Факультативный курс для учащихся старших классов общеобразовательной школы (стр. 5 )

Схема строения вулканов

2.        Классификация вулканических извержений

Характеристики извержения определяются в значительной степени количеством и давлением газа, выделяемого из расплавленной породы, а так же вязкостью лавы. По степени вязкости можно выделить наиболее жидкую лаву (пахоэхоэ), промежуточную (аа – лаву) и наиболее вязкую (глыбовую) лаву. Лава пахоэхоэ с удалением от источника может превратиться в аа – лаву (потеря  летучих компонентов обуславливает увеличение ее вязкости); глыбовые лавы имеют обычно более силикатный состав по сравнению с другими их типами. Истинные значения вязкостей трудно определить, поскольку они зависят от температуры. Вследствие этого приведенная выше классификация лав является только относительной.

Так же, как и вязкость, количество давления газа в поднимающейся магме может быть низким, средним или высоким. Типы извержений можно классифицировать как показано в таблице :

Лава	Давление газа
низкое	среднее	высокое
Жидкая	Исландский Гавайский	Стромболианский	Везувианский
Промежуточная	Вулканианский	Перретианский
Вязкая	Мерапский	Винсентианский	Пелейский

Для гавайского и исландского типов извержений характерна продолжительная активность; исландский тип обычно наблюдается в протяженных трещинах, в то время как гавайский тип связан с более короткими трещинами и кратерами. Стромболианский тип более мощный, чем предыдущие, и образует облака; везувианский тип образует их еще в большей степени. Вулканианский тип характеризуется вертикальными выбросами облаков газа; в извержениях перретианского типа эти облака достигают гигантских размеров и связаны с выпадением пепла. Мерапский тип характеризуется образованием раскаленных облаков, которые превращаются в раскаленную лаву («палящие тучи») в извержениях винсентианского типа и в гигантские раскаленные лавины при извержениях пелейского типа. Наиболее катастрофические последствия для населения возникают при сочетании высокого давления газа и большой вязкости лавы.

3.        Связь вулканизма с тектоникой

Вулканы, подобно землетрясениям и горным хребтам, не располагаются случайно на земном шаре. Они приурочены к определенным вулканическим областям.

Вулканы обычно тяготеют к районам современной тектонической активности. Таким образом, существует зависимость между вулканизмом и тектоникой.

Имеется также зависимость между вулканизмом и сейсмичностью района; это становится очевидным, если сравнить распространение вулканов, отображающим сейсмичность Земли. Существует сходная зависимость между вулканизмом и потоком внутреннего тепла Земли. [Boldizsar, 1970].

Между вулканизмом и тектоникой существует только общая зависимость. Структура тектонически активного района часто бывает очень сложной в деталях.

4.        Интенсивность, энергия и магнитуда извержений

Для описания силы вулканических извержений необходимо иметь возможность классифицировать их в соответствии с некоторой шкалой интенсивности. Такую шкалу первым разработал, по – видимому, Тсуя [Tsuya, 1955], положив в ее основу только объем исторгнутого материала.

Для установления зависимости между объемом материала и энергией извержения следует провести разграничения между исторгнутым материалом, состоящим в основном из расплавленной магмы (класс А), и извергнутым материалом, представленным твердым или древним материалом (класс Б); такое разграничение необходимо, поскольку расплавленная магма обладает  значительно большей энергией, чем твердый материал [Hedervfry, 1963].

Энергию, выделяемую при вулканическом извержении, можно рассчитать путем феноменологического изучения производимых им различных воздействий. Выделяемая энергия включает: кинетическую энергию выброса пирокластических материалов из кратеров, тепловую энергию в форме тепла, содержащегося в извергнутой лаве и газах, сейсмическую энергию вулканических землетрясений, энергию, расходуемую на разрушение горных пород, и т. д. Не трудно показать, что можно пренебречь всеми формами высвобождающейся энергии по сравнению с выделением тепловой энергии. Последнее определяется массой извергнутого материала и его температурой. Соответствующая формула имеет вид:

,(15)

где Е – высвобождаемая тепловая энергия; V – объем извергнутого материала; с - его средняя плотность; ДТ – превышение температуры лавы над температурой воздуха, єС; с – удельная теплоемкость лавы (0.25 кал/єС); L – теплота плавления (L=0 для твердого материала, L=50 кал/г для расплавленной лавы). В данной формуле величина Е выражена в калориях, в случае использования других единиц в уравнение нужно ввести переходный коэффициент.

Поскольку по плотности и температуре извергнутый материал довольно однороден, выход энергии зависит в основном от его объема V при условии выделения двух классов извержений с L=0 и L=50 кал/г (для твердого и расплавленного материалов).

Можно определить магнитуду (М) для извержений по тому же методу, что и для землетрясений. Исходная формула, соответствующая уравнению (3), имеет вид:

,(16)

где значения б и в отличаются у разных авторов. Хедервари для определения М извержения принял б=11 и в=1.6. Рассмотрев значения для многих извержений, он затем получил следующие зависимости между объемом V (в мі) извергнутого материала и магнитудой:

Для извержений класса А

(17);

Для извержений класса Б

(18)

Хедервари применил последние две формулы к большому числу вулканических извержений. Он получил, таким образом, корреляцию между интенсивностями по Тсую и магнитудами для извержений классов А и Б.

Занятие 9. Движущая сила извержения. Динамика лавового потока. Пепловые потоки

Цель: познакомить учащихся с движущей силой извержения. Изучить динамику лавового потока. Дать общее представление о пепловых потоках.

Методические рекомендации по проведению:

1.        Движущая сила извержения

Движущую силу, необходимо для подъема магмы и ее интенсивного извержения, необходимо искать в фазовых переходах многокомпонентных расплавах. Простейший из этих расплавов состоит из воды (пара), «растворенной» в вулканическом стекле. Количество газа c в растворе (выраженной в долях единицы) при давление p и температуре 1000 °C составляет:

,(19)

где a=11,4 Мбар и b=1,08 Мбар (для альбита).

Если допустить, что магматический резервуар находится в равновесии, то изменение внешних условий может его нарушить. При изменение внешних условий в сторону понижения внешнего давления выделение газа приведет к дополнительным уменьшению давления и соответствующему увеличению неравновесности. Этот может привести к извержению. Именно расширяющийся газ вызывает основной эффект. Было установлено, что существует линейная зависимость между логарифмами давления газа p и кинетической энергией E вулканических взрывов, имеющая следующий вид:

,(20)

где E выражено в эргах и p в барах.

Фактически расчет извержения является очень сложной и пока не решенной задачей, поскольку следует учитывать изменение вязкости расплава.

2.        Динамика лавового потока

Горячая лава вытекающая из вулкана, может течь на очень большие расстояния, особенно большие лавовые покровы образовались в доисторические времена. Кажется трудным описать динамику таких огромных потоков, с учётом тех значений вязкости, которые обычно принято связывать с лавами.

В первом приближение динамики может быть описана как динамика ньютоновской жидкости, однако более сложная линейная модель может оказаться более адекватной. Много измерений вязкости вулканических пород было проведено в различных условиях Мюразом [Murase, 1962].

Во время течения потока лавы постепенно охлаждается, что приводит к увеличению его вязкости. При построении динамической модели потока лавы необходимо учитывать изменение вязкости от температуры. Зависимость между вязкостью η и абсолютной температурой T обычно выражают уравнением:

,(21)

где η и b константы.

Это зависимость вытекает из общего рассмотрения абсолютных скоростей процесса. Для базальтов значение η0 меняется от 1,3 до 6,0⋅10-6 пз, а значение b от 2,65 до 2,73⋅10-4 K [Danes, 1972]. Температура плавления близка к 1150 K. Для андезитовых лав значения этих констант будут другими из-за большей вязкости и более низкой температуры магмы в момент извержения. Вязкость свежих лав меньше, чем повторных расплавов, в которых, по-видимому, отсутствуют летучие компоненты или образуется со временем дополнительные связи в вулканическом стекле.

Данеш построил простую модель потока лавы, приняв за основу представление о чистой ньютоновской жидкости. Уравнение движения вязкой жидкости наклонным слоем с ламинарным течением следующее:

,(22)

где x-координата, параллельная потоку; y-координата, нормальная потоку; u-скорость потока; ρ-плотность расплава; η-вязкость расплава; p-давление; g-ускорение силы тяжести; β-угол наклона нижней поверхности слоя. Для слоя мощности h имеем:

.(23)