Сравнительно небольшое извержение вулкана Эль-Чичон в Мексике, происшедшее в 1982 г., привело к выбросу в стратосферу множества мелких капель серной кислоты, образовавших туманную пелену. Плотность этого вулканического облака оказалась самой высокой со времени извержения Кракатау в 1883 г.
Вулканическое облако
Извержение вулкана Эль-Чичон в Мексике в конце марта — начале апреля 1982 г. не было особенно мощным, но привело к выбросу в стратосферу необычно большого количества вулканического вещества.
Пепел и вулканические газы были выброшены на высоту более 25 км. Наблюдения со спутников, выполненные сразу же после извержения, показали, что это вещество быстро распространяется на запад; за считанные недели «вуаль» из тонкого вулканического материала протянулась вокруг всего земного шара. Меньше чем через год стратосферное облако покрыло все Северное полушарие и значительную часть Южного.
Уже давно известно, что вулканические облака в стратосфере могут влиять на климат Земли, прежде всего благодаря снижению средней температуры во всем мире или в одном из полушарий. До последнего времени считалось, что объем тонкого пепла и пыли, выброшенных при эксплозивном (взрывном) извержении, служит хорошей мерой плотности образующегося при этом облака и, таким образом, мерой его воздействия на климат.
Например, с помощью так называемого индекса пылевой завесы, предложенного в 1970 г. английским климатологом X. Лэмом, можно разделить все облака, возникшие при исторических извержениях, на основании оценок количества выброшенного пепла и данных об оптическом состоянии атмосферы, а также о снижении поверхностных температур в последующие годы.
Однако за прошедшее десятилетие выяснилось, что большая часть пыли выпадает из стратосферы в течение нескольких месяцев и долгоживущие вулканические облака состоят не из пыли, а из аэрозоля, образованного мелкими капельками серной кислоты. Поэтому количество богатых серой газов, высвобождающихся при эксплозивном вулканическом извержении, служит лучшим показателем его воздействия на атмосферу, чем объем выброшенного пепла.
Извержение Эль-Чичона впервые показало, что сравнительно небольшое, но богатое серой вулканическое извержение действительно может вызвать образование плотного, обширного стратосферного облака.
Хотя объем пепла, выброшенного Эль-Чичоном, сравним с объемом извержения вулкана Сент-Хеленс в мае 1980 г., возникшее стратосферное облако было на этот раз в среднем примерно в 100 раз плотнее. Это самое плотное облако из наблюдавшихся в Северном полушарии со времени извержения вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 г. Облако, образовавшееся при извержении вулкана Сент-Хеленс, состояло вначале из тонкого пепла, который быстро собрался в более крупные частицы и выпал из атмосферы, тогда как Эль- Чичон поднял ввысь густой туман из капелек серной кислоты, которые будут находиться в атмосфере еще в течение нескольких лет.
Размер такого облака может быть связан с геологическими характеристиками вулкана, например с общим химическим составом извергающегося материала и типом самого извержения.
Эль-Чичон испустил достаточно серных газов, чтобы образовалось значительное количество серной кислоты, а извержение его было достаточно мощным, чтобы выбросить газы в стратосферу. Частично это можно объяснить тем, что из данного вулкана извергается материал среднего состава, т.е. с умеренным содержанием кремнезема.
Вулканы, извергающие материал с низким содержанием кремнезема, характеризуются, как правило, высокой концентрацией серы; обычно такие вулканы извергаются менее эксплозивно, чем вулканы, из которых выбрасывается материал с высоким содержанием кремнезема.
Однако Эль-Чичон имел значительно более высокое содержание серы, чем вулканы такого же общего химического состава. Для этой аномалии геологи еще не нашли однозначного объяснения. Сера могла поступить либо из осадочных толщ, подстилающих вулкан, либо из залежей сульфидов на поверхности одной литосферной плиты, погружающейся под другую и испытывающей плавление.
Извержение
Первое плинианское извержение Эль-Чичона началось 28 марта в 23 ч 32 мин и продолжалось пять или шесть часов.
Второе, начавшееся 3 апреля в 19 ч 35 мин, отличалось от предыдущего тем, что была выброшена большая масса горных пород, сформировавшихся при прежних извержениях вулкана.
Присутствие таких пород в пепловом слое, относящемся к этому извержению, указывает на то, что магма, поднимаясь к поверхности, «терлась» о стенки подводящего канала и постепенно расширяла его. Именно расширение жерла и соответствующее понижение скорости выброса материала привели, вероятно, к обрушению эруптивной колонны.
Третье плинианское извержение началось 4 апреля в 5 ч 22 мин утра. В результате этого извержения, как и после второго пароксизма, отложились массы пепла и пемзы с большим количеством древних вулканических пород.
Однако на этот раз эруптивная колонна, по-видимому, не обрушилась, а рассеялась в атмосфере. Вблизи вулкана отложения третьего извержения покрыты слоем тонкозернистого пепла.
Вероятно, этот слой образовался, когда горячий материал пирокластических потоков соприкоснулся с весенними паводковыми водами, что привело к взрывам водяного пара.
Объем пепла и пемзы, выброшенных вулканом Эль-Чичон, не особенно велик: от 0,5 до 0,6 км3. Для сравнения отметим, что при извержении гватемальского вулкана Санта-Мария в 1902 г. было выброшено 10 км3 твердого материала, при извержении Кракатау в 1883 г. — 20 км3, а при извержении индонезийского вулкана Тамбора в 1815 г. — более 175 км3.
Вулканический пепел, сера и магма
Вулканический пепел, извергнутый Эль-Чичоном, по химическому составу относится к андезитовому типу, характерному для вулканов зон субдукции. (Магма Эль-Чичона обогащена калием; такие магмы принято называть трахиандезитовыми.)
Химический состав магм меняется от бедных кремнеземом и обогащенных железом базальтов через андезиты, имеющие средний состав, к богатым кремнеземом и бедным железом дацитам и риолитам.
Сера сильнее растворяется в магмах, обогащенных железом, и поэтому базальты, как правило, отличаются более высоким содержанием серы, чем риолиты. Однако, для того чтобы образовалось значительное количество стратосферного аэрозоля, извержение должно быть эксплозивным и выбросить серные газы высоко в атмосферу, а бедные кремнеземом магмы извергаются обычно менее эксплозивно, чем магмы, богатые кремнеземом.
Извержение материала среднего состава вполне может привести к появлению в стратосфере больших масс серных газов. Имеющиеся данные позволяют сделать вывод, что вулканическое воздействие на атмосферу и химический состав вулканического материала в общих чертах коррелируются.
Например, вулкан Агунг на о. Бали, породивший при извержении 1963 г. большое стратосферное облако, характеризуется андезитовым составом материала. Извержение Кракатау, с которого и началось детальное изучение вулканического воздействия на атмосферу, было очень крупным выбросом материала дацитового состава.
Пепел, отложившийся после извержения Эль-Чичона, имеет аномально высокое содержание серы среди всех подобных образований. Й. Варекамп из Уэслианского университета и Дж. Лур из Калифорнийского университета в Беркли — одни из первых, кто собрал образцы и выполнил анализ химического состава пепловых отложений, — обнаружили удивительно высокое содержание сульфатов: до 2 вес.%.
Под микроскопом можно было видеть свободные кристаллы ангидрита (сульфата кальция, “CaSO4”) — минерала, редко встречающегося в вулканических породах. Когда пепел был отмыт, оказалось, что сера адсорбировалась на поверхности пепловых частиц; другими словами, часть серных газов, выделившихся в процессе извержения, была удалена из вулканической тучи вместе с пеплом.
Аномально высокую концентрацию серы в вулканическом пепле можно объяснить присутствием под вулканом минеральных образований, богатых серой. Глубокая скважина, пробуренная около вулкана в ходе геологоразведочных нефтяных работ, прошла через мощные слои осадочного ангидрита и залежи каменной соли, образовавшиеся при испарении в мелководных морях примерно 100 млн. лет назад.
Некоторые исследователи высказали предположение, что магма, поднимаясь по жерлу вулкана, могла ассимилировать большое количество серы из этого осадочного материала.
Вопрос о происхождении серы нельзя, однако, считать решенным. У. Роуз-младший из Мичиганского технического университета считает, что сера могла подняться с больших глубин вместе с магмой. Большое количество серы в свежем магматическом расплаве связано, по- видимому, с каким-то необычным ее источником в теле плиты, испытывающей субдукцию.
На некоторых участках срединно-океанических рифтов, в которых формируется новый материал плиты, располагаются гидротермальные жерла, которые испускают горячие, обогащенные серой растворы. В таких местах новая кора покрывается «плащом» сульфидных отложений. Когда эта кора испытывает субдукцию и плавление, по-видимому, может образоваться магма, чрезвычайно богатая серой.
Изучение изотопного состава серы в кристаллическом ангидрите и других содержащих серу продуктах извержения Эль-Чичона поможет, вероятно, определить ее происхождение. Сера, накапливающаяся при осаждении в море, должна быть обогащена более тяжелым из двух ее изотопов по сравнению с серой в магме. Первые выполненные анализы позволяют предположить, что выброшенная Эль-Чичоном сера имела смешанное происхождение, но какой из возможных ее источников дал больший вклад, пока не установлено.
