkaniczny, mamy do czynienia z erupcją centralną, jeśli natomiast lawa wydobywa się wzdłuż szczelin, które tworzą pokrywy lawowe, nazywa się to erupcją szczelinową.

Erupcje mogą mieć różny przebieg, ponieważ wiele zależy od właściwości fizycznych samej lawy i od zawartej w niej pary wodnej. Czasami są to spokojne wylewy, kiedy lawa płynie szybko lub wolno w zależności od jej składu chemicznego (przede wszystkim zawartości krzemionki), kiedy indziej wybuchy przypominają gigantyczne eksplozje z ogromną ilością materiału piroklastycznego, a sam stożek wulkanu zostaje rozerwany.

Style erupcji a rodzaje wulkanów

To właśnie styl erupcji decyduje o kształcie stożka wulkanicznego, a skład chemiczny wydobywającej się lawy ma ogromne znaczenie w przypadku gwałtowności i widowiskowości wybuchu.

Wulkany tarczowe

Najłagodniejszymi wulkanami są zazwyczaj wulkany tarczowe, jak na przykład Mauna Loa na Hawajach. Wulkany te potrafią przypominać bardzo rozległe i niezbyt wystające nad krajobraz wzgórza, co skutkuje tym, że wielu poszukiwaczy wulkanów może ich niemal nie zauważyć, a ci, którzy szukali wypiętrzonej i groźnej góry poczują się głęboko zawiedzeni. Wulkany tarczowe cechuje magma o niskiej lepkości, przeważnie bazaltowa, czyli z małą zawartością krzemionki. Wydobywa się ona łagodnie z kanału magmowego i spływa w dół, zastygając i tworząc rozległe, ale stosunkowo płaskie wzniesienia, które mogą zajmować powierzchnię setek tysięcy kilometrów kwadratowych.

Powstawanie kopuł lawowych związane jest z kolei z bardzo dużą lepkością lawy (lawa felsytowa, z dużą zawartością krzemionki). Taka lawa nie spływa po zboczu wulkanu, bo jest na to zbyt lepka, gromadzi się więc tuż przy wylocie kanału magmowego i nieraz go zatyka. Ciśnienie narastające wewnątrz powoduje wysadzenie kopuły, często towarzyszy temu rozerwanie fragmentu stożka całego wulkanu. Miało to miejsce podczas eksplozji góry Świętej Heleny – oderwaniu uległa cała boczna ściana.

Wulkany stożkowe

Wulkany stożkowe są z kolei wysokie i dosyć smukłe, w przeciwieństwie do wulkanów tarczowych. Powstają one w wyniku wyrzucania z krateru materiału piroklastycznego: fragmentów lawy stygnących w powietrzu, które mogą być drobne jak popiół albo wielkie jak półmetrowe bomby wulkaniczne. Wulkany stożkowe produkują zazwyczaj lawę o niskiej lepkości, która bez problemów spływa po zboczach, ale zawiera dużo pary wodnej i innych gazów, co wpływa na jej eksplozywność. Tak eksploduje na przykład Stromboli na morzu Tyrreńskim.

Stratowulkany

Stratowulkany nazywane są przez wielu badaczy i miłośników wulkanami idealnymi albo jak z bajki. Wszystko ze względu na ich wygląd: są zazwyczaj perfekcyjnymi stożkami, wysokimi, często pokrytymi śniegiem i lodem w górnych partiach, ze stromymi zboczami i delikatnym fałdowaniem. Stratowulkany są jednak śmiertelnie niebezpieczne, ponieważ mają tendencję do naprzemiennego wylewania lawy i strzelania w górę materiałem piroklastycznym. Wiele z nich tworzy Pacyficzny Pierścień Ognia, jest nim również Fujiyama.

Erupcje freatyczne

Wulkany mogą też cechować się erupcjami freatycznymi i wówczas stają się jeszcze groźniejsze. W szczelinach takich wulkanów znajdują się ogromne ilości wód oceanicznych, deszczowych lub pochodzenia lodowcowego, które po odparowaniu rozrywają cały stożek. Takim wulkanem był indonezyjski Krakatau (nazywany też Krakatoa), dziś przypominający bardziej klasyczny stratowulkan.

Wszystkie powyższe erupcje dotyczą eksplozji w stylu centralnym. Są jednak wulkany, które wybuchają w stylu szczelinowym. Erupcja ma wówczas prawie zawsze spokojny przebieg, lawa jest bazaltowa, wylewa się ze szczeliny i tworzy pokrywy. Erupcje szczelinowe występują przeważnie w strefach spreadingu. Jednym z takich wulkanów jest Krafla na Islandii.

Inne rodzaje erupcji wulkanów

Erupcje nie zawsze mają miejsce na powierzchni ziemi. Zdarzają się również erupcje podwodne, podlodowcowe (subglacjalne), czasami do wydobycia się magmy na powierzchnię w ogóle nie dochodzi. Wówczas rozlewa się ona i gromadzi pod powierzchnią Ziemi, tworząc intruzje magmowe.

Jakie zjawiska towarzyszą wybuchom wulkanów?

Bomby wulkaniczne

Eksplozje wulkanów często pochłaniają mnóstwo ofiar, choć tak naprawdę od samej erupcji może umrzeć o wiele mniej ludzi, niż od zjawisk jej towarzyszących, które potrafią okazać się bardziej śmiercionośne niż sam wypływ lawy czy spadające bomby wulkaniczne. Mnóstwo szkód i wiele ofiar pociąga za sobą lawina piroklastyczna, która towarzyszy tylko niektórym wybuchom.

Lawina piroklastyczna

Czasami nazywana jest również spływem piroklastycznym, co trafnie oddaje tempo, w jakim się porusza. Spływy piroklastyczne powstają wtedy, kiedy popiół wyrzucany przez wulkan łączy się z powietrzem i gazami wulkanicznymi w nim zawieszonymi.

Taka mieszanka tworzy zawiesinę, cięższą od powietrza, która spływa ze stoku z prędkością przebijającą nawet samochód wyścigowy, jest to bowiem kilkaset kilometrów na godzinę. Taka lawina działa na zasadzie fali uderzeniowej – niszczy i wypala wszystko, co stanie na jej drodze, a ponieważ ma bardzo wysoką temperaturę, przypomina gorący oddech spowijający całe otoczenie wulkanu.

Nawet jeśli erupcji nie towarzyszy lawina piroklastyczna, uwalniające się z lawy (zwłaszcza felsytowej) gazy mogą gromadzić się w zagłębieniach terenu (są cięższe od powietrza i toksyczne), szczególnie podczas bezwietrznej pogody. Stanowią ogromne niebezpieczeństwo i niszczą całą szatę roślinną na danym obszarze.

Popiół wulkaniczny

Jeśli popioły wulkaniczne zostaną uwodnione przez opady deszczu albo stopienie mas lodowych na wulkanie, powstają śmiertelnie niebezpieczne lahary. To gorące i lepkie spływy błotne, które niszczą wszystko na swojej drodze i mogą zalać ogromne obszary w sąsiedztwie wulkanu. Uwięzieni w nich ludzie i zwierzęta mogą się utopić, ale także utknąć jak w bagnie i umrzeć na skutek wycieńczenia. Rwące potoki gorącego błota nieraz niszczą całe miasta i zatruwają rzeki.

Trzęsienia ziemi

Wybuchom wulkanów towarzyszą także trzęsienia ziemi, ściśle powiązane z subdukcją płyt litosfery. Jeśli epicentrum znajduje się na oceanie, na skutek odkształcenia dna i wypchnięcia ku górze ogromnych mas wody powstaje tsunami, czyli gigantyczne fale, które docierają do brzegu i sieją zniszczenie na obszarze wielu kilometrów w głąb lądu.

VEI- Volcanic Explosivity Index

W skrajnych przypadkach podczas erupcji wulkanu siła eksplozji jest tak ogromna, że nie tylko sama góra, ale również duży fragment lądu albo wręcz cała wyspa znikają z powierzchni ziemi.

Opracowana przez Chrisa Newhalla i Steve’a Selfa skala eksplozywności erupcji wulkanicznych (Volcanic Explosivity Index, w skrócie VEI) pozwala każdorazowo ocenić siłę wybuchu danego wulkanu. Każdy następny punkt na skali oznacza dziesięciokrotny wzrost eksplozywności danej erupcji. Choć skala jest otwarta, największe znane z historii erupcje oznaczono jako 8 i były to prawdziwie apokaliptyczne kataklizmy.

Polecamy

• Wulkany
• Toba – superwulkan
• Wulkan Tambora
• Korzyści z wulkanów
• Katastrofa tunguska
• Człowiek przyczyną zagłady gatunków
• Mamuty
• Megafauna
• Historia wymierania gatunków
• Zwierzęta wymarłe w XXI wieku
• Zwierzęta wymarłe w XX wieku
• Przyczyny masowych wymierań
• Masowe wymierania gatunków – Wielka 5
• Masowe mniejsze wymierania gatunków
• Najbardziej zagrożone gatunki ssaków – Top 10
• Najbardziej zagrożone gatunki ptaków – Top10
• Opracowania
• Wymieranie