Головна Новини Вулканізм на Землі та за її межами

Вулканізм на Землі та за її межами

Новини Статті

До початку космічної ери явище вулканізму було відомим лише на Землі. Хоча вчені-планетологи (та численні письменники-фантасти) цілком обгрунтовано припускали, що вулкани є й на інших планетах. Зараз ми знаємо, що вони не помилялися. Діючі вулкани вже відкриті на юпітеріанскому супутнику Іо, грандіозні вулканічні структури Марсу зайняли гідне місце в Книзі рекордів Гіннеса, а на крижаних місяцях далеких планет-гігантів виявлено кріовулканізм, який, схоже, грає велику роль у еволюції багатьох тіл Сонячної системи.

Виверження вулкану. Джерело: Martin RietzeДля появи вулкану потрібно порівняно небагато — планета або її супутник із твердою поверхнею та якесь джерело енергії, що постійно нагріває її чи його надра (приливна взаємодія чи радіоактивний розпад). В результаті «нутрощі» об’єкта частково плавляться й навіть переходять у газоподібний стан і починають «шукати вихід», пробиваючись крізь застиглу кору. Як показують останні дослідження, таке поєднання умов у Всесвіті не є рідкістю. Це тим більш цікаво з тої точки зору, що саме перші вулкани, ймовірно, стали причиною зародження земного життя. Дуже схоже, що такий сценарій цілком може реалізуватись і на планетах інших зірок.

Більшість людей під словом «вулканізм» розуміють вилив на земну поверхню розплавленої лави. Насправді, крім лави, вулкани часто викидають величезну кількість газів, а також твердих частинок — так званої пірокластики, що складається з дрібних кристаликів і застиглих лавових крапельок. Звичайними для нашої уяви є своєрідні форми рельєфу, що виникають у процесі вулканічних вивержень — конусоподібні гори, які саме й називають «вулканами».

Ефузивний вулканізм супроводжується виливами лави з надр на поверхню без утворення конічних височин. Такий вид вулканізму в минулому однозначно існував як на нашій планеті, так і на Місяці, Венері та Марсі. На детальних знімках поверхні Меркурія, отриманих апаратом MESSENGER, також виявлені структури, походження яких може бути наслідком вулканічної активності, що мала місце в минулому планети.

Вулканізм Місяця та кам’янистих планет

На Місяці виявлені вулканічні породи — базальти, які широко представлені також на Землі. Вони покривають величезні простори так званих місячних морів. Їхня поява пов’язана з ударами великих астероїдів. Вони залишили на поверхні гігантські воронки, що з часом заповнилися рідкою лавою, яка піднялася по розломах з місячних надр. Лавою вкрито і дно деяких великих ударних кратерів. Сліди її виливу у вигляді потоків, куполів, кальдер (обвалених вулканічних куполів) уже сфотографовані космічними апаратами. Вік базальтів становить близько 3 млрд років. Це означає, що процеси вулканізму на Місяці відбувалися дуже давно, на ранніх стадіях його формування, коли речовина місячних надр ще не охолола й забезпечувала ендогенну активність.

Гори Рюмкера (Mons Rümker) — сліди стародавнього вулканізму на місячній поверхні. Знімок зроблений із селеноцентричної орбіти екіпажем корабля Apollo 15. Джерело: NASA

На Венері вивчати рельєф за допомогою спостережень у видимому діапазоні неможливо через щільну хмарність. Однак радіолокаційними методами встановлено, що вся планета всіяна конусоподібними структурами вулканічного походження. Іноді вдається «розгледіти» лавові потоки. Посадкові апарати передали фотографії, на яких видно залиті лавою ділянки. Але даних про склад їхніх порід ми поки не маємо.Є багато непрямих фактів, які дозволяють зробити припущення, що вулканізм на Венері триває й досі. По-перше, це висока температура поверхні (460°С), можливо, пов’язана не лише з парниковим ефектом, але й із виверженнями гарячої лави. По-друге, атмосфера планети складається переважно з вуглекислого газу (на Землі основним його джерелом є вулканізм). Також у ній містяться краплі сірчаної кислоти та частки сірки — швидше за все, теж вулканічного походження. У верхніх атмосферних шарах періодично реєструється сірчистий газ SO₂ — ще один характерний продукт вивержень. Його молекули руйнуються під дією сонячного світла, а значить, має існувати якесь джерело його поповнення.

Перспективний вигляд венеріанскої гірської системы Сапас (Sapas Mons) за даними космічного апарату Magellan. Джерело: JPL/NASA

Штучні супутники Венери зареєстрували гравітаційні аномалії, аналогічні виявленим у районах молодих вулканів Землі, та численні електричні розряди в атмосфері над венеріанськими горами (виверження земних вулканів часто супроводжуються сильними блискавками). Можливо, вулканізм «Ранкової зірки» значно інтенсивніший за земний, і вона зараз проходить стадію розвитку, яка на нашій планеті закінчилася кілька мільярдів років тому.

Спостереження поверхні Марсу за допомогою орбітальних апаратів і результати роботи марсоходів свідчать про те, що глобальна вулканічна активність на цій планеті завершилася близько мільярда років тому. Базальтові лави, що покривають великі марсіанські рівнини, викидалися з глибоких тріщин-розломів у корі. Це відбувалось і в минулому Землі, коли подібні виверження призвели до появи базальтових трапів (зараз вони тривають на океанічному дні). На поверхні Червоної планети зареєстровані типові вулканічні споруди, схожі на земні щитові вулкани, що утворюються в результаті виливу з центрального каналу низьков’язкої основної лави, бідної летючими компонентами. Вона розливається навколо кратерів, формуючи гору з пологими схилами та пласкою вершиною, часто увінчаною кальдерою складної форми. Найхарактерніший із них — гора Олімп і три вулканічних конуси у провінції Фарсида. Дослідження знімків, переданих зондом Mars Express, дозволили зробити висновок, що ця вулканічна область була активною лише кілька десятків мільйонів років тому. За геологічними мірками це зовсім нещодавно.

Провінція Фарсида з горою Олімп. Її найвища точка здіймається на 24 км вище оточуючих рівнин — це найвищий вулкан (і найвища гора) Сонячної системи. Вулканічна структура має середній діаметр близько 550 км і майже по всьому периметру закінчується уступом висотою до 4 км. Джерело: NASA

На думку вчених, виверження на Марсі були нечастими, але неймовірно масштабними та зі значною швидкістю витікання порівняно з земними. Ці висновки базуються на тому, що більш слабка гравітація Червоної планети генерує меншу силу плавучості. Тому магматичні осередки в марсіанських надрах повинні бути значно глибшими та більшими для того, щоб магма змогла піднятися досить близько до поверхні та вилитися назовні перед тим, як затвердіти. Такі магматичні осередки формуються в місці підйому мантійного плюму (каплеподібного резервуару розплавлених порід). Вони розширюються й залишаються активними впродовж мільярда років, подібно до плюму над «гарячою точкою», що живить гавайські вулкани на Землі. Марсохід Curiosity виконав перший рентгеноструктурний аналіз марсіанського грунту вулканічного походження. Його склад нагадує вивітрені базальтові грунти Гаваїв, що підтверджує подібність вивержених порід на двох планетах. У марсіанській провінції Елізій також виявлено пірокластичні матеріали на схилах стародавніх вулканів і в їхніх околицях.

Вулканізм супутників планет-гігантів

Найбільш цікаві прояви позаземного вулканізму спостерігаються на юпітеріанскому супутнику Іо. На ньому виявлено не менше 12 діючих вулканів, викиди яких підіймаються на висоту до 300 км. Вони містять сірку, сірчані гази та деякі сульфіди. Вулкани також вивергають силікатні магми з домішками сірки та її сполук.

Телескопічні спостереження виявили розтягнений по орбіті Іо газовий «шлейф», у складі якого знайшли сірку, натрій, калій і кисень (як ми тепер знаємо, це продукти викидів із надр супутника). За підрахунками, кількості речовини, виверженої вулканами на поверхню цього небесного тіла за кілька мільйонів років, вистачило би, щоб укрити її всю шаром у декілька десятків метрів. Цим пояснюється відсутність на Іо ударних кратерів, характерних для інших супутників Юпітера — Ганімеда і Каллісто. Вони просто поховані під могутнім шаром продуктів вивержень.

На цьому знімку юпітеріанського супутника Іо, зробленому зондом Galileo (NASA), добре помітний фонтан викидів над активним вулканом на тлі чорноти космосу. Поверхня супутника вкрита товстим шаром силікатних магм із домішками сірки та її сполук. Джерело: NASA/JPL/University of Arizona

Джерелом, що живить вулкани Іо, ймовірно, є глобальний океан магми під його поверхнею. На це вказує також наявність у супутника магнітного поля, для виникнення якого потрібні рідкі електропровідні прошарки в його надрах. За деякими оцінками, шар розплавленої речовини лежить на глибині в кілька десятків кілометрів і займає близько 10% обсягу мантії супутника, а температура в цьому шарі, можливо, перевищує 1200°C. У центрах вивержень температура сягає 300°C.

Яке ж джерело енергії, на думку вчених, підтримує вулканізм на Іо? На цей рахунок існує кілька припущень. Домінуючою на даний час є гіпотеза, згідно з якою розігрів надр супутника забезпечується його періодичними припливними деформаціями через невелику витягнутість його орбіти та під дією сили тяжіння інших великих супутників Юпітера.

Ще одним різновидом викиду (виверження) речовини з надр на поверхню космічних тіл є кріовулканізм. Він спостерігається на деяких супутниках віддалених від Сонця планет в умовах низьких температур. Замість розплавлених скелястих порід кріовулкани вивергають воду, аміак та інші порівняно низькокиплячі сполуки як у рідкому стані (кріолаву), так і в газоподібному. Вперше це явище було виявлено на супутнику Нептуна Тритоні. Апарат Voyager 2 сфотографував струмені газу та пилу, що підіймалися над жерлами кріовулканів на висоту 8 км, вигиналися і тяглись у вигляді горизонтальних шлейфів більш ніж на 150 км. У південній полярній області таких шлейфів нарахували близько п’ятдесяти.

Гейзери Енцелада. Викиди з тріщин у крижаній корі супутника видно завдяки тому, що їх із-поза обрію підсвітлює Сонце (в той час як самі тріщини вже знаходяться в тіні). Джерело: NASA/JPL/SSIНа найбільшому сатурніанському супутнику Титані також виявлені кріовулкани, що викидають в атмосферу холодну речовину (ймовірно, метан). Ще один супутника Сатурна — Енцелад — знаменитий своїми викидами водяної пари, оксидів вуглецю та часток льоду. Вони нагадують земні гейзери у вулканічних областях, але відрізняються від них твердим агрегатним станом більшості продуктів викидів.

Ряд непрямих даних свідчить про наявність кріовулканізму на деяких інших крижаних супутниках, що обертаються навколо планет-гігантів (зокрема, на Європі та Ганімеді), а також на карликових планетах Плутоні та Церері. В усіх цих випадках, крім останнього, джерелом енергії вивержень є припливна взаємодія.

Вулканізм на Землі

Останні місяці 2019 року ознаменувався активізацією багатьох земних вулканів: від невеликих викидів попелу та пари до потужних вивержень, які підняли стовпи пірокластичних матеріалів і величезні обсяги вулканічних газів на висоту в десятки кілометрів. Перелік вулканічних подій на нашій планеті за останні пів року досить великий. В середньому активна фаза вулканізму в різних куточках земної кулі відзначається три рази на місяць.

Чому ж вулканічна активність нашої планети настільки висока? Чим Земля відрізняється від інших планет земної групи, де прояви подібних процесів досить рідкісні, мають іншу форму або давно вже повністю припинилися?

Вулканічні процеси відображають активне внутрішнє життя нашої планети. Ця активність пояснюється, в першу чергу, наявністю гарячого рідкого зовнішнього ядра. Воно ​​виділяє тепло, яке нерівномірно перерозподіляється через мантію, приводячи до її перемішування конвективними потоками. Вулканізм пов’язаний із витіканням гарячих глибинних газів (флюїдів) із надр Землі. Вони сприяють розущільненню та локальному підйому глибинної речовини. Мантія, в залежності від інтенсивності прогрівання у своїй верхній частині (починаючи з глибин 300-400 км), частково плавиться, утворюючи глибинні діапіри чи плюми — джерела магматичних розплавів. Ці розплави внаслідок своєї меншої густини, ніж навколишні тверді породи, починають рухатися вгору по ослаблених зонах розломів. На своєму шляху вони створюють проміжні вулканічні осередки, з яких розплавлена ​​магма може вилитися на поверхню.

На поверхні Землі діючі вулкани розподілені досить нерівномірно та знаходяться в різних геодинамічних умовах. Переважна їх більшість (360 з 540) розташована у так званому «Вогняному поясі» навколо Тихого океану. Другий пояс — Середземноморсько-Індонезійський — тягнеться в широтному напрямку. В ньому налічується близько 150 діючих і згасаючих вулканів. Третій пояс витягнутий у меридіональному напрямку вздовж Атлантичного океану. В ньому зосереджено багато підводних і острівних вулканів, причому на океанічному дні їхня кількість може сягати кількох тисяч. Окремі вулкани (зокрема, африканські) знаходяться всередині континентів і можуть бути пов’язані з глибинними розломами земної кори, що обмежують вузькі активні зони — рифти.

У розташуванні вулканів є сувора геологічна обумовленість. Так, у згаданому «Вогняному поясі» всі вони знаходяться на активних краях континентів і острівних дугах, де океанічна кора Тихоокеанської літосферної плити занурюється під більш легку «плавучу» континентальну кору Євразії. Великий вулканічний Середземноморсько-Індонезійський пояс пов’язаний із рухом Африканської та Індійсько-Австралійської плит назустріч Євразійській плиті.

У різні епохи геологічної історії вулканізм на Землі протікав по-різному. На ранніх етапах вона була дуже гарячою і вулкани покривали майже всю її поверхню. Згодом планета почала охолоджуватися. Підраховано, що її надра холонуть зі швидкістю близько градуса за мільйон років. Земля прагне звільнитися від зайвого тепла в ході процесів мантійної конвекції, руху літосферних плит, вулканізму та багатьох інших. Згодом земний вулканізм став менш активним. У майбутньому, коли наша планета охолоне настільки, що магма затвердіє, він припиниться, як це сталося на Марсі.

Вулкани та життя

Роль вулканів у розвитку земного життя величезна. На дні океанів відкриті підводні тріщинні виливи в зонах серединно-океанічних хребтів і глибоководні «оази» навколо джерел гарячої води, яка витікає з земної кори. Вони виносять із надр метан, вуглекислий, чадний і сірчані гази, сірководень, фтороводород, а також залізо, нікель та інші біофільні елементи (так називають хімічні елементи, що поглинаються організмами з геохімічного середовища — грунту та води — й використовуються ними у процесах життєдіяльності). Все частіше висловлюються гіпотези про зародження життя на Землі навколо цих формацій.

Схема географічного розподілу вулканів. Джерело: www.cccarto.com

При пошуках населених екзопланет, що обертаються навколо далеких зірок, використовують методи виявлення в їхніх атмосферах вулканічних газів. На планетах із вулканізмом умови для зародження та розвитку життя можуть виникнути з більшою ймовірністю, ніж без нього. Причина цього полягає в тому, що виділення вулканічних газів допомагає підтримувати на поверхні помірні, сприятливі для біологічного життя температури, регулює склад атмосфери, забезпечує циклічний газообмін з речовиною мантії планети.

Завдяки вулканічному вуглекислому газу 3,5 млрд років тому (в археї) з’явилися перші фотосинтезуючі організми — цианобактерії. На початку протерозою, 2 млрд років тому, до них приєдналися синьо-зелені водорості, які наситили атмосферу Землі киснем. Це послужило спусковим механізмом для подальшої еволюції органічного світу. В кінці протерозою, під час глобального заледеніння, коли льодовики вкривали навіть екваторіальні області, вулканічне тепло розтопило «Землю-сніжок». Це сталося близько 650 млн років тому й на початку палеозойської ери призвело до «Кембрійського вибуху» — миттєвої з геологічної точки зору появи на планеті всіх типів багатоклітинних організмів, чимало з яких існують і в наш час.

На молодій Землі діючих вулканів було значно більше, ніж зараз. Можливо, саме вони стали визначальним фактором у процесі виникнення життя. Джерело: Smithsonian/Peter Sawyer

В кінці палеозою (250 мільйонів років тому) сплеск вулканічної активності на Землі спричинив вилив тріщинних базальтів, які вкрили гігантські території на суші. Внаслідок цього змінився склад атмосфери, що призвело до найбільшого вимирання в історії — воно знищило 96% морських і близько 70% наземних видів. На зміну вимерлим прийшли інші, господарями планети стали динозаври. Висловлюються гіпотези, що тріщинний вулканізм, подібний до палеозойського, проявився також на рубежі мезозойської та кайнозойської ер. Він міг стати причиною загибелі динозаврів і мезозойського вимирання. Всі вулканічні катастрофи призводили до стрибка в еволюції та розквіту нових видів.

Вулканізм, поза сумнівом, є регулятором клімату на Землі. З одного боку, під час вивержень із її надр в атмосферу потрапляє величезна кількість твердих частинок, які розсіюють сонячні промені, призводячи до помітного зниження приповерхневої температури. Деякі дані свідчать про те, що багатьом періодам тривалого похолодання в історії нашої планети передувала потужна вулканічна активність. З іншого боку, підвищена кількість вуглекислого газу, що викидається вулканами, має наслідком посилення парникового ефекту, який викликає потепління клімату

Фотографія виверження курильського вулкану Райкоке, зроблена з борту Міжнародної космічної станції 22 червня 2019 року. Джерело: NASA

Вулканічні породи порівняно легко піддаються вивітрюванню. Руйнуючись, вони стають придатними для формування грунтів, які в умовах теплого клімату перетворюються на благодатний субстрат для буйної рослинності. Багаті та родючі вулканічні грунти часто знаходяться в густонаселених регіонах: у південній частині Чилі, на північних високогір’ях Еквадору, у Південно-Східній Азії (в Індонезії та на Філіппінах). У цих регіонах мешкають десятки мільйонів людей поруч із численними вулканами. І хоча жити в таких місцях небезпечно, люди охоче користуються плодами вулканізму, часом страждаючи від його нестримної сили. Більше того: нещодавні дослідження говорять про те, що життя на Землі та сучасне людство також з’явилися завдяки вулканізму. Але це вже тема для окремої статті.

Поделиться