Введение
Газы, выделяемые активными вулканами
Вулканические газы — это газы, выделяемые активными (или, иногда, спящими) вулканами. Они включают газы, заключенные в полостях (везикулах) вулканических пород, растворенные или диссоциированные газы в магме и лаве, а также газы, выделяющиеся из лавы, вулканических кратеров или жерл. Вулканические газы могут также выделяться через подземные воды, нагретые вулканической деятельностью. Источники вулканических газов на Земле включают:
первичные и рециркулированные компоненты из мантии Земли,
ассимилированные компоненты из земной коры,
подземные воды и атмосферу Земли. Вещества, которые могут переходить в газообразное состояние или выделять газы при нагревании, называются летучими веществами.
Volcanic gases are gases given off by active (or, at times, by dormant) volcanoes. These include gases trapped in cavities (vesicles) in volcanic rocks, dissolved or dissociated gases in magma and lava, or gases emanating from lava, from volcanic craters or vents. Volcanic gases can also be emitted through groundwater heated by volcanic action. The sources of volcanic gases on Earth include:
primordial and recycled constituents from the Earth's mantle,
assimilated constituents from the Earth's crust,
groundwater and the Earth's atmosphere. Substances that may become gaseous or give off gases when heated are termed volatile substances.
Состав
Основными компонентами вулканических газов являются водяной пар (H2O), углекислый газ (CO2), сера в виде диоксида серы (SO2) (в высокотемпературных вулканических газах) или сероводорода (H2S) (в низкотемпературных вулканических газах), азот, аргон, гелий, неон, метан, окись углерода и водород. Другие соединения, обнаруженные в вулканических газах, включают кислород (метеоритный), хлористый водород, фтористый водород, бромистый водород, гексафторид серы, карбонилсульфид и органические соединения. Экзотические следовые соединения включают ртуть, галоуглероды (включая ХФУ) и радикалы галогенидов. Содержание газов значительно варьируется от вулкана к вулкану, в зависимости от вулканической активности и тектонической обстановки. Водяной пар постоянно является наиболее распространенным вулканическим газом, обычно составляя более 60% от общего объема выбросов. Углекислый газ обычно составляет от 10 до 40% выбросов. Вулканы, расположенные на границах схождения плит, выделяют больше водяного пара и хлора, чем вулканы в горячих точках или на границах расхождения плит. Это вызвано добавлением морской воды в магмы, формирующиеся в зонах субдукции. Вулканы на границах схождения плит также имеют более высокие отношения H2O/H2, H2O/CO2, CO2/He и N2/He, чем вулканы в горячих точках или на границах расхождения плит. Если газ не может достаточно быстро вырваться из магмы, он дробит магму на мелкие частицы пепла. Флюидизированный пепел оказывает гораздо меньшее сопротивление движению, чем вязкая магма, поэтому ускоряется, вызывая дальнейшее расширение газов и ускорение смеси. Эта последовательность событий приводит к взрывному вулканизму. То, сможет ли газ вырваться спокойно (пассивные извержения) или нет (взрывные извержения), определяется общим содержанием летучих веществ в исходной магме и вязкостью магмы, которая контролируется ее составом. Дегазация в "закрытой системе" относится к случаю, когда газ и его материнская магма поднимаются вместе, находясь в равновесии друг с другом. Состав выделяемого газа находится в равновесии с составом магмы при давлении и температуре, при которых газ покидает систему. При дегазации в "открытой системе" газ покидает свою материнскую магму и поднимается вверх через вышележащую магму, не оставаясь в равновесии с ней. Газ, выделяемый на поверхности, имеет состав, являющийся средневзвешенным по потоку магмы, выделенной на разных глубинах, и не отражает условия магмы на какой-либо конкретной глубине. Расплавленная порода (магма или лава) вблизи атмосферы выделяет высокотемпературный вулканический газ (>400 °C). Взрывные вулканические извержения, при которых происходит внезапное высвобождение газов из магмы, могут вызывать быстрое движение расплавленной породы. При контакте магмы с водой – морской, озерной или грунтовой – она может быстро фрагментироваться. Быстрое расширение газов является движущей силой большинства взрывных вулканических извержений. Однако значительная часть выбросов вулканических газов происходит во время квазинепрерывных спокойных фаз активного вулканизма.
Низкотемпературные вулканические газы и гидротермальные системы
Когда поднимающийся магматический газ встречается с метеорной водой в водоносном горизонте, образуется пар. Скрытая магматическая теплота также может приводить к подъему метеорных вод в парообразном состоянии. Продолжительное взаимодействие этой горячей смеси с расплавленной породой может выщелачивать компоненты из охлаждающейся магматической породы и вмещающих пород, вызывая изменения объема, фазовые переходы и химические реакции, что приводит к увеличению ионной силы восходящего флюида. Этот процесс также понижает pH флюида. Охлаждение может вызывать разделение фаз и осаждение минералов, сопровождаемое переходом к более восстановительным условиям. На поверхности таких гидротермальных систем низкотемпературные вулканические газы (<400 °C) проявляются либо в виде парогазовых смесей, либо в растворенном виде в горячих источниках. На дне океана такие горячие пересыщенные гидротермальные флюиды формируют гигантские трубчатые структуры, известные как черные курильщики, в месте их выброса в холодную морскую воду. В течение геологического времени этот процесс гидротермального выщелачивания, изменения и/или переотложения минералов во вмещающих породах является эффективным процессом концентрации, формирующим определенные типы экономически ценных рудных месторождений.
Выброс неразрывных вулканических газов
Выброс газа может происходить посредством адвекции через трещины или диффузным выходом газа через обширные участки проницаемой почвы в виде диффузных структур дегазации (DDS). В зонах адвективной потери газа осаждение серы и редких минералов формирует залежи серы и небольшие серные дымники, называемые фумаролами. Фумарольные структуры с очень низкой температурой (ниже 100 °C) также известны как сольфатары. Участки холодного дегазирования, состоящего преимущественно из углекислого газа, называются мофеттами. Горячие источники на вулканах часто содержат измеримое количество магматического газа в растворенном виде.
Вулканические газы и мониторинг вулканов
Некоторые компоненты вулканических газов могут демонстрировать очень ранние признаки изменения условий в глубине, что делает их мощным инструментом для прогнозирования неминуемой активизации. При использовании совместно с данными мониторинга сейсмичности и деформации, комплексный мониторинг значительно повышает эффективность. Мониторинг вулканических газов является стандартным инструментом любой вулканологической обсерватории. К сожалению, для получения наиболее точных данных о составе по-прежнему необходимы опасные полевые работы по отбору проб. Однако технологии дистанционного зондирования значительно продвинулись в 1990-х годах. Проект "Выброс углерода из глубин Земли" использует многогазовое дистанционное зондирование (Multi GAS) для непрерывного мониторинга 9 вулканов.
Опасности
Вулканические газы были непосредственно ответственны примерно за 3% всех случаев гибели людей, связанных с вулканами, в период с 1900 по 1986 год. Некоторые вулканические газы убивают посредством кислотной коррозии, другие – удушья. Некоторые вулканические газы, включая диоксид серы, хлористый водород, сульфид водорода и фтористый водород, реагируют с другими атмосферными частицами, образуя аэрозоли.