Введение

Природный взрывной выброс горячей воды

Гейзер – источник, характеризующийся периодическим выбросом воды, выбрасываемой турбулентно и сопровождаемым паром. Как довольно редкое явление, образование гейзеров обусловлено особыми гидрогеологическими условиями, которые существуют лишь в нескольких местах на Земле. Как правило, местоположения гейзерных полей находятся вблизи активных вулканических районов, а эффект гейзера обусловлен близостью магмы. Поверхностная вода проникает вглубь на среднюю глубину около того места, где она контактирует с горячими породами. В результате кипения под давлением воды возникает эффект гейзера – горячая вода и пар вырываются из поверхностного отверстия гейзера. Извергающаяся активность гейзера может изменяться или прекращаться из-за продолжающегося отложения минералов внутри системы гейзера, обмена функциями с близлежащими горячими источниками, влияния землетрясений и вмешательства человека. Как и многие другие природные явления, гейзеры не уникальны для Земли. Извержения в виде струи, часто называемые криогейзерами, наблюдались на нескольких спутниках внешней Солнечной системы. Из-за низкого атмосферного давления эти извержения состоят из пара без жидкости; они становятся более заметными благодаря частицам пыли и льда, поднимаемым в воздух газом. Струи водяного пара наблюдались вблизи южного полюса спутника Сатурна Энцелада, а извержения азота – на спутнике Нептуна Тритоне. Также есть признаки извержения углекислого газа из южной полярной ледяной шапки Марса. В случае Энцелада, предполагается, что эти потоки обусловлены внутренней энергией. В случаях выбросов на Марсе и Тритоне активность может быть результатом солнечного нагрева посредством парникового эффекта в твердом состоянии. Во всех трех случаях отсутствуют доказательства существования подповерхностной гидрологической системы, которая отличает земные гейзеры от других видов вентиляции, таких как фумаролы.

Этимология

Термин «гейзер» в английском языке появился в конце XVIII века и происходит от названия Geysir — гейзера в Исландии. Его название означает «струящийся» или «выплескивающий».

Форма и функция

Гейзеры – это недолговечные геологические образования. Гейзеры обычно связаны с вулканическими областями. Когда вода закипает, образующееся давление выталкивает на поверхность через внутреннюю систему каналов гейзера перегретый столб пара и воды. Для формирования гейзеров необходимо сочетание трех геологических условий, которые обычно встречаются в вулканической местности: интенсивный нагрев, вода и система водоснабжения. Чтобы нагретая вода образовала гейзер, требуется система каналов (состоящая из трещин, разломов, пористых пространств и иногда полостей). Эта система включает в себя резервуар для удержания воды во время ее нагрева. Гейзеры обычно выстраиваются вдоль разломов. По мере наполнения гейзера вода в верхней части колонны охлаждается, но из-за узкости канала конвективное охлаждение воды в резервуаре невозможно. Более холодная вода сверху оказывает давление на более горячую воду снизу, подобно крышке скороварки, позволяя воде в резервуаре перегреваться, то есть оставаться в жидком состоянии при температурах, значительно превышающих стандартную температуру кипения при нормальном давлении. Ключевым условием, обеспечивающим извержение гейзера, является материал, называемый гейзеритом, который встречается в породах вблизи гейзера. Гейзерит, в основном диоксид кремния (SiO2), растворяется из пород и откладывается на стенках системы каналов гейзера и на поверхности. Эти отложения делают каналы, по которым вода поднимается к поверхности, герметичными, предотвращая утечку давления в рыхлый гравий или почву, обычно находящиеся под гейзерными полями. В мире существует множество вулканических областей с горячими источниками, грязевыми котлами и фумаролами, но лишь немногие из них имеют извергающиеся гейзеры. Основная причина их редкости заключается в том, что для существования гейзера одновременно должны возникнуть несколько интенсивных и кратковременных сил. Например, даже при наличии других необходимых условий, если структура горных пород рыхлая, извержения разрушают каналы и быстро уничтожают любые формирующиеся гейзеры. Гейзеры – хрупкие явления, и при изменении условий они могут перейти в состояние покоя или исчезнуть. Многие были уничтожены просто из-за того, что люди бросали в них мусор, а другие перестали извергаться из-за обезвоживания геотермальными электростанциями. Однако Гейзир в Исландии переживал периоды активности и покоя. Во время длительных периодов покоя извержения иногда искусственно вызывались – часто по особым случаям – путем добавления в воду поверхностно-активных веществ (мыла).

Биология

Специфические цвета гейзеров обусловлены тем, что, несмотря на кажущиеся суровые условия, в них (а также в других горячих местах обитания) часто встречается жизнь в виде термофильных прокариот. Ни один из известных эукариот не может выжить при температуре выше.

В 1960-х годах, когда впервые появились исследования биологии гейзеров, ученые были в целом убеждены, что жизнь не может существовать при температурах выше примерно — верхнего предела выживания цианобактерий, поскольку структура ключевых клеточных белков и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) была бы разрушена. Оптимальная температура для термофильных бактерий оценивалась еще ниже, около. Термофилы предпочитают температуры от , а гипертермофилы лучше растут при температурах до. Благодаря наличию термостабильных ферментов, сохраняющих свою активность даже при высоких температурах, они стали источником термостойких инструментов, важных в медицине и биотехнологии, например, при производстве антибиотиков, пластмасс, моющих средств (с использованием термостабильных ферментов липаз, пуллуланаз и протеаз) и продуктов ферментации (например, этанола). Среди них первым был открыт и наиболее важен для биотехнологии Thermus aquaticus.

Основные месторождения гейзеров и их распределение

Гейзеры встречаются довольно редко и требуют сочетания воды, тепла и благоприятной геологической структуры. Такое сочетание существует лишь в немногих местах на Земле.

Йеллоустонский национальный парк, США

Йеллоустоун – крупнейший гейзерный район, содержащий тысячи горячих источников и примерно от 300 до 500 гейзеров. Здесь находится половина всех гейзеров мира, расположенных в девяти гейзерных бассейнах. Он находится преимущественно в штате Вайоминг, США, с небольшими участками в штатах Монтана и Айдахо. В Йеллоустоне расположен самый высокий в мире действующий гейзер (Стимбот Гейзер в гейзерном бассейне Норриса).

Долина гейзеров, Россия

Долина гейзеров, расположенная на Камчатском полуострове в России, является второй по величине концентрацией гейзеров в мире. Эта территория была открыта и исследована Татьяной Устиновой в 1941 году. В долине существует около 200 гейзеров, а также множество горячих источников и постоянно действующие фонтаны. Долина образовалась в результате интенсивной вулканической активности. Характерной особенностью этих гейзеров является своеобразный способ извержений. Большинство гейзеров извергаются под углом, и лишь немногие имеют гейзерные конусы, которые встречаются на многих других гейзерных полях мира. Позже сообщалось о формировании термального озера над долиной. Через несколько дней было замечено небольшое понижение уровня воды, обнажившее некоторые ранее затопленные объекты. Гейзер Великан, один из крупнейших в этом поле, не был погребен под оползнем и в последнее время демонстрирует активность.

Эль Татио, Чили

Название "Эль-Татио" происходит от слова "печь" на языке кечуа. Эль-Татио расположен в высоких долинах Анд, окруженных множеством действующих вулканов в Чили, Южной Америке, на высоте примерно над уровнем моря. В долине в настоящее время насчитывается около 80 гейзеров. Эль-Татио стал крупнейшим полем гейзеров в Южном полушарии после разрушения многих гейзеров в Новой Зеландии и является третьим по величине полем гейзеров в мире. Главной особенностью этих гейзеров является то, что высота их извержений очень небольшая: самый высокий гейзер достигает высоты , но при этом струи пара могут подниматься на высоту более . Средняя высота извержения гейзера в Эль-Татио составляет около .

Вулканическая зона Таупо, Новая Зеландия

Вулканическая зона Таупо расположена на Северном острове Новой Зеландии. Она простирается на [длину] и [ширину] и находится над зоной субдукции в земной коре. Гора Руапеху отмечает её юго-западный конец, а подводный вулкан Вакатане (за пределами Вакаари / Белого острова) считается её северо-восточной границей. Многие гейзеры в этой зоне были разрушены из-за геотермальной деятельности и строительства гидроэлектростанции, но несколько десятков гейзеров всё ещё существуют. В начале 20-го века в этой зоне существовал крупнейший из известных гейзеров – гейзер Ваймангу. Он начал извергаться в 1900 году и извергался периодически в течение четырёх лет, пока оползень не изменил уровень грунтовых вод. Извержения Ваймангу обычно достигали [высоты], а некоторые супервзрывы, как известно, достигали [высоты].

Исландия

Из-за высокой вулканической активности в Исландии здесь находятся одни из самых известных гейзеров в мире. В стране насчитывается от 20 до 29 активных гейзеров, а также множество ранее активных гейзеров. Исландские гейзеры распространены в зоне, протянувшейся с юго-запада на северо-восток, вдоль границы между Евразийской и Североамериканской плитами. Большинство исландских гейзеров относительно недолговечны, и характерно, что многие гейзеры здесь активизируются или образуются заново после землетрясений, а затем становятся спящими или исчезают через несколько лет или десятилетий. Два наиболее известных гейзера Исландии расположены в Хаукадалуре. Большой Гейзер, впервые извергшийся в XIV веке, дал название слову «гейзер». К 1896 году Гейзер был почти бездействующим, но землетрясение в том же году вызвало возобновление извержений, происходивших несколько раз в день. Однако в 1916 году извержения практически прекратились. На протяжении большей части XX века извержения случались время от времени, обычно после землетрясений. Были предприняты некоторые искусственные меры по улучшению источника, и извержения вызывались с помощью мыла в особых случаях. Землетрясения в июне 2000 года временно вновь активировали гиганта, но в настоящее время он не извергается регулярно. Рядом расположен гейзер Строккур, извергающийся каждые 5–8 минут на высоту, достигающую некоторых гейзеров, существование которых известно как минимум в десятке других районов острова. На месте некоторых бывших гейзеров возникли исторические фермы, которые с использованием горячей воды получали выгоду с средневековья.

Вымершие и неактивные месторождения гейзеров

Раньше в Неваде существовало два крупных поля гейзеров — Беовауэ и Стимбот-Спрингс, но они были уничтожены в результате строительства расположенных поблизости геотермальных электростанций. Бурение геотермальных скважин на этих станциях уменьшило доступное тепло и понизило уровень грунтовых вод настолько, что активность гейзеров больше не могла поддерживаться. Две трети гейзеров в Оракеи Корако были затоплены при строительстве гидроэлектростанции Охакури в 1961 году. Геотермальная электростанция привела к потере поля Вейракеи в 1958 году. Поле Ротомахана было разрушено извержением горы Таравера в 1886 году.

Неправильно названные гейзеры

Существуют и другие типы гейзеров, которые по своей природе отличаются от обычных паровых гейзеров. Эти гейзеры различаются не только характером извержения, но и причиной, вызывающей его.

Искусственные гейзеры

В ряде мест с геотермальной активностью были пробурены скважины и оснащены непроницаемыми обсадными трубами, позволяющими им извергаться подобно гейзерам. Отверстия таких гейзеров искусственные, но подключены к естественным гидротермальным системам. Эти так называемые искусственные гейзеры, технически известные как извергающиеся геотермальные скважины, не являются настоящими гейзерами. Примером служит гейзер "Маленький Старый Верный" в Калистоге, штат Калифорния. Гейзер извергается из обсадной трубы скважины, пробуренной в конце XIX века. По словам доктора Джона Ринехарта в его книге "Путеводитель по наблюдению за гейзерами" (1976, с. 49), человек пробурил скважину в поисках воды и "фактически открыл заброшенный гейзер". В случае с гейзером Big Mine Run в Ашленде, штат Пенсильвания, тепло, питающее гейзер (извергающийся из заброшенного шахтного ствола), происходит не от геотермальной энергии, а от длительного горения шахты Централия.

Вечный струящийся

Это естественный горячий источник, постоянно извергающий воду без перерыва на пополнение. Некоторые ошибочно принимают их за гейзеры, но поскольку они не имеют периодического характера, они не считаются настоящими гейзерами.

Коммерциализация

Гейзеры используются для различных целей, таких как производство электроэнергии, отопление и туризм. Геотермальные ресурсы обнаружены по всему миру. Геизерные поля в Исландии – одни из наиболее перспективных с коммерческой точки зрения в мире. С 1920-х годов горячая вода из гейзеров используется для обогрева теплиц и выращивания продуктов, которые иначе не могли бы быть выращены в суровом климате Исландии. Пар и горячая вода из гейзеров также используются для отопления домов в Исландии с 1943 года. В 1979 году Министерство энергетики США (DOE) активно продвигало развитие геотермальной энергии в "Geysers Calistoga Known Geothermal Resource Area" (KGRA) вблизи Калистоги, штат Калифорния, посредством различных исследовательских программ и программы гарантий геотермальных кредитов. Департамент юридически обязан оценивать потенциальное воздействие геотермальной разработки на окружающую среду.

Инопланетные гейзеры

В Солнечной системе существует множество тел, на которых наблюдались или, как предполагается, происходят извержения, внешне напоминающие земные гейзеры. Несмотря на то, что их обычно называют гейзерами, они обусловлены принципиально иными процессами, состоят из широкого спектра летучих веществ и могут происходить в самых разных масштабах: от небольших струй углекислого газа на Марсе до огромных шлейфов Энцелада. В целом, выделяют две основные категории явлений, обычно называемых гейзерами: сублимационные шлейфы и криовулканические шлейфы (также известные как криогейзеры). Сублимационные шлейфы – это струи сублимированных летучих веществ и пыли из неглубоких источников под ледяной поверхностью. Известные примеры включают струи CO2 на Марсе и извержения азота на спутнике Нептуна Тритоне. Считается, что на Марсе струи углекислого газа возникают в южном полярном регионе весной, когда слой сухого льда, накопившийся за зиму, нагревается солнцем. Хотя эти струи еще не наблюдались непосредственно, они оставляют следы, видимые с орбиты в виде темных пятен и светлых веерных структур на поверхности сухого льда. Эти образования состоят в основном из песка и пыли, выносимых выбросами, а также из паутинообразных каналов, образованных под льдом быстрым потоком газа CO2. Существует множество теорий, объясняющих эти извержения, включая нагрев солнечным светом, химические реакции или даже биологическую активность. На Тритоне активные извержения азота и пыли были обнаружены аппаратом "Вояджер-2" во время пролета мимо Луны в 1989 году. Высота этих шлейфов достигала 8 км, где ветры поднимали их на 150 км по направлению ветра, создавая длинные темные полосы на в остальном яркой южнополярной ледяной шапке. Существуют различные теории, объясняющие активность на Тритоне, такие как нагрев солнечным светом через прозрачный лед, криовулканизм или базальное нагревание азотных ледяных слоев. Криовулканические шлейфы или криогейзеры обычно относятся к крупномасштабным извержениям, состоящим преимущественно из водяного пара, из активных криовулканических образований на некоторых ледяных спутниках. Такие шлейфы наблюдаются на спутнике Сатурна Энцеладе и спутнике Юпитера Европе. Аппарат "Кассини" наблюдал извержение водяного пара вместе с частицами льда и меньшим количеством других компонентов (таких как углекислый газ, азот, аммиак, углеводороды и силикаты) из разломов, известных как "тигровые полосы" в южном полярном регионе Энцелада. Эти шлейфы являются источником материала в кольце E Сатурна. Механизм, вызывающий эти извержения, остается неясным, как и степень их физической связи с подповерхностным океаном Энцелада, однако считается, что они, по крайней мере частично, питаются приливным нагревом. "Кассини" несколько раз пролетал сквозь эти шлейфы, что впервые позволило провести прямой анализ воды из недр другого тела Солнечной системы. В декабре 2013 года космический телескоп "Хаббл" обнаружил водяные шлейфы высотой до 200 км над южным полярным регионом Европы. Повторный анализ данных, полученных аппаратом "Галилео", также показал, что он, возможно, пролетел сквозь шлейф во время пролета в 1997 году. Вода также была обнаружена обсерваторией Кека в 2016 году, о чем было объявлено в статье, опубликованной в журнале Nature в 2019 году, в которой предполагалось, что причиной может быть криовулканическое извержение. Считается, что линейные образования на Европе могут выбрасывать этот водяной пар в космос аналогичным образом, как "тигровые полосы" Энцелада.