Кіріспе
Жылы судың табиғи жарылғыш атқылауы
Гейзер (гейзер) – бумен бірге, турбулентті түрде шығарылатын судың үзіліспен ағып шығуымен сипатталатын бұлақ. Гейзерлердің пайда болуы Жер бетіндегі санаулы ғана жерлерде кездесетін ерекше гидрогеологиялық жағдайларға байланысты. Әдетте, гейзерлер белсенді жанартау аймақтарының жанында орналасқан, ал гейзер эффектісі магманың жақындығына байланысты. Жер бетіндегі су, орташа есеппен, ыстық тау жыныстарымен жанасатын тереңдікке дейін төмен түседі. Нәтижесінде, қысыммен қайнаған судың гейзер эффектісіне ұшырауынан ыстық су мен бу гейзердің беткі тетігінен атылады. Гейзердің атқылау белсенділігі гейзердің құбырларындағы минералдық шөгінділердің жиналуына, жақын маңдағы ыстық бұлақтармен функция алмасуына, жер сілкінісінің әсеріне және адамның араласуына байланысты өзгеруі немесе тоқтауы мүмкін. Көптеген басқа табиғи құбылыстар сияқты, гейзерлер де Жерге ғана тән емес. Күн жүйесінің сыртқы планеталарының бірнеше айларында криогейзерлер деп аталатын реактивті жарылыстар байқалған. Қоршаған ортаның төмен қысымынан бұл жарылыстар сұйықтықсыз будан тұрады; оларды газбен көтерілген шаң мен мұз бөлшектері көзбен оңай көруге мүмкіндік береді. Сатурнның Энцелад айының оңтүстік полюсі маңында су буының ағындары байқалды, ал Нептунның Тритон айында азот жарылыстары тіркелді. Сонымен қатар, Марстың оңтүстік полярлық мұз қалпағынан көмірқышқыл газының жарылу белгілері де бар. Энцеладта бұлттардың пайда болуына ішкі энергия себеп деп есептеледі. Марс пен Тритондағы шығаруларға қатысты, бұл белсенділік қатты күйдегі парниктік эффект арқылы күннің жылуынан туындауы мүмкін. Үш жағдайда да, жер асты гидрологиялық жүйесінің болуына дәлел жоқ, бұл жер үсті гейзерлерін фумаролдар сияқты басқа түрлі шығарулардан ажыратады.
Этимология
Ағылшын тіліндегі "гейзер" термині 18 ғасырдың соңына дейін соққан және Исландиядағы Гейзерден бастау алады. Оның аты "құйылатын" немесе "атқылап шығатын" деген мағынаны білдіреді.
Пішін және қызмет
Гейзерлер – тұрақты емес геологиялық құбылыстар. Гейзерлер көбінесе жанартаулық аймақтармен байланысты болады. Су қайнағанда, пайда болатын қысым қатты қызған бу мен судың жоғары бағанасын гейзердің ішкі құбырлары арқылы жер бетіне итеріп шығарады. Гейзерлердің қалыптасуы үшін үш геологиялық шарттың қатар келуі қажет, олар әдетте вулкандық жерлерде кездеседі: қатты жылу, су және су жүйесі. Қызған судың гейзерге айналуы үшін құбыр жүйесі қажет (жарықтар, тіреулер, кеуекті кеңістіктер және кейде қуыстардан тұрады). Бұл жүйе суды жылыту кезінде сақтайтын резервуарды қамтиды. Гейзерлер көбінесе жарылымдар бойымен орналасады. Гейзер толғанда, бағананың үстіңгі жағындағы су салқындайды, бірақ каналдың тарлығына байланысты резервуардағы суды конвекциялық түрде салқындату мүмкін емес. Жоғарыдағы салқын су төмендегі ыстық суға қысым түсіреді, бұл қысымды қазан қақпағымен салыстыруға болады, соның арқасында резервуардағы су аса қызған күйге жетеді, яғни стандартты қысымда қайнау температурасынан жоғары температурада сұйық күйде қалады. Гейзердің атқылауына мүмкіндік беретін маңызды шарт – гейзердің жанындағы тау жыныстарында табылған гейзерит деген материалдың болуы. Гейзерит, негізінен кремний диоксидінен (SiO2) тұрады, тау жыныстарынан еріп, гейзердің құбыр жүйесінің қабырғаларына және бетіне шөгінді түзеді. Бұл шөгінділер суды жер бетіне дейін қысыммен жеткізетін арналарды тығыздайды. Бұл қысымның жоғары қарай жетіп, гейзер өрістерінің астындағы құм мен топыраққа таралуына жол бермейді. Әлемде ыстық бұлақтар, лайлы қазандықтар мен фумарольдері бар көптеген жанартаулық аймақтар бар, бірақ олардың өте аз ғана бөлігінде атқылайтын гейзерлер кездеседі. Олардың сирек кездесуінің басты себебі – гейзердің пайда болуы үшін бірнеше күшті және уақытша күштердің бір уақытта орын алуы керек. Мысалы, басқа да қажетті жағдайлар болған кезде де, егер тау жыныстарының құрылымы берік болмаса, атқылаулар арналарды бұзып, жаңа пайда болған гейзерлерді жылдам жоюы мүмкін. Гейзерлер – нәзік құбылыс, жағдайлар өзгерсе, олар ұйықтап қалуы немесе жойылуы мүмкін. Көптеген гейзерлер адамдардың оларға қоқыс лақтыруынан немесе геотермальдық электр станцияларының суын алуынан зардап шегіп, атқылауын тоқтатқан. Алайда, Исландиядағы Гейзер белсенділік пен ұйықтап қалу кезеңдерін бастан өткерді. Ұзақ ұйықтап қалған кезде, атқылаулар кейде суға беттік белсенді заттар қосылып, әсіресе мерекелік жағдайларда жасанды түрде тудырылды.
Биология
Гейзерлердің ерекше түстері, сырттай қатал жағдайларға қарамастан, оларда (сондай-ақ басқа да ыстық орталарда) термофильді прокариоттар түрінде өмірдің жиі кездесуімен байланысты. 1960 жылдары, гейзерлер биологиясының зерттеулері алғаш рет пайда болғанда, ғалымдар цианобактериялардың тіршілік шегінен асып, ешқандай тіршілікке төзгісіз деп сенді, себебі негізгі жасушалық ақуыздар мен дезоксирибонуклеин қышқылының (ДНК) құрылымы бұзылар еді. Термофильді бактериялар үшін ең қолайлы температура одан да төмен деп есептелді, термофильдер температураны жақсы көреді, ал гипертермофильдер температураға дейін өте жақсы өседі. Олардың жоғары температурада да белсенділігін сақтайтын жылуға төзімді ферменттері бар болғандықтан, медицина мен биотехнологияда маңызды термостабильді құралдардың көзі ретінде қолданылады, мысалы, антибиотиктер, пластиктер, жуғыш заттар (жылуға төзімді ферменттер – липазалар, пулулазалар және протеазалар арқылы) және ферментация өнімдерін (мысалы, этанол) өндіруде. Олардың арасында ең алғаш ашылған және биотехнология үшін ең маңыздысы – Thermus aquaticus.
In the 1960s, when the research of the biology of geysers first appeared, scientists were generally convinced that no life can survive above around —the upper limit for the survival of cyanobacteria, as the structure of key cellular proteins and deoxyribonucleic acid (DNA) would be destroyed. The optimal temperature for thermophilic bacteria was placed even lower, around Thermophiles prefer temperatures from , whilst hyperthermophiles grow better at temperatures as high as As they have heat stable enzymes that retain their activity even at high temperatures, they have been used as a source of thermostable tools, that are important in medicine and biotechnology, for example in manufacturing antibiotics, plastics, detergents (by the use of heat stable enzymes lipases, pullulanases and proteases), and fermentation products (for example ethanol is produced). Among these, the first discovered and the most important for biotechnology is Thermus aquaticus.
Үлкен гейзерлер кен орындары және олардың таралуы
Гейзерлер өте сирек кездеседі, олардың пайда болуы үшін су, жылу және қолайлы геологиялық жағдайлардың қатар келуі қажет. Мұндай үйлесім Жер бетінде санаулы жерлерде ғана кездеседі.
Йеллоустоун ұлттық паркі, АҚШ
Йеллоустоун – мыңдаған ыстық бұлақтарды және шамамен 300-500 гейзерді қамтитын ең ірі гейзерлік аймақ. Әлемдегі барлық гейзерлердің жартысы оның тоғыз гейзер алабында орналасқан. Ол көбінесе АҚШ-тың Вайоминг штатында, ал шағын бөліктері Монтана және Айдахо штаттарында жатыр. Йеллоустоун әлемдегі ең биік белсенді гейзерді (Норрис гейзер алабындағы Булыт гейзері) қамтиды.
Гейзерлер аңғары, Ресей
Ресейдің Камчатка түбегінде орналасқан Гейзерлер аңғары (Долина гейзеров) – әлемдегі гейзерлердің екінші ірі шоғырлануы. Бұл аймақты 1941 жылы Татьяна Устинова ашқан және зерттеген. Аймақта шамамен 200 гейзер, сондай-ақ көптеген ыстық су бұлақтары мен үнемі атқылайтын гейзерлер бар. Аймақ белсенді жанартаулық қызмет нәтижесінде қалыптасқан. Осы гейзерлердің ерекше атқылау тәсілі – маңызды ерекшелік. Көптеген гейзерлер бұрышпен атқылайды, ал әлемдегі көптеген гейзерлік алаңдарда кездесетін гейзер конустары өте сирек. Кейіннен аңғардың үстінде термалды көл пайда болуда деген хабарлама тарады. Бірнеше күннен кейін су деңгейінің төмендегені байқалды, соның салдарынан су астында қалған кейбір нысандар көрінді. Аймақтың ең ірі гейзерлерінің бірі – Великан гейзері – шөкпелердің астында қалмады және жақында белсенділігі байқалды.
Эль Татио, Чили
"Эль Татио" атауы кечуа тілінде "пеш" деген сөзден шыққан. Эль-Татио Оңтүстік Американың Чилидегі көптеген белсенді жанартаулармен қоршалған Анд тауларының биік аңғарларында теңіз деңгейінен шамамен жоғары орналасқан. Қазіргі уақытта аңғарда шамамен 80 гейзер бар. Жаңа Зеландияның көптеген гейзерлері жойылғаннан кейін ол Оңтүстік жарты шардағы ең үлкен гейзерлік алаңға айналды және әлемдегі үшінші ірі гейзерлік алаң болып табылады. Бұл гейзерлердің ерекшелігі – олардың атылу биіктігі өте төмен, ең биігі тек шамамен биіктікте, бірақ бу бағаналары шамамен биіктікке жете алады. Эль-Татиодағы гейзерлердің орташа атылу биіктігі шамамен .
Таупо жанартау аймағы, Жаңа Зеландия
Таупо вулкандық аймағы Жаңа Зеландияның Солтүстік аралында орналасқан. Оның ұзындығы және ені шамамен километрге жетеді және ол Жер қыртысының субдукциялық аймағының үстінде жатыр. Руапеху тауы оның оңтүстік-батыс шегін көрсетеді, ал су астындағы Вакатан тау (Уакаари / Ақ аралдан тыс) оның солтүстік-шығыс шегі саналады. Бұл аймақтағы көптеген гейзерлер геотермалдық даму және гидроэлектрлік су қоймасының салдарынан жойылды, бірақ бірнеше ондаған гейзерлер әлі де бар. 20-шы ғасырдың басында осы аймақта ең үлкен гейзер, Ваймангу гейзері болған. Ол 1900 жылы атыла бастап, жер көшкіні жергілікті су деңгейін өзгерткенге дейін төрт жыл бойы мерзімді түрде атылып тұрды. Ваймангудың атылыстары әдетте шамамен 400 метрге жететін, ал кейбір үлкен атылыстардың 500 метрге дейін жеткені белгілі.
Исландия
Исландиядағы жартау белсенділігінің жоғары деңгейіне байланысты, әлемдегі ең танымал гейзерлер осы елде орналасқан. Елде шамамен 20–29 белсенді гейзер және көптеген бұрынғы белсенді гейзерлер бар. Исландия гейзерлері Еуразия және Солтүстік Америка плиталарының шекарасы бойында, оңтүстік-батыстан солтүстік-шығысқа дейінгі аймаққа тараған. Исландия гейзерлерінің көпшілігі салыстырмалы түрде аз өмір сүреді, сонымен қатар, мұндағы көптеген гейзерлер жер сілкінісінен кейін қайта жанданып немесе жаңадан пайда болады, кейін бірнеше жылдар немесе ондаған жылдардан соң ұйықтап қалады немесе жоғалады. Исландияның ең танымал екі гейзері Хаукадалурде орналасқан. 14 ғасырда алғашқы рет атқан Ұлы Гейзер, «гейзер» сөзінің пайда болуына себеп болды. 1896 жылға қарай Гейзер сол жылы болған жер сілкінісінің нәтижесінде қайтадан атқа бастады, күніне бірнеше рет атқылап тұрды, бірақ 1916 жылы атқылаулар дерлік тоқтады. 20 ғасырдың көп бөлігінде жер сілкінісінен кейін кейде атқылап тұратын. Көктемге қолдан жасалған жақсартулар енгізілді және арнайы жағдайларда сабынмен атқылауға мәжбүр етілді. 2000 жылдың маусымында болған жер сілкінісі алыпты уақытша қайта оятты, бірақ қазір ол үнемі атпайды. Жақын жердегі Строккур гейзері әр 5–8 минут сайын шамамен бір биіктікке дейін атқылайды. Гейзерлердің аралдағы кем дегенде ондай аймақта болғандығы белгілі. Кейбір бұрынғы гейзерлер орта ғасырдан бері ыстық суды пайдаланудан пайда тапқан тарихи шаруашылықтарға айналды.
Geysers are known to have existed in at least a dozen other areas on the island. Some former geysers have developed historical farms, which benefitted from the use of the hot water since medieval times.
Өліп қалған және ұйықтап қалған гейзерлер
Невадада бұрын екі ірі гейзерлік алабы болған – Беовауэ және Стимбоут Спрингс, бірақ олар жақын жердегі геотермальдық электр станцияларының салынуы салдарынан қиратылды. Электр станцияларындағы геотермальдық бұрғылау қолжетімді жылуды азайтып, жергілікті жер асты суының деңгейін осылай төмендетті, нәтижесінде гейзерлік белсенділік сақталмай қалды. Оракей Коракодағы гейзерлердің үштен екісі 1961 жылы Охакури су электр станциясының бөгеті құрылысынан суға батты. Уайракей алабы 1958 жылы геотермальдық электр станциясының құрылысынан жоғалды. Ротомахана алабы 1886 жылы Таравера тауының жарылуынан қирады.
Қате атау берілген гейзерлер
Құрамы жағынан қалыпты бумен жұмыс істейтін гейзерлерден мүлдем өзгеше түрлі гейзерлер бар. Бұл гейзерлер тек атқылау стилімен ғана емес, оларды атқылауға себеп болатын нәрселермен де ажыратылады.
Жасанды гейзерлер
Геотермальдық белсенділік байқалған бірнеше жерде ұңғымалар бұрғыланып, олар гейзерлердей атқылауға мүмкіндік беретін өткізбейтін қаптамалармен жабдықталды. Мұндай гейзерлердің тетіктері жасанды, бірақ табиғи гидротермальдық жүйелерге жалғанады. Техникалық тұрғыдан алғанда, жарылатын геотермальдық ұңғымалар деп аталатын бұл жасанды гейзерлер, нағыз гейзерлер емес. Мысалы, Калифорния штатының Калистога қаласындағы Кішкентай Ескі Сенімді Гейзер осыған дәлел. Гейзер 19 ғасырдың соңында бұрғыланған ұңғыманың қабығынан атқылайды. Доктор Джон Ринехарттың "Гейзерлерді қарауға арналған нұсқаулық" (1976, 49-бет) кітабында айтылғандай, бір адам су іздеу үшін гейзерге бұрғылаған. Ол "жасырын қалған, өлі гейзерді жай ғана ашқан". Пенсильвания штатының Эшленд қаласындағы Big Mine Run Гейзеріне (тасталған кен шахтасынан атқылайтын) жылу беруші күш геотермальдық энергия емес, ұзақ жылдар бойы жанған Centralia кенінің өртінен туындайды.
Тұрақты шыбық
Бұл табиғи ыстық сулы көз, ол тоқтаусыз, қайта толуды күтпей су шығарып тұрады. Осы сияқты көздердің кейбіреулері бұрыс түрде гейзерлер деп аталады, бірақ олардың табиғаты мерзімді болмағандықтан, олар нағыз гейзерлер саналмайды.
Коммерциялық мақсатта пайдалану
Гейзерлер электр энергиясын өндіру, жылу беру және туризм сияқты әртүрлі салаларда қолданылады. Жер астындағы жылу резервтері бүкіл әлемде кездеседі. Исландиядағы гейзерлік алаптар әлемдегі ең коммерциялық тұрғыдан тиімді гейзерлік жерлердің бірі болып табылады. 1920 жылдан бері гейзерлерден алынған ыстық су жылыжайларды жылытуға және Исландияның қатал климатында өсірілмейтін азық-түлік өндіруге пайдаланылып келеді. 1943 жылдан бастап Исландияда үйлерді жылыту үшін гейзерлерден шыққан бу мен ыстық су қолданылады. 1979 жылы АҚШ Энергетика департаменті (DOE) «Гейзерлер Калистога белгілі геотермалды ресурстар аймағында» (KGRA), Калифорния штатының Калистога қаласының жанында, геотермалдық энергияны дамытуды түрлі зерттеу бағдарламалары мен Геотермалдық несие кепілдік бағдарламасы арқылы белсенді түрде ілгерілетті. Департамент заң бойынша геотермалдық дамудың қоршаған ортаға тигізетін әсерін бағалауға міндетті.
Жерден тыс гейзер тәрізді нысандар
Күн жүйесінде жердегі гейзерлерге ұқсас атқыштар байқалған немесе болатын көптеген денелер бар. Көбінесе гейзерлер деп аталғанымен, олар мүлдем басқа процестермен қозғалады, әртүрлі ұшқыш заттардан тұрады және әртүрлі масштабта болуы мүмкін: Марстағы шағын көмірқышқыл газы ағындарынан бастап Энцеладтың алып тұмсықтарына дейін. Жалпы, гейзерлер деп аталатын екі негізгі түр бар: сублимациялық тұмсықтар және криовулкандық тұмсықтар (криогейзерлер деп те аталады). Сублимациялық тұмсықтар – мұзды беттердің астындағы беткі қабаттардан сублимацияланған ұшқыш заттар мен шаңның ағындары. Белгілі мысалдары – Марстағы көмірқышқыл газы ағындары және Нептунның серігі Тритондағы азотты атқыштар. Марста көмірқышқыл газы ағындары көбінесе көктемде, қыста жиналған құрғақ мұздың күнмен жылынуынан пайда болады деп саналады. Бұл ағындар тікелей байқалмаса да, олар орбитадан қараңғы дақтар мен құрғақ мұздың үстіндегі ақшыл желпуіштер түрінде із қалдырады. Бұл құрылымдар негізінен жарылыстардан шашылған құм мен шаңнан, сондай-ақ мұз астындағы көмірқышқыл газының жылдам ағынынан пайда болған, құбылысқа ұқсас арналардан тұрады. Бұл атқыштарды түсіндіруге көптеген теориялар бар, оның ішінде күн сәулесінің жылытуы, химиялық реакциялар және тіпті биологиялық белсенділік. 1989 жылы "Вояджер-2" Тритонда азот пен шаңның белсенді атқыштарын анықтады. Бұл тұмсықтар 8 км биіктікке дейін көтеріліп, желдің әсерінен 150 км қашықтыққа дейін созылып, оңтүстік полярлық мұз қабатында ұзын, қараңғы іздер қалдырды. Тритондағы белсенділіктің себептерін түсіндіруге әртүрлі теориялар бар, мысалы, мөлдір мұз арқылы күннің жылытуы, криовулканизм немесе азот мұзының негіздік жылынуы. Криовулкандық тұмсықтар немесе криогейзерлер көбінесе су буының, негізінен мұзды серіктердегі белсенді криовулкандық нысандардан шығуын білдіреді. Мұндай тұмсықтар Сатурнның Энцелад және Юпитердің Еуропа серіктерінде кездеседі. Су буының, мұз бөлшектерінің және басқа компоненттердің (көмірқышқыл газы, азот, аммиак, көмірсутектер және силикаттар сияқты) ағындары Кассини орбиталық станциясымен Энцеладтың оңтүстік полярлық аймағындағы "жолақтың" ойықтарынан байқалды. Бұл тұмсықтар Сатурнның Е сақинасындағы материалдың көзі болып табылады. Бұл атқыштардың пайда болу механизмі әлі белгісіз, сондай-ақ олардың Энцеладтың жер асты мұхитымен физикалық байланысы қаншалықты екені белгісіз, бірақ олардың тасқынның жылуымен қуаттанатыны айтылады. Кассини бұл тұмсықтар арқылы бірнеше рет өтіп, басқа Күн жүйесі денесінен алынған суды тікелей талдауға мүмкіндік берді. 2013 жылдың желтоқсан айында Хаббл ғарыш телескопы Еуропаның оңтүстік полярлық аймағынан 200 км биіктікте су буының тұмсықтарын анықтады. "Галилео" аппаратының деректерін қайта қарау 1997 жылы аппараттың тұмсықтан өткен болуы мүмкін екенін көрсетті. Суды 2016 жылы Кек обсерваториясы анықтады, бұл туралы 2019 жылы Nature журналында криовулкандық атқыш себеп болғаны туралы болжам жасалды. Еуропаның сызықтары осы су буын Энцеладтың "жолақтарына" ұқсас жолмен ғарышқа шығарып жатыр деп есептеледі.