До начала космической эры явление вулканизма было известно только на Земле. Хотя ученые-планетологи (и многочисленные писатели-фантасты) вполне обоснованно предполагали, что вулканы имеются и на других планетах. Сейчас мы знаем, что они не ошибались. Действующие вулканы уже открыты на юпитерианском спутнике Ио, грандиозные вулканические структуры Марса заняли достойное место в Книге рекордов Гиннеса, а на ледяных лунах далеких планет-гигантов обнаружен криовулканизм, по-видимому, играющий большую роль в эволюции многих тел Солнечной системы.
Для появления вулкана нужно сравнительно немного — планета или ее луна с твердой поверхностью и некий источник энергии, постоянно нагревающий ее недра (приливное взаимодействие или радиоактивный распад). В результате «внутренности» объекта частично плавятся или даже переходят в газообразное состояние и начинают «искать выход», пробиваясь сквозь застывшую кору. Как показывают последние исследования, такое сочетание условий во Вселенной не является редкостью. Это тем более интересно с той точки зрения, что именно первые вулканы вероятно стали причиной зарождения земной жизни. Судя по всему, такой сценарий вполне может реализоваться и на планетах у других звезд.
Большинство людей под словом «вулканизм» понимают излияние на земную поверхность расплавленной лавы. Однако, кроме лавы, вулканы часто выбрасывают огромное количество газов, а также твердых частичек — пирокластики, состоящей из мелких кристалликов и застывших лавовых капелек. Обычны в нашем представлении и своеобразные формы рельефа, возникающие в процессе вулканических извержений — конусовидные горы, которые как раз и называют «вулканами».
Эффузивный вулканизм сопровождается излияниями лавы из недр на поверхность без образования конических возвышенностей. Такой вид вулканизма в прошлом однозначно существовал, как на нашей планете, так и на Луне, Венере и Марсе. На детальных снимках поверхности Меркурия, полученных аппаратом MESSENGER, также обнаружены структуры, происхождение которых может быть следствием вулканической активности, имевшей место в прошлом планеты.
Вулканизм Луны и каменистых планет
На Луне обнаружены вулканические породы — базальты, которые широко представлены и на Земле. Они покрывают громадные пространства, так называемых лунных морей. Их появление связано с ударами крупных астероидов, оставившими на поверхности гигантские воронки, которые со временем заполнились жидкой лавой, поднявшейся по разломам из лунных недр. Лавой покрыто и дно некоторых крупных ударных кратеров. Следы ее излияния в виде потоков, куполов, кальдер (обрушившихся вулканических куполов) запечатлены космическими аппаратами. Возраст базальтов составляет около 3 млрд лет. Это значит, что процессы вулканизма на Луне происходили очень давно, на ранних стадиях ее формирования, когда вещество ее недр еще не остыло и обеспечивало эндогенную активность.
На Венере изучать рельеф в ходе наблюдений в видимом диапазоне невозможно из-за плотной облачности. Однако радиолокационными методами установлено, что вся планета усеяна конусообразными структурами вулканического происхождения. Иногда удается «разглядеть» лавовые потоки. Посадочные аппараты передали фотографии, на которых видны залитые лавой участки. Но данных о составе слагающих их пород мы пока не имеем.
Есть много косвенных фактов, позволяющих сделать предположение, что вулканизм на Венере продолжается и в настоящее время. Во-первых, это высокая температура поверхности (460°С), возможно, связанная не только с парниковым эффектом, но и с излияниями горячей лавы. Во-вторых, атмосфера планеты состоит преимущественно из углекислого газа (на Земле основным его источником является вулканизм). Также в ней содержаться капли серной кислоты и частицы серы — скорее всего, вулканического происхождения. В верхних атмосферных слоях периодически регистрируется сернистый газ SO₂ — еще один характерный продукт извержений. Его молекулы разрушаются под действием солнечного света, а значит, должен существовать некий источник его пополнения.
Искусственные спутники Венеры зарегистрировали гравитационные аномалии, аналогичные обнаруженным в районе молодых вулканов Земли, и многочисленные электрические разряды в атмосфере над венерианскими горами (извержения земных вулканов часто сопровождаются сильными молниями). Возможно, вулканизм «Утренней звезды» значительно интенсивнее земного, и она сейчас проходит стадию развития, которая на нашей планете закончилась несколько миллиардов лет назад.
Наблюдение поверхности Марса с помощью орбитальных аппаратов и результаты работы марсоходов свидетельствуют о том, что глобальная вулканическая активность на планете проявлялась еще порядка миллиарда лет назад. Базальтовые лавы, покрывающие обширные марсианские равнины, извергались из глубоких трещин-разломов в коре. Это происходило и в прошлом Земли, когда подобные извержения привели к появлению базальтовых трапов (сейчас они продолжаются на океаническом дне). На поверхности планеты зарегистрированы типичные вулканические постройки, похожие на земные щитовые вулканы, которые образуются в результате излияния из центрального канала маловязкой основной лавы, бедной летучими компонентами. Она разливается вокруг кратеров, формируя гору с пологими склонами и плоской вершиной, часто увенчанной кальдерой сложной формы. Самые характерные из них — гора Олимп и три вулканических конуса в провинции Фарсида. Исследования снимков, переданных зондом Mars Express, позволили сделать вывод, что эта вулканическая область была активной всего несколько десятков миллионов лет назад. По геологическим меркам это совсем недавно.
По мнению ученых, извержения на Марсе были достаточно редкими, но невероятно масштабными и со значительной скоростью протекания по сравнению с земными. Эти заключения базируются на том, что более слабая гравитация Красной планеты генерирует меньшую силу плавучести. Поэтому магматические очаги в марсианских недрах должны быть значительно более глубокими и обширными для того, чтобы магма смогла подняться достаточно близко к поверхности и вылиться наружу перед тем, как затвердеть. Такие магматические очаги формируются в месте подъема мантийного плюма (каплеобразного очага расплавленных пород). Они расширяются и остаются активными на протяжении миллиарда лет, подобно очагу над «горячей точкой», питающей гавайские вулканы на Земле. Марсоход Curiosity выполнил первый рентгеноструктурный анализ марсианского грунта вулканического происхождения. Его состав напоминает выветренные базальтовые почвы на Гавайях, что подтверждает сходство изверженных пород на двух планетах. В марсианской провинции Элизий также выявлен пирокластический материал на склонах древних вулканов и в их окрестностях.
Вулканизм спутников планет-гигантов
Наиболее интересные проявления внеземного вулканизма наблюдаются в настоящее время на юпитерианском спутнике Ио. На нем обнаружено не менее 12 действующих вулканов, выбросы которых поднимаются на высоту до 300 км. Они содержат серу, сернистые газы и некоторые сульфиды. Вулканы также извергают силикатные магмы с примесями серы и ее соединений.
Телескопические наблюдения выявили распространяющийся по орбите Ио газовый «шлейф», в составе которого оказались сера, натрий, калий и кислород (как мы теперь знаем, это продукты выбросов из недр спутника). По подсчетам, количество вещества, изверженного вулканами на поверхность этой луны за несколько миллионов лет, хватило бы, чтобы покрыть всю ее слоем в несколько десятков метров. Этим объясняется отсутствие на Ио ударных кратеров, характерных для других спутников Юпитера — Ганимеда и Каллисто. Они просто погребены под мощным слоем продуктов извержений.
Источником, питающим вулканы Ио, вероятно является глобальный океан магмы под его поверхностью. На это указывает также наличие у него магнитного поля, для возникновения которого нужны жидкие электропроводящие слои в его недрах. По некоторым оценкам, слой расплавленного вещества лежит на глубине в несколько десятков километров и занимает около 10% объема мантии спутника, а температура в этом слое, возможно, превышает 1200°C. В центрах извержений температура достигает 300°C.
Какой же источник энергии, по мнению ученых, поддерживает вулканизм на Ио? На этот счет существует несколько предположений. Преимущественной, в настоящее время, является гипотеза, согласно которой разогрев недр спутника обеспечивается его периодическими приливными деформациями из-за небольшой вытянутости его орбиты и под действием силы тяжести других крупных спутников Юпитера.
Еще одной разновидностью выброса (извержения) вещества из недр на поверхность космических тел является криовулканизм. Он наблюдается на некоторых спутниках удаленных от Солнца планет в условиях низких температур. Вместо расплавленных скальных пород криовулканы извергают воду, аммиак и другие сравнительно низкокипящие соединения — как в жидком состоянии (криолаву), так и в газообразном. Впервые это явление было обнаружено на спутнике Нептуна Тритоне. Аппарат Voyager 2 сфотографировал струи газа и пыли, которые поднимались над жерлами криовулканов на высоту 8 км, изгибались и тянулись в виде горизонтальных шлейфов более чем на 150 км. В южной полярной области таких шлейфов насчитали около пятидесяти.
На спутнике Сатурна Титане также обнаружены криовулканы, выбрасывающие в атмосферу холодное вещество (предположительно метан). Еще один сатурнианский спутник Энцелад знаменит своими выбросами водяного пара, оксидов углерода и частиц льда. Они напоминают земные гейзеры в вулканических областях, но отличаются от них твердым агрегатным состоянием продуктов выбросов.
Ряд косвенных данных свидетельствует о наличии криовулканизма на некоторых других ледяных спутниках, обращающихся вокруг планет-гигантов (в частности, на Европе и Ганимеде), а также на карликовых планетах Плутоне и Церере. Во всех этих случаях, кроме последнего, криовулканизм поддерживается энергией приливных взаимодействий.
Вулканизм на Земле
Последние месяцы 2019 года ознаменовались активизацией многих земных вулканов: от небольших выбросов пепла и пара до мощных извержений, поднявших столбы пирокластического материала и огромные объемы вулканических газов на высоту в десятки километров. Перечень извержений на нашей планете за последние полгода достаточно велик. В среднем активная фаза вулканизма в разных уголках земного шара отмечается 3 раза в месяц.
Почему же вулканическая активность нашей планеты столь высока? Чем Земля отличается от других планет земной группы, где проявления подобных процессов довольно редки, имеют иную форму или же вовсе давно прекратились?
Вулканические процессы отражают активную внутреннюю жизнь нашей планеты. Эта активность объясняется, в первую очередь, наличием горячего жидкого внешнего ядра. Горячее ядро выделяет тепло, которое неравномерно перераспределяется через мантию, приводя к ее перемешиванию конвективными потоками. Вулканизм связан с истечением горячих глубинных газов (флюидов) из недр Земли. Они способствуют разуплотнению и локальному подъему глубинного вещества. Мантия, в зависимости от интенсивности прогрева в верхней своей части (начиная с глубин 300-400 км), частично плавится, образуя глубинные диапиры или плюмы — источники магматических расплавов. Эти расплавы вследствие своей меньшей плотности, чем окружающие твердые породы, начинают двигаться вверх по ослабленным зонам — разломам. На своем пути они создают промежуточные вулканические очаги, из которых расплавленная магма может вылиться на поверхность.
На поверхности Земли действующие вулканы распределены весьма неравномерно и находятся в разных геодинамических условиях. Подавляющее их большинство (360 из 540) расположены в так называемом «Огненном поясе» вокруг Тихого океана. Второй пояс — Средиземноморско-Индонезийский — тянется в широтном направлении. В нем насчитывается около 150 действующих и затухающих вулканов. Третий пояс вытянут в меридиональном направлении вдоль Атлантического океана. В нем сосредоточено множество подводных и островных вулканов. Причем на океаническом дне их количество может достигать нескольких тысяч. Отдельные вулканы (в частности, африканские) находятся внутри континентов и могут быть связаны с глубинными разломами земной коры, ограничивающими узкие активные зоны — рифты.
В расположении вулканов есть строгая геологическая обусловленность. Так, в упомянутом «Огненном поясе» все они находятся на активных континентальных окраинах и островных дугах. Здесь океаническая кора Тихоокеанской литосферной плиты погружается под более легкую «плавучую» континентальную кору Евразии. Обширный вулканический Средиземноморско-Индонезийский пояс связан с движением Африканской и Индийско-Австралийской плит навстречу Евразийской плите.
В разные эпохи геологической истории вулканизм на Земле протекал по-разному. На ранних этапах она была очень горячей, и вулканы покрывали всю ее поверхность. Со временем планета стала остывать. Подсчитано, что ее недра охлаждаются со скоростью около градуса за миллион лет. Земля стремится освободиться от лишнего тепла в ходе процессов мантийной конвекции, движения литосферных плит, вулканизма и многих других. Со временем земной вулканизм стал менее активным. В будущем, когда наша планета остынет настолько, что магма затвердеет, он прекратится, как это случилось на Марсе.
Вулканы и жизнь
Роль вулканов в развитии земной жизни огромна. На дне океанов открыты подводные трещинные излияния в зонах срединно-океанических хребтов и глубоководные «оазисы» вокруг источников горячей воды, вытекающей из земной коры. Они выносят из недр метан, углекислый, угарный и сернистые газы, сероводород, фтороводород, а также железо, никель и другие биофильные элементы (так называют элементы, поглощаемые организмами из геохимической среды (почвы, воды) и используемые ими в процессах жизнедеятельности. Все чаще высказываются гипотезы о зарождении жизни на Земле вокруг этих формаций.
При поисках обитаемых экзопланет, обращающихся вокруг далеких звезд, используют методы обнаружения в их атмосфере вулканических газов. На планетах с вулканизмом условия для зарождения и развития жизни могут возникнуть с большей вероятностью, чем без него. Причина этого состоит в том, что выделение вулканических газов помогает поддерживать на поверхности умеренные, благоприятные для биологической жизни температуры, регулирует состав атмосферы, осуществляет циклический газообмен с веществом мантии планеты.
Благодаря вулканическому углекислому газу 3,5 млрд лет назад (в архее) появились первые фотосинтезирующие организмы — цианобактерии. В начале протерозоя, 2 млрд лет назад, к ним присоединились сине-зеленые водоросли, которые насытили атмосферу Земли кислородом. Это послужило спусковым механизмом для дальнейшей эволюции органического мира. В конце протерозоя, во время глобального оледенения, когда льды покрывали даже экваториальные области, вулканическое тепло растопило «Землю-снежок». Это произошло около 650 млн лет назад и в начале палеозойской эры привело к «Кембрийскому взрыву» — мгновенному, с геологической точки зрения, появлению на планете всех типов многоклеточных организмов, многие из которых существуют и в наше время.
В конце палеозоя (250 миллионов лет назад) всплеск вулканической активности на Земле породил излияния трещинных базальтов, покрывших гигантские территории на суше. Вследствие этого, изменился состав атмосферы, что привело к самому крупному вымиранию в истории, которое уничтожило 96% морских и около 70% наземных видов. На смену вымершим пришли другие, хозяевами планеты стали динозавры. Высказываются гипотезы, что трещинный вулканизм, подобный палеозойскому, проявился также на рубеже мезозойской и кайнозойской эр. Он мог стать причиной гибели динозавров и мезозойского вымирания. Все вулканические катастрофы приводили к скачку в эволюции и расцвету новых видов.
Вулканизм, без сомнения, является регулятором климата на Земле. С одной стороны, во время извержений из ее недр в атмосферу попадает огромное количество твердых частиц, которые рассеивают солнечные лучи, приводя к заметному похолоданию. Имеются данные, свидетельствующие о том, что некоторым периодам длительного похолодания в истории нашей планеты предшествовала мощная вулканическая активность. С другой стороны, повышенное количество углекислого газа, выбрасываемого вулканами, приводит к парниковому эффекту, вызывающему потепление климата.
Вулканические породы сравнительно легко поддаются выветриванию. Разрушаясь, они становятся пригодными для формирования грунтов, которые в условиях теплого климата превращаются в благодатный субстрат для буйной растительности. Богатые и плодородные вулканические почвы часто находятся в густонаселенных регионах: в южной части Чили, в северных высокогорьях Эквадора, в Юго-Восточной Азии (в Индонезии и на Филиппинах). Здесь живут десятки миллионов людей рядом с многочисленными вулканами. И хотя жить в таких местах небезопасно, люди охотно пользуются плодами вулканизма, временами страдая от его неукротимой силы. Более того: недавние исследования говорят о том, что сама жизнь на Земле и современное человечество также появились благодаря вулканизму. Но это уже тема для отдельной статьи.
