Przyczyny wytapiania stopów (z: Best, 1982)

Transkrypt

1 Etna, aktywność z liltopada 2006 (z: decadevolcano.net/photol /etna_photol.htm) WSPÓŁCZESNE ZJAWISKA WULKANICZNE Marek Michalik marek.michalik@uj.edu.pl

2 Zjawilka wulkaniczne lą lpektakularne a ich badanie doltarcza informacji na temat funkcjonowania litolfery, oddziaływań środowilkowych oraz ułatwia zrozumienie zjawilk wulkanicznych z przelzłości geologicznej Etna, aktywność z liltopada 2006 (z: ttp:// photol/ etna_photol.htm)

3 Część I. Gdzie i dlaczego powltaje magma Dlaczego magma wędruje ku powierzchni Zjawilka wulkaniczne na Ziemi na tle tektoniki płyt litolfery Klalyfikacje erupcji wulkanicznych

4 Zmiana lkładu chemicznego - dodatek fluidów KRYSZTAŁY Wzrolt temperatury Adiabatyczna dekomprelja Mokry lolidul Suchy lolidul KRYSZTAŁY + ST+P Przyczyny wytapiania stopów (z: Best, 1982)

5 Przyczyny wytopu: 1. Doltawa ciepła (wzrolt temperatury) 2. Adiabatyczna dekomprelja (lpadek ciśnienia bez wymiany ciepła) 3. Dodatek fluidów Wytapianie ltopu w układzie trójlkładnikowym (z: Barker, 1983)

6 Wzrolt wartości ltrumienia cieplnego Przepływ fluidów Adiabatyczna dekomprelja

7 Magmy o lkładzie bazaltowym powltają w górnym płalzczu Magmy o lkładzie granitowym powltają głównie w lkorupie kontynentalnej

8 Klenolity płalzcza (lherzolit) w potoku bazaltowym ; Kergulen Illandl, +cean Indyjlki (z: Lorand i in., 2008)

9 Lherzolit płalzcza, Dolny Śląlk (klenolit płalzczowy w bazalcie)

10 Inicjalny ltop (lzkliwo) w perydotycie płalzcza (klenolit w bazalcie)

11 Inicjalny ltop (lzkliwo) w klenolicie granitu z bazaltu (Dolny Śląlk)

12 Wędrówka magm Pływalność magm W lyltemach iltotnych geologicznie ltop jelt zawlze mniej gęlty i zajmuje więklzą objętość niż ciało kryltaliczne T ( o C) Gęltość (g/cm 3 ) Skały: Perydotyt 3.2 Bazalt 2.9 Dioryt 2.8 Skały oladowe w pobliżu powierzchni Ziemi Stopy: Andezyt Bazalt Bazalt luchy Bazalt z 0.8%wag. H Bazalt bogaty w Fe luchy Bazalt bogaty w Fe z 6.9%wag. H

13 Wędrówka magm Wybrzulzenia przeklztałcają lię w pływalne diapiry przemielzczające lię przez nadległy materiał Wybrzulzenia w ltropie nieltabilnej warltwy Umiejlcowienie unieruchomionych diapirów; możliwe erupcje

14 Płyty litolfery

15 Przekrój przez kilka płyt litolfery (z: Dadlez i Jarolzewlki, 1994)

16 Wulkanizm na tle tektoniki płyt Grzbiety śródoceaniczne Strefy lubdukcji i kolizji kontynentów Prowincje wulkaniczne aktywne w trakcie oltatniego miliona lat

17 Produktywność magmatyzmu kenozoicznego Lokalizacja Tempo produkcji [km 3 /rok] Skały wulkaniczne Skały plutoniczne Konltruktywne krawędzie płyt 3 18 Deltruktywne krawędzie płyt Kontynentalne wewnątrzpłytowe ceaniczne wewnątrzpłytowe Suma

18 Eklplozje (erupcje) wulkaniczne: związane z wydzieleniem gazu z magmy, związane z gwałtownym wydzieleniem pary przy kontakcie magmy z wodami (oceanicznymi, jeziornymi, gruntowymi)

19 EKSPL+ZJA MAGM+WA Rozwój lyltemu wulkanicznego (z: Filher i Schmincke 1984) Możliwość oliągnięcia prędkości ponaddźwiękowej Rozprolzenie piroklaltów i gazu Poziom fragmentacji Magma z wydzielonymi lkładnikami lotnymi Poziom wydzielenia lkładników lotnych Magma z rozpulzczonymi lkładnikami lotnymi

20 WULKAN MT. SPURR, ALASKA ( ); WYS+K+ŚĆ K+LUMNY +K+Ł+ 18 km (fot. R. McGinley;

21 Kontakt ltop magmowy/ woda (z: Sheridan, 1983)

22 dolina dolina Wznolząca lię magma bazaltowa Interakcja ltop/woda i powltawanie maarów

23 Inicjacja erupcji freatomagmowej (Soufriere; St. Vincent); maj Nowa gorąca magma wdarła lię do gorącej kopuły z roku 1971 i jeziora kraterowego.

24 Typy erupcji wulkanicznych: 1 Hawajlki 2 Stromboliańlki 3 Subpliniulzowlki 4 Vulcanian 5 Pliniulzowlki 6 - Ultrapliniulzowlki 7 Surtleyańlki 8 - Freatopliniulzowlki

25 Różne typy erupcji oraz oblzar wypadania fragmentów piroklaltycznych i ltopień fragmentacji (F) F (%) +blzar wypadania (km 2 )

26 Mount Meager, Kolumbia Brytyjlka

27 Prawdopodobne ulytuowanie krateru; erupcja 2360 lat temu

28 Typy oladów piroklaltycznych: Związane z wypadaniem (opadaniem) z chmury wulkanicznej (pyroclaltic-fall; air-fall; fallout tephra), Związane z falami piroklaltycznymi olady deponowane z chmury kropel wody i zawieliny ciał ltałych rozprzeltrzeniających lię z huraganową prędkością od podltawy kolumny erupcujnej (pyroclaltic lurge); opilywane od lat 60-tych XX wieku, Związane ze lpływami piroklaltycznymi (pyroclaltic flow, alh flow) - wyloce mobilną gorącą mielzaniną gazu i cząltek ltałych porulzającą lię w pobliżu powierzchni terenu (opilane w 1902 erupcja Mt. Pelée); lpływ i chmura znajdująca lię ponad nim chmura gorejąca (nuée ardante; Alfred Lacroix)

29 Procely związane z lubaeralnymi piroklaltycznymi lpływami i opadem (z: Filher i Schmincke, 1984)

30 Procely związane z lubaeralnymi hydroklaltycznymi lpływami i opadem (z: Filher i Schmincke, 1984)

31 Podwodne lpływy i opad (z: Filher i Schmincke, 1984)

32 Podwodne lpływy i opad (z: Filher i Schmincke, 1984)

33 Pohaturoa, Nowa Zelandia (z: Willon, 2008) Taupo, Nowa Zelandia (z: Willon, 2008)

34 Valley of Ten Thouland Smokel, erupcja 1912; Alalka (z: Willon, 2008) Long Valley, erupcja 0.76 Ma; Kalifornia (z: Willon, 2008)

35 Erupcja Mt. Alama, Japonia; ; (z: Filher i Schmincke, 1984) +pad lpod chmury

36 Mt. St. Helens, Washington, Widok z 7 sierpnia 1980 (z Cząsta popiołu z Mt. St. Helens (fot. A.M. Sarna-Wojcicki; Opad popiołu po wybuchu (

37 +lad opadu piroklaltycznego; erupcja 2360 lat temu; kolumna wyloka na km (Mount Meager, Kolumbia Brytyjlka)

38 +pad popiołu; 16 czerwca 1991; Luzon, Filipiny (warltwa o grubości 10 cm pokryła oblzar 2000 km 2 )

39 Kolumna erupcyjna i fala piroklaltyczna u podltawy (średnica 270 m); Capelinhol; Azory (z: Filher i Schmincke, 1984)

40 WYBUCH WULKANU MT. PELEE W R+KU 1902; SPŁYW PIR+KLASTYCZNY (fot. Heilprin; z

41 +lad lpływu popiołowego; Mount St. Helenl (Walhington, USA) (z: Filher i Schmincke, 1984)

42 FUMAROLA NA STOKU WULKANU KILAUEA (fot. R. L. Christiansen, ; z

43 (z: edu/newlroom/newl/im agel/loltcity/) Pole hydrotermalne Lolt City odkryte w roku 2000 liczy lat. Reakcje między perydotytami górnego płalzcza i wodą morlką powodują powltawanie metanu i fluidów bogatych w wodór. T - <40 do 90 o C; ph 9-11

44 Budowle z węglanu wapnia w obrębie Lolt City lięgające ponad 30 m (z:

45 Węglan wapnia wytrącany z roztworów hydroterrmalnych w obrębie Lolt City buduje letki wież (z:

46 Pobieranie próbek gazu ze lzczytu komina hydrotermalnego w Lolt City. Mikroorganizmy z Lolt City zużywają energię z metanu i wodoru (z:

47 Black lmokerl (Juan de Fuca Ridge). Struktura zbudowana z liarczków. W kontakcie z zimną wodą z gorących roztworów wytrącają lię liarczki. ( _lmokerl.html

48 Bogate w liarczki formy powltały w lkutek aktywności mikrobialnej (z: noaa.gov/ventl/chemiltry/fluid.html) Bakterie pobierają energię z H 2 S a węgiel z C+ 2 ( featurel/1135.htm)

49 Część II. Aktywność wulkaniczna może też ltwarzać zagrożenie +d roku 1783 zginęło ponad olób Stanowi to ponad 90% ltrat ludzkich związanych z wulkanizmem Głód i epidemie po erupcjach 30,3 % Spływy i opady piroklaltyczne 26,8 % Spływy błotne i lahary 17,1 % Tlunami związane z działalnością wulkaniczną 16,9 %

50 Willa Poppea częściowo zalypana opadem piroklaltycznym oraz pokryta oladem lpływu piroklaltycznego +dlewy ludzi w oladzie popiołu wulkanicznego (rok 79; Wezuwiulz) +lady piroklaltyczne opad piroklaltyczny oraz lpływ piroklaltyczny ( veliuvio/79_eruptiontext.html)

51 Mialto St. Pierre przed i po lpływie piroklaltycznym; Ilość ofiar wyniolła około olób (fot. Heilprin)

52 Wulkan Nevado del Ruiz w Andach (Kolumbia): 5389 m npm, 25 km 2 pokrywy śnieżnej (z: gov/hazardl/lahar/ruiz. php) Wulkan Nevado del Ruiz w Andach: Gorący materiał opadów i lpływów piroklaltycznych doprowadził do erozji i topienia ok. 10% pokrywy śnieżnej

53 Cztery godziny po eklplozji wulkanu Nevado del Ruiz w Andach lahary lięgnęły odległości 100 km. Zginęło olób, rannych 5000; znilzczonych 5000 domów w dolinach rzek Chinchiná, Gualí i Lagunillal (z: ruiz.php)

54 Szkoła pogrzebana pod oladem lpływu laharu po eklplozji wulkanu Pinatubo (Filipiny) 15 czerwca W ciągu trzech mielięcy po eklplozji dolzło do lpływu ponad 200 laharów. Intenlywne delzcze lpowodowały lpływy tylięcy laharów w późniejlzym okrelie (

55 Lal po ukierunkowanym wybuchu wulkanu Mount St. Helenl (z: wapi.ilu.edu/envgeo/eg6_volcano/volcanoel.htm)

56 WYBUCH WULKANU PINATUB+ (FILIPINY); 15 czerwca 1991; K+LUMNA ERUPCYJNA (widok z Clark Air Bale; z Ilość popiołu (pumekl i tefra): Mt lub 3 5 km 3 DRE (denle-rock-equivalent)(scott i in., 1991) Ilość S+ 2 : ~20 Mt wprowadzonych do ltratolfery (Bluth i in., 1992)

57 Dwutlenek liarki; 15 czerwca 1990; eklplozja Pinatubo; Filipiny Popiół i aerozol; 15 czerwca 1990; eklplozja Pinatubo; Filipiny (z: Total +zone Mapping Spectrometer (T+MS); /lkye.glfc.nala.gov)

58 ZMIENN+ŚĆ R+ZPRZES- TRZENIENIA AER+Z+LI P+ WYBU- CHU WUL- KANU PINATUB+ (z

59 Kolumna erupcyjna (wylokości 1300 m) wulkanu Augultine (Alalka). (fot. B. Yount, U.S. Geological Survey, March 31, 1986). Podczal erupcji w roku 1976 do atmolfery wyemitowany zoltał Cl w ilości 5 x g, w tym około x g do ltratolfery

60 WULKAN KULAUEA; F+NTANNA LAWY +K+Ł+ 300 m WYS+K+ŚCI (u góry); JEZI+R+ LAW+WE + ŚREDNICY +K+Ł+ 100 m (u dołu) W R+KU 1986 ZAMIAST DZIAŁALN+ŚCI EPIZ+DY- CZNEJ (C+ KILKA TYG+D- NI) (u góry) R+ZP+CZĘŁA SIĘ STAŁA AKTYWN+ŚĆ (u dołu). DZIENNIE D+ AT- M+SFERY D+STAJE SIĘ +K+Ł t S+ 2. (fot. J.D. Griggl z volcanoel.ulgl.gov)

61 DŁUG+TRWAŁA EMISJA DWUTLENKU SIARKI Z WULKANU KILAUEA (HAWAJE) SP+W+D+WAŁA P+WSTANIE WULKANICZNEG+ SM+GU ( V+G ) I +PADU KWAŚNYCH DESZCZY NA WYSPIE (fot. J. D. Griggl, ; z

62 EMISJA GAZÓW WULKANICZNYCH; ETNA, B+CCA NU+VA (fot. J. Allen;

63 L+KALNE +DDZIAŁYWANIE DZIAŁALN+ŚCI WULKANICZNEJ Wulkan Mammoth Mountain powoduje uwalnianie dwutlenku węgla (do 300 t/dzień). Efektem jelt wymieranie lalów. (fot. K. McGee i J. D. Rogie; z ulgl.gov)

64 Pobieranie próbek gazu z fumaroli na wulkanie Mageik, Alalka (z Pomiar wypływu C+ 2 w glebie; Mammoth Mountain, California (fot. R. Kelller, z ANALIZA SKŁADU GAZÓW WULKANICZNYCH

65 W CELU +KREŚLENIA IL+ŚCI S+ 2 (I INNYCH SKŁADNIKÓW) D+K+NYWANY JEST P+MIAR PRZY UŻYCIU SPEKTR+- METRU (C+SPEC) W PRZE- KR+JU PR+ST+PADŁYM D+ PIÓR+PUSZA; IL+ŚCI+WA +CENA WYMAGA UWZGLĘD- NIENIA PRĘDK+ŚCI WIATRU (figura z ANALIZA SKŁADU GAZÓW WULKANICZNYCH

66 ZRÓŻNIC+WANIE ZAWART+ŚCI SIARKI (w ppm) W SZKLISTEJ MASIE P+DSTAW+WEJ SKAŁY Z WULKANU R+ZA (C+UMBIA RIVER BASALT GR+UP, WASHING- T+N)(z Thordarlon i Self, 1996) ANALIZA UDZIAŁU SKŁAD- NIKÓW L+TNYCH

67 EMISJA D+ ATM+SFERY: Mt S+ 2 ~710 Mt HCl ~1780 Mt HF W ciągu 10 lat roczna produkcja około 1800 Mt H 2 S+ 4 BILANS SIARKI DLA ERUPCJI R+ZA (C+LUMBIA RIVER) (ok Ma)(z Thordarlon i Self, 1996)

68 WPŁYW NIEKTÓRYCH HIST+RYCZNYCH ERUPCJI NA +BNIŻENIE TEMPERATURY NA PÓŁKULI PÓŁN+CNEJ (z Francil, 1993) ERUPCJA OBJĘTOŚĆ MAGMY (km 3 ) WYSOKOŚĆ KOLUMNY ERUPCYJNEJ (km) MASA AEROZOLU H 2 SO 4 (t) OBNIŻENIE TEMPERATURY NA PÓŁKULI PÓŁNOCNEJ ( o C) LAKI, <1*10 8 OKOŁO 1.0 TAMBORA, 1815 >50 >40 2* KRAKATAU, 1883 >10 >40 5* SANTA MARIA, 1902 Ok. 9 >30 <2* KATAMAI, >27 <2* St. HELENS, * AGUNG, * EL CHICHON, *

69 AER+Z+LE P+WSTAŁE P+DCZAS ERUPCJI R+ZA M+GŁY SP+W+- D+WAĆ EFEKT TYPU NUKLEARNEJ ZIMY (np., Turco i in. 1983) LUB WULKANICZNEJ ZIMY (np., Rampino i in., 1988) TRWAJĄCY +K+Ł+ 10 LAT EFEKTY INNYCH HIST+RYCZNYCH I PREHIST+RYCZNYCH ERUPCJI M+GŁY BYĆ ZNACZNIEJSZE (figura poniżej, z Thordarlon i Self, 1996)

70 EFEKTY EMISJI GAZÓW WULKANICZNYCH D+ ATM+SFERY (z Wignall, 2001)

71 +koło 1 km profil bazaltów (pokrywy bazaltowe oblzaru Columbia River); kanion Snake River (fot. V. Camp, z

72 Szczelinowy wylew bazaltu (Youthful Kingl Bowl, Snake River Plain, Idaho) (z Belt, 1982)

73 Rozmielzczenie wielkich prowincji magmowych (pokryw bazaltowych); młodlze niż 90 Ma opilane dużymi literami (z Kerr, 1998)

74 Wrangelia flood balaltl; Lawy podulzkowe, Maynard Lake, N część Vancouver Illand (Kanada)

75 Wrangelia flood balaltl; Malywny potok lawy na lawach podulzkowych, N część Vancouver Illand (Kanada)

76 Wrangelia flood balaltl; Potoki bazaltowe, Strathcona Provincial Park, N Vancouver Illand

77 WULKANIZM BAZALT+WY P+DM+RSKI (WIELKIE P+KRYWY BAZALT+WE I BAZALTY GRZBIETÓW +CEANICZNYCH) Fizyczne efekty wulkanizmu: a. Podnielienie lię poziomu morza na lkutek: *umiejlcowienia lię dużych objętości lawy (np km 3 na granicy cenoman/turon) *wynielienia litolfery oceanicznej nad wznolzącym diapirem płalzcza b. Wynielienie litolfery powoduje też umiejlcowienie lię erupcji blilko powierzchni oceanu i zakłócenie lyltemów cyrkulacji wód c. Zmętnienie wód d. Wznolzenie lię roztworów hydrotermalnych i wód anoklycznych

78 Chemiczne efekty wulkanizmu: a. Doltawa ciepła do oceanu (ltygnięcie lawy i ciepło kryltalizacji) b. Doltawa C+ 2 (1 km 3 bazaltu uwalnia około Mt C+2) (np. około 108 Mt C+ 2 na granicy cenoman/turon) c. Doltawa S+ 2, H 2 S, HF, HCl (zmiana ph wód) d. C+ 2 doltarczony do wód oceanicznych doltaje lię częściowo do atmolfery; rozpulzczalność C+ 2 w wodzie morlkiej ogranicza lię o 4% przy wzroście temperatury o 1 o C; efekt cieplarniany e. Redukcja ilości rozpulzczonego + 2 podczal utleniania lkładników doltarczonych do wód w trakcie działalności hydrotermalnej (objętość roztworów o temperaturze około 350 o C jelt zbliżona do objętości lawy) f. Zakwity planktonu dzięki dopływowi Fe pochodzenia hydrotermalnego do wód powierzchniowych (około 5% hydrotermalnego Fe ma docierać do powierzchni) g. Deltabilizacja hydratów metanu w oladach oceanicznych; uwalnianie metanu do wód morlkich i atmolfery

79 Część III. Supererupcje i luperwulkany Supererupcja wyrzut ponad kg (~450 km 3 ) magmy. 450 km 3 magmy bez pęcherzyków to ok km 3 produktów piroklaltycznych o nilkiej gęltości. Względne objętości materiału piroklaltycznego związanego z różnymi erupcjami; 4 erupcje młode (z: Miller i Wark, 2008)

80 Wlkaźnik eklplozywności wulkanicznej (Volcanic Explolivity Index; VEI; Ch. Newhall i S. Self, 1982) VEI Klalyfikacja +pil Wylokość pióropulza +bjętość materiału piroklalt. Częltość 0 Hawajlki Nieeklpl. <100m <10 000m 3 Dziennie 1 Hawaje/Stromboli Łagodny m >10 000m 3 Dziennie 2 Stromboli/Vulcano Eklloz. 1-5km > m 3 Tygodniowo 3 Vulcano/Pelee Gwałtowny 3-15km > m 3 Rocznie 4 Pelee/Pliniulzowlki Kataklizm 10-25km >0.1km 3 >10 lat 5 Pliniulzowlki Paroklyzm. >25km >1km 3 >50 lat 6 Pliniulz./Ultraplin. Kololalny >25km >10km 3 >100 lat 7 Pliniulz./Ultraplin. Superkolol. >25km >100km 3 >1 000 lat 8 Ultrapliniulzowlki Megakolol. >25km >1 000km 3 > lat

81 Wlkaźnik eklplozywności wulkanicznej i objętość materiału piroklaltycznego

82 Prawdopodobny zalięg chmury popiołowej (gruba przerywana linia) związanej z lupererupcją z kaldery Toba (Sumatra, Indonezja); zalięg lpływów piroklaltycznych (cienka przerywana linia) oraz oddziaływanie tlunami (z: Miller i Wark, 2008)

83 Zróżnicowanie właściwości lkał magmowych wraz z zawartością krzemionki Wielki zbiornik magmowy w górnej lkorupie i zalilający lyltem magmowy; zdolność do erupcji ma magma w górnej części ( chamber ) (z: Miller i Wark, 2008)

84 Zonalność lkładu mineralnego i chemicznego czwartorzędowych lkał piroklaltycznych (Crater Lake, +regon); biały lkład ryolitu; ciemny lkład andezytu (z: Filher i Schmincke, 1984)

85 Kaldera Toba (Indonezja); eklplozja przed około lat; 2800 km 3 DRE; 40 x 100 km; efekt zimy wulkanicznej znacznie zredukował populację ludzi ( olobników) (z: wapi.ilu.edu/envgeo/eg6_volcano/volcanoel.htm)

86 +blzary opadów piroklaltycznych (miążlzość ok. 1 cm); erupcje: Pinatubo - ~2km 3 (Luzon, Filipiny); Tambora 25 km 3 (Sumbawa, Indonezja), Toba - ~1000 km 3 (Sumatra, Indonezja) (z: Self i Blake, 2008)

87 Kaldera Alo (Japonia); około 25 km w kierunku N-S, 18 km w kierunku W-E; powltała ok lat temu

88 +brzeże kaldery Alo (Japonia, Kyuliu)

89 +brzeże kaldery Alo (Japonia, Kyuliu)

90 Erozja oladów piroklaltycznych w obrębie kaldery Alo (Japonia)

91 +lad piroklaltyczny w obrębie kaldery Alo (Japonia)

92 W kalderze Alo jelt 5 ltożków wulkanicznych. Taka-dake 1592 m (najwyżlzy), Ebolhi, Kijima, Neko-dake i czynny Naka-dake (oltatni wybuch 1980; w czalach hiltorycznych 130 wybuchów)

93 1. Korelacja pomiędzy objętością dużych erupcji i przedziałem czalu pomiędzy erupcjami lugeruje, że przygotowanie lupererupcji wymaga około 1 mln lat 2. Analiza wieku krylztałów i procelów ich wzroltu wlkazują, że akumulacja magmy luperwulkanu może trwać znacznie krócej 3. Czal trwania lupererupcji: wyloka aktywność (np. ~3x10 9 kg/l) może trwać tygodnie do kilku lat z okrelami ulpokojenia 4. Rekurencja czalowa czyli kiedy naltępna lupererupcja? Wiedza na temat w przelzłości lupererupcji jelt lkromna. Prawdopodobnie najwięklze erupcje wyltępują z częltotliwością raz na lub lat.

94 5. ~ lat temu +ruani (Nowa Zelandia) 530 km3 ~ lat temu Toba km 3 6. Efekt lokalny: a. Zapadanie lię kaldery, tlunami; b. Materiał piroklaltyczny w atmolferze utrudnienia lotów; opad piroklaltyczny ulzkodzenia budowli, przerwa w uprawach; zatrzymanie pracy elektrowni z powodu braku czyltej wody chłodzącej; ulzkodzenie lieci przelyłowych; c. Spływy piroklaltycze znilzczenia budowli, 7. Efekt globalny wzrolt albedo po depozycji pyłu; zmiany klimatyczne

95