Вулканы Соединенных Штатов
Автор: Стивен Р. Брантли
Продается в Правительственной типографии США. Начальник отдела документов, почтовый индекс: SSOP, Washington, DC 20402-9328. ISBN 0-16-045054-3
Гора Шаста (Калифорния) извергалась по меньшей мере 10 раз за последние 3400 лет и по меньшей мере 3 раза за последние 750 лет. (Фотография Лин Топинка).
Введение
Лишь немногие природные силы столь зрелищны и опасны или играют столь доминирующую роль в формировании облика Земли, как извергающиеся вулканы. Вулканизм создал одни из величайших горных систем мира, покрыл обширные регионы лавой (расплавленной породой на поверхности Земли) и вызвал взрывные извержения, масштаб и мощь которых нам сегодня почти невозможно представить. К счастью, такие катастрофические извержения происходят нечасто. Однако из примерно 50 вулканов, которые извергаются каждый год, некоторые серьезно нарушают человеческую деятельность. В период с 1980 по 1990 год в результате вулканической активности погибло по меньшей мере 26 000 человек и почти 450 000 были вынуждены покинуть свои дома.
Хотя немногие жители Соединенных Штатов могут воочию наблюдать извержение вулкана, свидетельства древнего вулканизма сохранились во многих породах Северной Америки. Особенности, наблюдаемые в вулканических породах возрастом всего в несколько часов, присутствуют и в древних вулканических породах — как на поверхности, так и погребенных под более молодыми отложениями. Толстый слой пепла, зажатый между слоями песчаника в Небраске, массивные гранитные пики горного хребта Сьерра-Невада и разнообразные вулканические слои, обнаруженные на востоке штата Мэн, — лишь немногие из ярких свидетельств прошлого вулканизма. С этой точки зрения извергающийся вулкан — это не только захватывающее и внушающее благоговение зрелище само по себе, но и окно в природный процесс, который снова и снова повторялся на протяжении всей истории Земли.
Земная кора, на которой мы живем и от которой зависим, в значительной степени является продуктом миллионов некогда активных вулканов и огромных объемов магмы (расплавленной породы под землей), которые не извергались, а остывали под поверхностью. Такой непрерывный и широко распространенный вулканизм привел к образованию многих ценных природных ресурсов по всему миру. Например, вулканический пепел, разнесенный ветром на тысячи квадратных километров земли, повышает плодородие почвы для лесов и сельского хозяйства, добавляя питательные вещества и выполняя роль мульчи. Подземные воды, нагретые большими, все еще горячими массами магмы, могут использоваться для получения геотермальной энергии. А на протяжении многих тысяч лет нагретые подземные воды концентрировали ценные минералы, включая медь, олово, золото и серебро, в месторождения, которые разрабатываются по всему миру.
Соединенные Штаты занимают третье место после Индонезии и Японии по количеству исторически активных вулканов (то есть тех, для которых существуют письменные свидетельства извержений). Кроме того, около 10 процентов из более чем 1500 вулканов, извергавшихся за последние 10 000 лет, находятся в Соединенных Штатах. Большинство этих вулканов расположено на Алеутских островах, полуострове Аляска, Гавайских островах и в Каскадном хребте на Тихоокеанском Северо-Западе; остальные широко распределены в западной части страны. Некоторые вулканы США произвели одни из самых крупных и опасных типов извержений в этом столетии, в то время как несколько других угрожали извержением.
Карта Соединенных Штатов, показывающая области, где расположены действующие вулканы, которые позже показаны более подробно.
ALASKA See page 24 UNITED STATES See page 16 HAWAIIAN ISLANDS See page 10
Ученые Геологической службы США (USGS) ведут различные исследования, чтобы сократить человеческие жертвы и материальный ущерб, которые могут стать результатом вулканических извержений, а также минимизировать социальные и экономические потрясения при угрозе извержений вулканов. Эта деятельность включает в себя изучение физических процессов до, во время и после извержения вулкана, оценку вулканических опасностей и работу с населением для перевода научной информации о вулканах на язык, понятный общественности и официальным лицам.
Мониторинг вулканов на предмет признаков активности, являющийся еще одним жизненно важным компонентом, осуществляется учеными-науками о Земле из Геологической службы США в трех обсерваториях, созданных для изучения действующих вулканов на Гавайях (1912 г.), в Каскадных горах (1980 г.) и на Аляске (1988 г.). Эти исследователи регистрируют землетрясения, обследуют поверхности вулканов, картируют отложения вулканических пород и анализируют химический состав вулканического газа и свежей лавы, чтобы обнаруживать предупреждающие признаки надвигающейся активности и определять наиболее вероятный тип активности, который затронет районы вокруг вулкана. За последние 10 лет Геологическая служба США выпустила несколько предупреждений об извержениях, а мониторинг недавно активизировавшихся вулканов в Соединенных Штатах был расширен. Однако прогнозирование времени и масштаба вулканических извержений остается сложной задачей для ученых.
Ученый собирает образец лавы из лавового потока, впадающего в море на вулкане Килауэа. (Фотография Дж. Д. Григгса).
Ученые проводят полевые исследования на действующих вулканах в Соединенных Штатах.
Вулканы и теория тектоники плит
Основные тектонические плиты Земли.
[Эта карта в более высоком разрешении]
Only a few of the Earth’s active volcanoes are shown. (Sketch by Ellen Lougae.) PLATES EURASIAN NORTH AMERICAN JUAN DE FUCA PHILIPPINE CARIBBEAN PACIFIC COCOS NAZCA AUSTRALIAN EURASIAN ARABIAN INDIAN AFRICAN SOUTH AMERICAN SCOTIA ANTARCTIC EXPLANATION Plate boundary Active volcanoes Вулканы распределены по поверхности Земли неравномерно. Большинство из них сосредоточено на краях континентов, вдоль цепочек островов или под водой, образуя длинные горные хребты. Более половины действующих вулканов мира, расположенных над уровнем моря, опоясывают Тихий океан, образуя Тихоокеанское огненное кольцо. За последние 25 лет ученые разработали теорию, называемую тектоникой плит, которая объясняет расположение вулканов и их связь с другими крупномасштабными геологическими особенностями.
Согласно этой теории, поверхность Земли состоит из мозаики примерно из дюжины крупных плит, которые движутся относительно друг друга со скоростью от менее одного сантиметра до примерно десяти сантиметров в год (примерно со скоростью роста ногтей). Эти жесткие плиты, средняя толщина которых составляет около 80 километров, расходятся, скользят мимо друг друга или сталкиваются друг с другом в замедленном темпе поверх горячих и податливых недр Земли. Вулканы имеют тенденцию образовываться там, где плиты сталкиваются или расходятся, но они также могут расти посреди плиты, как, например, гавайские вулканы.
Граница между Тихоокеанской плитой и плитой Хуан-де-Фука отмечена широкой подводной горной цепью длиной около 500 км, известной как хребет Хуан-де-Фука. В 1970-х годах в широкой долине шириной менее 8 км вдоль гребня хребта были обнаружены молодые вулканы, лавовые потоки и горячие источники. Океаническое дно раздвигается и образует новую океаническую кору вдоль этой долины, или «рифта», так как горячая магма из недр Земли инжектируется в хребет и извергается на его вершине.
На Тихоокеанском Северо-Западе плита Хуан-де-Фука погружается под Северо-Американскую плиту. По мере того как более плотная плита океанической коры под действием процесса, известного как субдукция, погружается глубоко в недра Земли под континентальную плиту, она сталкивается с высокими температурами и давлениями, которые частично плавят твердую породу. Часть этой вновь образованной магмы поднимается к поверхности Земли для извержения, образуя цепочку вулканов над зоной субдукции.
PACIFIC PLATE Juan de Fuca Ridge JUAN DE FUCA PLATE NORTH AMERICAN PLATE Mt. Baker Glacier Peak Mt. Rainier MAGMA Magma Conduit
Расположенные посреди Тихоокеанской плиты вулканы Гавайской цепи являются одними из крупнейших на Земле. Вулканы простираются на 2500 км через северную часть Тихого океана и становятся постепенно старше в северо-западном направлении. Сформировавшись изначально над относительно неподвижной «горячей точкой» в недрах Земли, каждый вулкан был унесен от горячей точки по мере того, как Тихоокеанская плита движется на северо-запад со скоростью около 9 см в год. Остров Гавайи состоит из самых молодых вулканов цепи и в настоящее время располагается над горячей точкой.
HAWAII NIIHAU KAUAI OAHU MOLOKAI LANAI MAUI KAHOOLAWE PACIFIC PLATE Oceanic Crust Fixed “Hot Spot” Zone of magma formation extends to Kilauea & Mauna Loa Direction of place movement
Недавние извержения вулканов США
Гавайские вулканы
Лишь немногие места на Земле позволяют наблюдать вулканическую активность так близко и столь драматично, как вулканы Мауна-Лоа и Килауэа на острове Гавайи. Их частые, но обычно не взрывные извержения делают их идеальными для научных исследований. Извержения Килауэа отслеживаются настолько пристально, что ученые составили детальную картину «сантехнической» системы магматического резервуара вулкана и того, как он ведет себя до и во время извержений. Исследования этих вулканов и окружающего океанического дна продолжают улучшать наше понимание геологической истории Гавайской цепи островов и способность ученых определять вулканические опасности, угрожающие жителям островов.
Гавайские вулканы
EXPLANATION Volcano active during past 2,000 years Potentially active volcano Population centers · 50,000 to 100,000 • 350,000 to 1,000,000 PACIFIC OCEAN NIIHAU KAUAI OAHU •Honolulu MOLOKAI MAUI Haleakala LANAI KAHOOLAWE HAWAII Kohala Mauna Kea ·Hilo Hualalai Mauna Loa Kilauea Lohi
Извержения гавайских вулканов обычно не носят взрывного характера из-за состава магмы. Почти вся магма, извергаемая вулканами Гавайев, образует темно-серую или черную вулканическую породу (называемую базальтом), как правило, в виде лавовых потоков и, реже, в виде фрагментированной лавы, такой как вулканические бомбы, шлак, пемза и пепел. Базальтовая магма более жидкая, чем другие типы магмы (андезит, дацит и риолит). В результате расширяющиеся вулканические газы могут относительно легко выходить из базальта и выбрасывать лаву высоко в воздух, образуя великолепные фонтаны, которые иногда называют «огненными завесами».
Лава, извергающаяся в виде высоких фонтанов или изливающаяся спокойно, скапливается, образуя потоки, которые растекаются по земле тонкими широкими пластами или узкими потоками. Жидкая природа базальтовой магмы позволяет ей перемещаться на большие расстояния от жерла (места, где лава прорывается на поверхность) и приводит к формированию вулканов в форме перевернутого щита воина с углами наклона менее примерно 10 градусов. Вулканы с таким профилем называются щитовыми вулканами.
Гавайские вулканы извергаются в вершинах своих кальдер и со склонов вдоль линейных рифтовых зон, отходящих от кальдер. Кальдеры — это крупные депрессии с крутыми стенками, которые образуются, когда вершина вулкана проваливается, обычно после того, как крупное извержение опустошает или частично опустошает резервуар магмы под вулканом. Рифтовые зоны — это области слабости внутри вулкана, которые простираются от поверхности на глубину нескольких километров. Магма, извергающаяся со склона вулкана, должна сначала пройти под землей через одну из рифтовых зон вулкана, иногда преодолевая более 30 километров от вершинного магматического резервуара, прежде чем прорваться на поверхность.
Мауна-Лоа.
Возвышаясь более чем на 9000 метров со дна океана, Мауна-Лоа является одним из крупнейших действующих вулканов мира; от своего основания ниже уровня моря до вершины Мауна-Лоа выше Эвереста. С 1900 года он извергался 15 раз, причем извержения длились от менее чем 1 день до 145 дней.
Самое недавнее извержение началось перед рассветом 25 марта 1984 года. Яркие лавовые фонтаны осветили ночное небо, когда по дну кальдеры открылись трещины. В течение нескольких часов активность на вершине прекратилась, и лава начала извергаться из серии жерл вдоль северо-восточной рифтовой зоны. Когда извержение прекратилось 3 недели спустя, лавовые потоки находились всего в 6,5 километрах от зданий в городе Хило. Мауна-Лоа извергается реже, чем Килауэа, но производит гораздо больший объем лавы за более короткий период времени.
Лавовые фонтаны извергаются вдоль рифтовой зоны Мауна-Лоа. Высота фонтанов составляет около 25 метров. (Фотография Дж. Д. Григгса).
Вулкан Килауэа.
Самое продолжительное в историческое время рифтовое извержение Килауэа началось 3 января 1983 года. Ряд лавовых фонтанов прорвался из его восточной рифтовой зоны примерно в 17 километрах от вершинной кальдеры; в течение нескольких месяцев активность свелась к одному жерлу. Мощные фонтанирующие эпизоды забрасывали расплавленную породу на высоту 450 метров в воздух и создали конус из лавовых обломков, который быстро стал высочайшим ориентиром на рифтовой зоне.
Характер извержения резко изменился в июле 1986 года, когда лава прорвалась через новое жерло. Вместо регулярных эпизодов высокого лавового фонтанирования лава непрерывно изливалась на поверхность Килауэа. Устойчивый излив лавы образовал озеро расплавленной породы, которое оказалось подвешенным на вершине небольшого щитового вулкана. К июню 1991 года этот щит имел высоту около 60 метров и диаметр 1600 метров, а лава от извержения покрыла 75 квадратных километров леса и лугов, добавила 120 гектаров новой земли к острову и уничтожила 179 домов.
Вид с воздуха на два самых активных вулкана Гавайев — Килауэа и Мауна-Лоа. (Фотография Дж. Д. Григгса).
Mauna Loa Halemaumau Crater Kilauea caldera
Хотя большинство исторических рифтовых извержений Килауэа были гораздо более кратковременными, длительная извергательная активность в восточной рифтовой зоне с 1969 по 1974 год сформировала похожий щит — Мауна-Улу (в переводе с гавайского — «Растущая гора») — и обширное лавовое поле на южном склоне вулкана. Геологическая летопись показывает, что такие крупномасштабные извержения из рифтовых зон и вершинной области, покрывающие большие участки поверхности Килауэа, происходили много раз в недавнем прошлом. Фактически около 90 процентов поверхности Килауэа покрыто лавовыми потоками возрастом менее 1100 лет.
Вулканический конус Пуу-Оо, названный в честь вымершей гавайской птицы, возвышается над активным лавовым озером (на заднем плане). (Фотография Дж. Д. Григгса).
Большинство извержений на Килауэа можно наблюдать с близкого расстояния, но некоторые исторические извержения были опасно взрывными. Быстро движущиеся смеси пепла и газа, называемые пирокластическими наплывами, пронеслись по вершинной области и в юго-западную рифтовую зону во время извержения в 1790 году. Следы ног, сохранившиеся в слое пепла в 30 километрах к юго-западу от вершины, вероятно, принадлежат группе гавайских воинов и их семьям, которые пересекали вулкан, когда началось извержение. Около 80 из 250 человек погибли от удушливых облаков, связанных с пирокластическими наплывами. Меньшее взрывное извержение в 1924 году из кратера Халемаумау в вершинной кальдере Килауэа, в результате которого погиб слишком близко подошедший фотограф, выбросило камни весом до 8 тонн на расстояние до 1 километра.
Лавовый фонтан извергается из конуса Пуу-Оо. Сорок четыре эпизода такого фонтанирования в период с 1983 по 1986 год сформировали конус высотой 255 метров. (Фотография Дж. Д. Григгса).
Каскадные вулканы
Вулканы Каскадного хребта извергаются гораздо реже, чем Килауэа и Мауна-Лоа, но они опаснее из-за своего бурно взрывного характера и близости к населенным и возделываемым районам в штатах Вашингтон, Орегон и Калифорния. Извержение вулкана Сент-Хеленс на юго-западе Вашингтона в 1980 году наглядно проиллюстрировало тип вулканической активности и разрушений, которые могут производить эти вулканы. Научные исследования извержения Сент-Хеленс и истории извержений других Каскадных вулканов продолжают повышать осведомленность и понимание общественности в отношении этих потенциально опасных вершин.
В отличие от Килауэа, Каскадные вулканы извергают самые разные типы магмы, которые порождают широчайший спектр извергательной активности и образуют крутосклонные конусы, известные как стратовулканы (композитные вулканы). Помимо базальта, распространены андезитовые и дацитовые магмы.
Каскадные вулканы.
EXPLANATION Volcano active during past 2,000 years Potentially active volcano Area of potential volcanic activity Population centers 40,000 to 100,000 100,000 to 350,000 350,000 to 1,000,000 Greater than 1,000,000 PACIFIC OCEAN WASHINGTON Mount Baker Glacier Park Seattle Spokane Mount Rainier Mount St. Helens Mount Adams MONTANA Great Falls Billings IDAHO Boise Craters of the Moon OREGON Portland Mount Hood Mount Jefferson Three Sisters Eugene Newberry Crater Crater Lake WYOMING Yellowstone Casper Cheyenne CALIFORNIA Medicine Lake Mount Shasta Lassen Peak Clear Lake Sacramento San Francisco Long Valley Caldera Coso Los Angeles San Diego NEVADA Reno Las Vegas UTAH Salt Lake City COLORADO Denver ARIZONA San Francisco Field Phoenix Tucson NEW MEXICO Albuquerque Bandera Field
Эти магмы настолько вязкие или густые, что расширяющиеся вулканические газы не могут легко выходить из них. Это вызывает колоссальное накопление давления, часто приводящее к чрезвычайно взрывным извержениям. Во время таких извержений магма дробится на крошечные осколки (в основном пепел и пемзу) и выбрасывается на тысячи метров в атмосферу или даже в стратосферу. Под действием силы тяжести эти обломки иногда мчатся вниз по склонам вулкана со скоростью более 100 километров в час, смешиваясь с воздухом и вулканическими газами с образованием пирокластических потоков. Обломки горных пород могут также смешиваться с водой в речных долинах, образуя лахары (вулканические селевые потоки и грязекаменные потоки), которые уничтожают все на своем пути.
Андезитовые и дацитовые магмы также извергаются с образованием лавовых потоков. Поскольку эти лавы более вязкие («густые»), чем базальт, они имеют тенденцию формировать более толстые потоки, которые перемещаются на меньшие расстояния от жерла; в результате андезитовые и дацитовые лавы обычно образуют высокие конусы со крутыми склонами крутизной более 20 градусов.