что такое дегазация магмы
Дегазация магмы позволила суперземле восстановить атмосферу
Астрономы определили, что суперземля GJ 1132b ранее была субнептуном, который сначала потерял свою атмосферу, а затем частично восстановил ее за счет вулканизма и дегазации магмы. Открытие подтверждает текущие теории эволюции короткопериодных экзопланет и позволит разобраться в происхождении «пустыни субнептунов». Препринт работы опубликован на сайте arXiv.org.
Если внимательно посмотреть на свойства известных на сегодня экзопланет, то можно обнаружить недостаток объектов с массами 1,5–2 масс Земли, находящихся очень близко к своим звездам. Подобное явление получило обозначение «пустыня субнептунов» (не путать с «пустыней нептунов»), считается, что за него могут быть ответственны процессы фотоиспарения первичной газовой (в основном из водорода и гелия) оболочки экзопланеты на протяжении первых ста миллионов лет ее жизни из-за сильного разогрева и интенсивных потоков излучения от звезды. После испарения первичной атмосферы от экзопланеты остается голое ядро с массой в несколько масс Земли, которое может восстановить свою газовую оболочку за счет захвата летучих веществ из окружающей среды или за счет дегазации недр. Однако, чтобы подтвердить и уточнить подобные теории необходимы данные наблюдений за экзопланетами, обладающими вторичной атмосферой.
Группа астрономов во главе с Марком Суэйном (Mark R. Swain) из Лаборатории реактивного движения NASA опубликовала результаты анализа данных трансмиссионной спектрометрии в ближнем инфракрасном диапазоне экзопланеты GJ 1132b при помощи космического телескопа «Хаббл». Сам метод наблюдений заключается в том, что телескоп регистрирует спектр прошедшего через атмосферу экзопланеты света звезды во время события транзита, что позволяет оценить состав атмосферы.
Суперземля GJ 1132b находится в системе красного карлика, на расстоянии 41 светового года от Солнца. Масса экзопланеты составляет 1,66 масс Земли, а радиус —1,16 радиуса Земли, год на ней длится всего 1,6 земных дня. Из-за близости к звезде планета находится в приливном захвате, из-за чего на одной ее стороне всегда день, а на другой — ночь, равновесная температура поверхности экзопланеты составляет 529 кельвин.
Как и почему извергаются вулканы?
Почему происходит извержение вулканов? Чем обусловлен этот разрушительный процесс на лике Земли? Сейчас все разложим по полочкам в доступной форме.
© semaforo.mx
Наша планета не цельный каменный шар, а скорее напоминает яйцо: желток — раскаленное ядро, белок — горячая мантия, а тонкая и прочная скорлупа — литосфера. С греческого литосфера переводится, как «каменная оболочка». Составляет эта оболочка лишь 1% от общего радиуса планеты. На суше ее толщина достигает 220 километров, а на дне океана этот показатель может быть менее 5 километров.
Мантия имеет неоднородный температурный показатель: ближе к поверхности она разогрета от 400 до 900 градусов Цельсия, а та часть, что ближе к ядру, раскаляется до 4000 градусов. Из-за температурной неоднородности мантия непрерывно перемешивается, как кипящая вода: охлажденная часть опускается к ядру, а раскаленная — поднимается. Несмотря на то, что мантия очень горяча, она не совсем жидкая, а достаточно вязкая и это обусловлено огромным давлением под поверхностью. Кора Земли как бы «плывет» по мантии, незначительно погрузившись под собственной весом.
© pixabay.com
Когда остывающая мантия добирается до литосферной плиты, она начинает двигаться вдоль, а потом, остыв до минимума, вновь опускается вниз. Однако пока мантия движется вдоль, она тянет за собой сами плиты, что вызывает столкновение одних с другими. Та плита, что окажется ниже уровнем, погрузится в мантию и начнет плавиться. Это сформирует уже новое вещество — магму. Магма представляет собой густую смесь расплавленных каменных пород, воды и газа. Магма легче чем каменные породы и она поднимается к поверхности, накапливаясь в магматических очагах. Именно в этот момент начинает возрастать напряжение, которое в будущем спровоцирует вулканическую активность.
Извержение вулкана осуществляется за счет дегазации магмы
Что же такое дегазация? Представьте себе бутылку шампанского, которую потрясли, а потом пробка вылетает сама собой, и из горлышка вырывается струя напитка. Магма, скопившаяся в очаге, находится тоже под давлением и чем толще участок литосферной плиты над местом извержения, тем мощнее будет грядущий катаклизм. В отличие от шампанского, газы, выделяемые при извержении — горючие и легко воспламеняются, что приводит к взрыву. Иногда сила взрыва бывает настолько велика, что на месте выброса формируется воронка.
Если литосферная плита оказалась не слишком прочной, магма без труда выходит наружу и начинает плавно течь. Это напоминает тесто, которое перестояло и начинает вываливаться из тары. Если у магмы недостаточно энергии, чтобы выбраться наружу, она застывает в недрах, так и не закончив процесс. Когда дегазация завершается и магма попадает на поверхность, она формирует лаву, пепел, газы, куски горных пород и прочее.
Когда давление приходит в норму — извержение завершается. Жерло закупоривается застывшей лавой и вулкан «впадает в спячку». Невозможно предсказать в какой момент произойдет очередное нарастание давления и когда случится неконтролируемый природный катаклизм.
Вулканы, которые хотя бы единожды извергались в истории человечества, именуют спящими. Потухшими называют вулканы, извергающиеся в далекой древности. Например, столица Шотландии стоит на вулкане, который в последний раз активничал около 300 миллионов лет назад.
Ранее мы давали ответ на вопрос: «Есть ли в России супервулканы, как Йеллоустоун?»
Дегазация магмы — источник глубоких землетрясений под Ключевским вулканом на Камчатке
Коллектив ученых из НИИ механики Московского государственного университета им. Ломоносова, Института физики Земли РАН, Геофизической службы Израиля, Института физики Земли в Гренобле (Франция) и Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН разработал новую физическую теорию, объясняющую происхождение глубоких вулканических землетрясений. Результаты работы изложены в свежем номере журнала Nature Communications.
Известно, что практическая цель вулканологии состоит в разработке методов мониторинга для своевременного предсказания извержения вулканов. При этом ключевую роль в этой работе играет понимание физических процессов, происходящих в вулкано-магматических системах.
По сложившимся на сегодняшний день представлениям, ювенильные магмы образуются на достаточно большой глубине — в мантии Земли. Процесс поднятия магмы к поверхности неоднороден. Его основной движущей силой является разница в плотности между относительно «холодными» и тяжелыми породами мантии и земной коры и разогретыми, флюидсодержащими и относительно легкими магматическими расплавами.
По мере поднятия химический состав и физические свойства магмы могут существенно меняться за счет взаимодействия с окружающими породами и за счет меняющихся давления и температуры. Эти изменения могут приводить к резким локальным ускорениям движения магмы и резким скачкам давления с последующей механической деформацией пород, затем генерировать сейсмические волны, которые, в свою очередь, могут быть зарегистрированы современными геофизическими приборами.
Таким образом, геофизические наблюдения являются основным источником информации о глубинных процессах и используются для мониторинга состояния вулканов и выявления готовящихся извержений. При этом ведущий геофизический метод — сейсмологический мониторинг, основанный на регистрации землетрясений, происходящих в вулканах и подстилающей их земной коре.
Как трясет вулканы
Вулканические землетрясения многочисленны и разнообразны. Среди них можно выделить два основных типа: (1) вулкано-тектонические землетрясения, вызываемые активизацией многочисленных микроразломов в вулканических постройках и подстилающих их породах, и (2) так называемые длиннопериодные землетрясения, связанные с резкими вариациями давления непосредственно в подводящих магму каналах. Этот второй тип вулкано-сейсмических источников излучает волны на относительно низких частотах — в диапазоне от 1 до 5 герц, что и объясняет их название.
Большинство длиннопериодных вулканических землетрясений происходит очень близко к поверхности — на глубинах, не превышающих несколько километров. Их регистрация является явным признаком активизации поверхностной части питающей системы вулканов и поэтому рассматривается в качестве одного из основных краткосрочных предвестников извержений.
При этом под некоторыми вулканами длиннопериодные землетрясения наблюдаются на глубинах в несколько десятков километров, приблизительно соответствующих границе кора — мантия. Особенно интенсивна такая глубокая сейсмичность под Ключевским вулканом на Камчатке (см. рисунок).
(а) Карта Ключевской группы вулканов на Камчатке; (б) вертикальный разрез вдоль профиля А — Б, показывающий местоположение очагов глубоких длиннопериодных землетрясений; (в) схематическое изображение модели генерации землетрясений за счет резкого скачка давления, вызванного быстрым ростом газовых пузырей в магме
Ключ к разгадке
Какие же физические процессы приводят к возникновению таких глубоких длиннопериодных землетрясений? Этот вопрос является одним из ключевых для разработки признаков предстоящих извержений в среднесрочной и долгосрочной перспективе. Камчатские вулканологи наблюдают их в течение десятилетий [1] и стараются найти связь с изменениями их количества и процессами активизации глубинных магматических очагов [2].
Международная группа ученых во главе с членом-корреспондентом РАН из НИИ механики МГУ Олегом Мельником провела исследование, в рамках которого было задействовано математическое моделирование на данных о свойствах зарегистрированных землетрясений и о геохимическом составе лав Ключевского вулкана.
В результате была разработана новая физическая модель (рис. (в)), объясняющая происхождение землетрясения в глубинных вулканических очагах с выделением водяного пара и углекислого газа из магмы. Было выяснено, что быстрый рост газовых пузырей вызывает резкие скачки давления, которые и формируют столь необычные землетрясения.
Обоснование связи землетрясений с глубинной дегазацией магматических расплавов важно для улучшения прогноза вулканических извержений, поскольку эти землетрясения свидетельствуют о внедрении новой порции расплавов в глубинный магматический очаг и о начале подготовки активизации вулкана.
Вулканологи также выяснили, что интенсивная сейсмическая активность в глубинных очагах под некоторыми вулканами (такими как Ключевский) свидетельствует еще об одном важном аспекте новой теории. Питающие эти очаги магмы содержат повышенную концентрацию углекислого газа и, соответственно, могут давать повышенный вклад в выброс парниковых газов в атмосферу.
Исследование выполнялось лабораторией комплексного изучения и мониторинга геодинамических процессов в Курило-Камчатской зоне субдукции, созданной на базе Института физики Земли РАН в 2018 году при поддержке мегагранта Министерства образования и науки (No14.W03.31.0033). В нем также приняли участие сотрудники Московского государственного университета, Геофизической службы Израиля, Института физики Земли в Гренобле (Франция) и Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН; использовались данные, собранные Камчатским филиалом Единой геофизической службы РАН.
Результаты работы опубликованы в статье:
Melnik O., Lyakhovsky V., Shapiro N. M., Galina N., and Bergal-Kuvikas O. Deep long period volcanic earthquakes generated by degassing of volatile-rich basaltic magmas // Nature Communications. 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-17759-4.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Почему извергается вулкан?
Кто же не знает почему! Однако интересно еще раз проследить за происходящими процессами, если они описываются подробным, но понятным и простым языком. Вспоминаешь уже забытые нюансы и узнаешь некоторые пропущенные в свое время тонкости.
Температура мантии — тысячи градусов: ближе к ядру температура больше, ближе к оболочке — меньше. Из-за разницы температур происходит перемешивание вещества мантии: горячие массы поднимаются вверх, а холодные — опускаются (так же, как закипающая вода в кастрюле или чайнике, но только происходит это в тысячи раз медленнее). Мантия хоть и разогрета до огромных температур, но из-за колоссального давления в центре Земли она не жидкая, а вязкая — как очень густая смола. Литосфера-«скорлупа» как бы плавает в вязкой мантии, немного погрузившись в нее под тяжестью своего веса.
Достигая подошвы литосферы, остывающая масса мантии какое-то время движется горизонтально вдоль твердой каменной «скорлупы», но затем, остыв, она снова опускается в направлении центра Земли. Пока мантия движется вдоль литосферы, вместе с ней поневоле движутся и куски «скорлупы» (литосферные плиты), при этом отдельные части каменной мозаики сталкиваются и наползают друг на друга.
Часть плиты, которая оказалась снизу (на которую наползла другая плита), постепенно погружается в мантию и начинает плавиться. Так образуется магма — густая масса расплавленных пород с газами и парами воды. Магма легче, чем окружающие породы, поэтому она медленно поднимается к поверхности и накапливается в так называемых магматических очагах, которые располагаются чаще всего вдоль линии столкновения плит. Магма более жидкая, чем мантия, но всё же достаточно густая; в переводе с греческого «магма» означает «густая паста» или «тесто».
Поведение раскаленной магмы в магматическом очаге и правда напоминает дрожжевое тесто: магма увеличивается в объеме, занимает всё свободное пространство и поднимается из глубин Земли по трещинам, норовя вырваться на волю. Как тесто приподнимает крышку кастрюли и вытекает через край, так и магма прорывает земную кору в самых слабых местах и вырывается на поверхность. Это и есть извержение вулкана.
Извержение вулкана происходит из-за дегазации магмы. Процесс дегазации известен каждому: если осторожно открыть бутылку с газированным напитком (лимонадом, кока-колой, квасом или шампанским), раздается хлопок, и из бутылки появляется дымок, а иногда и пена — это из напитка выходит газ (то есть происходит его дегазация). Если бутылку с шампанским перед открыванием потрясти или нагреть, то из нее вырвется мощная струя, и удержать этот процесс невозможно. А если бутылка неплотно закрыта, то эта струя может сама вышибить пробку из бутылки.
Магма в магматическом очаге находится под давлением, так же как и газированные напитки в закрытой бутылке. В том месте, где земная кора оказалась «неплотно закрыта», магма может вырваться из недр Земли, вышибив «пробку» вулкана, и чем прочнее была «пробка», тем сильнее будет извержение вулкана. Поднимаясь вверх, магма теряет газы и пары воды и превращается в лаву — магму, обедненную газами. В отличие от шипучих напитков, газы, которые выделяются при извержении вулкана, — горючие, поэтому они воспламеняются и взрываются в жерле вулкана. Сила взрыва вулкана бывает настолько мощной, что на месте горы после извержения остается огромная «воронка» (кальдера), и если извержение продолжается, то прямо в этой впадине начинает расти новый вулкан.
Однако бывает, что магме удается найти легкий выход на поверхность Земли, тогда лава вытекает из вулканов вообще без взрывов — как кипящая каша, булькая, переливается через край кастрюли (так, например, извергаются вулканы на Гавайских островах). У магмы не всегда хватает сил выйти на поверхность, и тогда она медленно застывает на глубине. В этом случае вулкан вообще не образуется.
Как же все-таки работает вулкан? Когда открывается «клапан» в Земле (вышибается пробка вулкана), давление в верхней части магматического очага резко снижается; внизу же, где давление пока еще большое, растворенные газы всё еще входят в состав магмы. В жерле вулкана из магмы уже начинают выделяться пузырьки газов: чем выше, тем их становится больше; эти легкие «воздушные шарики» поднимаются вверх и увлекают за собой вязкую магму. Около поверхности уже образуется сплошная пенистая масса (застывшая вулканическая каменная пена даже легче воды — это известная всем пемза). Дегазация магмы завершается на поверхности, где, вырвавшись на свободу, она превращается в лаву, пепел, горячие газы, пары воды и обломки горных пород.
После бурного процесса дегазации давление в магматическом очаге снижается, и извержение вулкана прекращается. Жерло вулкана закрывается застывшей лавой, но иногда не очень прочно: в магматическом очаге остается достаточно жара, поэтому на поверхность через трещины могут вырываться вулканические газы (фумаролы) или струи кипящей воды (гейзеры). В этом случае вулкан всё еще считается действующим. В любой момент в магматической камере может накопиться большое количество магмы, и тогда процесс извержения начнется вновь.
Известны случаи, когда извергались вулканы, молчавшие и 300, и 500, и 800 лет. Вулканы, которые хотя бы раз извергались на памяти человека (и могут заработать вновь), называются спящими.
Потухшие (или древние) вулканы — это те, которые работали в далеком геологическом прошлом. Например, столица Шотландии город Эдинбург стоит на древнем вулкане, который извергался более 300 миллионов лет назад (тогда еще и динозавров-то не было).
Подведем итоги.
В результате движения литосферных плит могут возникать магматические очаги. Если жидкая магма вырывается на поверхность Земли, начинается извержение вулкана. Часто извержение вулкана сопровождается мощными взрывами, это происходит из-за дегазации магмы и взрыва горючих газов. Вулкан засыпает, если прекращается подача новых порций магмы из магматического очага, но может проснуться (ожить), если движение плит продолжается и магматический очаг вновь заполняется. Вулканы тухнут окончательно, если движение плит в этом районе прекращается.
Что такое дегазация магмы
Многие вулканы расположены в зонах субдукции – местах, где одна тектоническая плита погружается под другую.
В результате образуются новые порции магмы, которые попадают в магматический резервуар вулкана.
Когда камера полностью заполняется и уже не в силах вместить поступающие расплавленные породы, излишки магмы выходят на поверхность Земли через каналы вулканов.[6]
Каждый вулкан имеет канал, по которому расплавленные подземные породы поднимаются из недр Земли на поверхность.
Под горой расположен магматический очаг – резервуар, содержащий большие объемы расплавленной магмы. Когда в этом резервуаре начинает расти давление, происходит извержение.
Как тесто приподнимает крышку кастрюли и вытекает через край, так и магма прорывает земную кору в самых слабых местах и вырывается на поверхность.
Это и есть извержение вулкана.
Извержение вулкана происходит из-за дегазации магмы, то есть выхода газов из нее.
Процесс дегазации известен каждому: если осторожно открыть бутылку с газированным напитком (лимонадом, кока-колой, квасом), раздается хлопок, и из бутылки появляется дымок, а иногда и пена – это из напитка выходит газ (то есть происходит его дегазация).[5]
Подведем итоги.
В результате движения литосферных плит могут возникать очаги магмы. Если жидкая магма вырывается на поверхность Земли, начинается извержение вулкана. Часто извержение вулкана сопровождается мощными взрывами, это происходит из-за дегазации магмы и взрыва горючих газов.
Вулкан засыпает, если прекращается подача новых порций магмы из магматического очага, но может проснуться (ожить), если движение плит продолжается, и магматический очаг вновь заполняется. Вулканы тухнут окончательно, если движение плит в этом районе прекращается.