Вулкан – это открытая трещина в земной коре, через которую время от времени на земную поверхность из глубины поступает лава, горячие газы и пары (Вулкан – бог огня у древних римлян). Чаще всего под вулканами понимают возвышенность, обычно с кратером на вершине, образованную застывшими продуктами извержения.
Ученые делят все вулканы на группы (действующие, спящие и потухшие) в зависимости от того, когда происходило их последнее извержение и насколько велика вероятность нового извержения. Действующими принято считать вулканы, извергавшиеся в исторический период времени, или в голоцене (голоцен – современная геологическая эпоха четвертичного периода, называемая иногда межледниковьем, начавшаяся после плейстоцена 11720±99 лет назад и длящаяся до настоящего времени). Спящими считают недействующие вулканы, но которые могут извергаться. Для потухших вулканов извержения мало вероятны, и они не извергались уже в течение последних 10 тысяч лет.
Обычно вулканы представляют собой трещину в гранитно-базальтовой оболочке Земли, в виде перевернутой воронки, причем коническая часть воронки расположена в нижней части оболочки, а выливная трубка выходит на поверхность Земли и образует внутри уже упомянутой возвышенности жерло вулкана. Такая форма вулкана формировалась в течение миллиардов лет, начиная с момента образования гранитно-базальтовой оболочки Земли. Нижняя часть воронки заполнена жидкой магмой, верхняя часть воронки (жерло) закупорена застывшей магмой с достаточным количеством трещин, возникших при застывании жидкой магмы после прекращения извержения вулкана.
Современная наука считает, что извержение вулканов происходит благодаря движению литосферных плит гранитно-базальтовой оболочки, благодаря температурному градиенту в верхних слоях магмы, а также из-за разгрузки высвобождающихся объемов магмы в процессе роста мощности (т.е. толщины) гранитно-базальтовой оболочки. Посмотрим, насколько эффективны эти механизмы для вулканической деятельности.
Движение литосферных плит, как правило, происходит относительно поверхности Земли в горизонтальной плоскости с редкими мгновенными бросками их краев в вертикальной плоскости, вызывающими землетрясения на поверхности Земли. Но поскольку извержения длятся часами и даже сутками, редкие мгновенные броски краев литосферных плит не могут обеспечить длительное извержение вулкана.
Температурный градиент в верхних слоях магмы, обусловленный неизвестной по мощности конвекцией магмы от внутреннего железо-никелевого ядра с температурой около 5400оС к верхним слоям магмы с температурой около 1500оС, напротив, является постоянным процессом, который скорее всего не может влиять на достаточно редкие (с перерывами в сотни и даже тысячи лет) извержения вулканов.
Что касается разгрузки высвобождающихся объемов магмы в процессе непрерывного роста мощности гранитно-базальтовой оболочки, то здесь тоже не все однозначно. Средняя мощность гранитно-базальтовой оболочки Земли составляет 33 км (исходя из мощности оболочки 60 км для материков и 20 км для океанов), она создавалась 5 миллиардов лет. Таким образом, средняя скорость роста мощности гранитно-базальтовой оболочки Земли составляет 6,6 микрон в год. Даже если мы примем, что современная скорость роста мощности оболочки равна средней величине (а она конечно меньше), то получается, что в наше время каждый год Земля должна разгружаться от лишнего объема магмы, равного 0,26 км3 (лишний объем магмы возникает из-за того, что удельная масса жидкой магмы примерно на 8% больше удельной массы застывшего базальта). Учитывая, что в среднем каждый год на Землю извергается магма объемом 4 км3, т. е. в 15 раз больше сделанного с большим запасом расчета, то и этот механизм не может приниматься во внимание.
Представляется, что механизм, приводящий к периодическому извержению вулканов, следует искать внутри Земли. Известно, что внутри нашей планеты до сих пор идут процессы радиоактивного распада, не позволяющие Земле остыть, как Луне и Марсу. Кроме тепловой энергии из центра Земли к ее внешним границам вместе с конвекцией магмы идет поток газов, образующихся при радиоактивном распаде тяжелых элементов. Поскольку газы стремятся занять максимально удаленное положение от центра Земли, они собираются в выше упомянутых воронкообразных трещинах гранитно-базальтовой оболочки. Отсюда эти газы либо постепенно просачиваются в атмосферу Земли, либо, при закупоренном жерле вулкана, накапливаются до достижения определенного давления.
Из-за большой вязкости магмы газ из центра Земли собирается в нижней части воронки, где к нему добавляются пары воды, проникающей из осадочного чехла, а также углекислый газ, который образуется при термическом разложении солей угольной кислоты. По достижении определенного давления (несколько тысяч атмосфер), достаточного для раскупоривания жерла вулкана от застывшей при предыдущем извержении лавы, начинается новое извержение. Извержение начинается с выброса т.н. бомб – частей ранее застывшей лавы в жерле вулкана с одновременным выбросом пепла, образуемого уже в атмосфере Земли при сгорании кластеров углерода, вылетающих вместе с вулканическим газом из жерла (кластеры – достаточно устойчивые объединения нескольких однородных элементов, например атомов или молекул). После освобождения жерла от остатков предыдущего извержения начинается процесс нового извержения раскаленной лавы.
Из-за большой вязкости магмы, которая на поверхности Земли называется уже лавой, процесс идет достаточно медленно, часами и даже сутками. Когда огромный пузырь газа выдавит на поверхность Земли всю расположенную над ним в воронкообразной трещине магму, извержение вулкана заканчивается, и он снова засыпает, ожидая во сне появления в его воронке нового газового пузыря. Состав газов, собирающихся в воронкообразной трещине вулкана, известен. Он состоит из паров воды (80 – 90%), СО2 (10 – 12%), SО2 (5 -7%), F, Cl, H2S.
То, какую опасность для человечества представляют современные вулканы, можно сравнить с их относительно недавней (почти вчерашней с точки зрения истории Земли) деятельностью. Так, 66 миллионов лет назад на территории современной Индии происходили такие извержения, которые оставили на плато Декан тысячи кубокилометров застывшей лавы. А еще раньше, 250 миллионов лет назад, мощнейшие извержения произошли на территории современной Восточной Сибири. Площадь лавовых покрытий составила 2,5 млн км2, а их суммарная мощность в районе Норильска достигла 3 км. В то же самое время северо-восточнее современного Норильска вулканами было сформировано плато Путорана, на которое пошло около 200 тысяч кубокилометров лавы. Так что современные обитатели Земли живут, можно сказать, во вполне комфортных вулканических условиях.