Щитовые вулканы: формирование, характеристики и примеры.

Введение

Низкопрофильный вулкан обычно формируется почти полностью из потоков текучей лавы.

Щитовой вулкан – это тип вулкана, названный так из-за его низкого профиля, напоминающего щит, лежащий на земле. Он образуется в результате извержения высокожидкой (с низкой вязкостью) лавы, которая течет на большее расстояние и формирует более тонкие потоки, чем более вязкая лава, извергаемая из стратовулкана. Повторяющиеся извержения приводят к постепенному накоплению широких слоев лавы, формируя характерную форму щитового вулкана. Щитовые вулканы встречаются везде, где текучая лава с низким содержанием кремнезема достигает поверхности скалистой планеты. Однако они наиболее характерны для вулканизма океанических островов, связанного с горячими точками, или для вулканизма в зонах континентальных разломов. Среди них – крупнейшие действующие вулканы на Земле, такие как Мауна-Лоа. Гигантские щитовые вулканы встречаются и на других планетах Солнечной системы, например, Олимп на Марсе и Сапа Монс на Венере.

Этимология

Термин «щитовой вулкан» происходит от немецкого термина Schildvulkan, введенного австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1888 году и заимствованного в английский язык к 1910 году.

Структура

Щитные вулканы отличаются от трех других основных типов вулканов – стратовулканов, куполов лавы и шлаковых конусов – по своей структурной форме, являющейся следствием их специфического магматического состава. Из этих четырех типов щитовые вулканы извергают лаву с наименьшей вязкостью. В то время как стратовулканы и купола лавы формируются из высоковязких потоков, а шлаковые конусы состоят из взрывоопасных изверженных тефры, щитовые вулканы образуются в результате спокойных эффузивных извержений высокожидкой лавы, которая со временем формирует широкую, плавно наклонённую, характерную форму "щита". Примером фельзического щита является хребет Ильгачуз в Британской Колумбии, Канада. Щитовые вулканы по своему происхождению схожи с обширными лавовыми плато и базальтовыми наводнениями, встречающимися в различных частях света. Это извергательные образования, возникающие вдоль линейных разломов, которые отличаются от щитовых вулканов отсутствием чётко выраженного первичного извергающего центра. Вершина крупнейшего надводного вулкана в мире, Мауна-Лоа, возвышается над уровнем моря, а диаметр вулкана у основания превышает 97 километров. По оценкам, он содержит около базальта. Учитывая оседание вулкана и его высоту над дном океана, "истинная" высота Мауна-Лоа с момента начала его извержений составляет примерно гору Эверест, для сравнения. В 2013 году группа ученых под руководством Уильяма Сегера из Университета Хьюстона объявила об открытии массива Таму, огромного потухшего подводного вулкана площадью приблизительно, который превосходит по размерам все ранее известные вулканы на Земле. Однако точные границы вулкана пока не подтверждены. Хотя изначально массив Таму считался щитовым вулканом, в 2019 году Сенгер и его коллеги признали, что Таму Массив не является щитовым вулканом. Щитовые вулканы характеризуются пологим (обычно от 2° до 3°) склоном, который постепенно становится круче с увеличением высоты (достигая примерно 10°), а затем выравнивается вблизи вершины, образуя общую выпуклую вверх форму. Эти характеристики склона коррелируют с возрастом лавы: в случае Гавайских островов крутизна увеличивается с возрастом, поскольку более поздние лавы, как правило, более щелочные и, следовательно, более вязкие, с более толстыми потоками, которые проходят меньшее расстояние от жерла. По высоте они обычно составляют примерно одну двадцатую своей ширины. Хотя общая форма "типичного" щитового вулкана мало изменяется во всем мире, существуют региональные различия в их размерах и морфологических особенностях. Типичные щитовые вулканы, обнаруженные в Калифорнии и Орегоне, имеют диаметр и высоту.

Shield volcanoes are distinguished from the three other major volcanic types—stratovolcanoes, lava domes, and cinder cones—by their structural form, a consequence of their particular magmatic composition. Of these four forms, shield volcanoes erupt the least viscous lavas. Whereas stratovolcanoes and lava domes are the product of highly viscous flows, and cinder cones are constructed of explosively eruptive tephra, shield volcanoes are the product of gentle effusive eruptions of highly fluid lavas that produce, over time, a broad, gently sloped eponymous "shield". an example of a felsic shield is the Ilgachuz Range in British Columbia, Canada. Shield volcanoes are similar in origin to vast lava plateaus and flood basalts present in various parts of the world. These are eruptive features which occur along linear fissure vents and are distinguished from shield volcanoes by the lack of an identifiable primary eruptive center. The summit of the largest subaerial volcano in the world, Mauna Loa, lies above sea level, and the volcano, over 60 mile (97 km) wide at its base, is estimated to contain about of basalt. Accounting for this subsidence and for the height of the volcano above the sea floor, the "true" height of Mauna Loa from the start of its eruptive history is about Mount Everest, by comparison, is in height. In 2013, a team led by the University of Houston's William Sager announced the discovery of Tamu Massif, an enormous extinct submarine volcano, approximately in area, which dwarfs all previously known volcanoes on Earth. However, the extents of the volcano have not been confirmed. Although Tamu Massif was initially believed to be a shield volcano, Sanger and his colleagues acknowledged in 2019 that Tamu Massif is not a shield volcano. Shield volcanoes feature a gentle (usually 2° to 3°) slope that gradually steepens with elevation (reaching approximately 10°) before flattening near the summit, forming an overall upwardly convex shape. These slope characteristics have a correlation with age of the forming lava, with in the case of the Hawaiian chain, steepness increasing with age, as later lavas tend to be more alkali so are more viscous, with thicker flows, that travel less distance from the summit vents. In height they are typically about one twentieth their width. Although the general form of a "typical" shield volcano varies little worldwide, there are regional differences in their size and morphological characteristics. Typical shield volcanoes found in California and Oregon measure in diameter and in height,

Рифтовые зоны – распространенная особенность щитовых вулканов, редко встречающаяся у других типов вулканов. Большая, децентрализованная форма гавайских вулканов контрастирует с меньшими, более симметричными исландскими вулканами.

Характеристики эрупции

Большая часть того, что известно о характере извержений щитовых вулканов, получена из исследований вулканов острова Гавайи – наиболее интенсивно изученных щитов благодаря их научной доступности. Остров дал название медленно текущим, эффузивным извержениям, типичным для щитового вулканизма, известным как гавайские извержения. Эти извержения, наименее взрывоопасные из всех вулканических явлений, характеризуются эффузивным излиянием высокожидкой базальтовой лавы с низким содержанием газов. Эта лава преодолевает значительно большее расстояние, чем лава других типов извержений, прежде чем застыть, формируя чрезвычайно широкие, но относительно тонкие магматические листы, часто толщиной менее метра. Небольшие объемы такой лавы, наслоенные в течение длительного времени, медленно формируют характерный низкий, пологий профиль зрелого щитового вулкана. В отличие от других типов извержений, гавайские извержения часто происходят по децентрализованным трещинным жерлам, начинаясь с обширных "огненных завес", которые быстро угасают и концентрируются в определенных местах в рифтовых зонах вулкана. Извержения из центральных жерл, в свою очередь, часто принимают форму крупных лавовых фонтанов (как непрерывных, так и эпизодических), достигающих высоты в сотни метров и более. Частицы, выбрасываемые лавовыми фонтанами, обычно остывают в воздухе до достижения земли, образуя скопления шлаковых фрагментов. Однако, когда воздух особенно насыщен пирокластическими частицами, они не успевают остыть из-за окружающей жары и достигают земли все еще горячими, формируя конусы брызг. При достаточно высокой скорости извержения могут даже образовываться лавовые потоки, питаемые брызгами. Гавайские извержения часто отличаются исключительной продолжительностью: конус Пуу-Оо на Килауэа извергался непрерывно с 3 января 1983 года по апрель 2018 года. Хотя большинство щитовых вулканов по объему почти полностью состоят из гавайского и базальтового материала, они редко бывают исключительно такими. Некоторые вулканы, такие как гора Врангеля на Аляске и Кофре-де-Пероте в Мексике, демонстрируют значительные колебания в своих исторических магматических характеристиках извержения, что ставит под сомнение их строгую классификацию; одно геологическое исследование Кофре-де-Пероте даже предложило термин "комплексный щитовидный вулкан". Большинство зрелых щитовых вулканов имеют несколько шлаковых конусов на своих склонах – результат выбросов тефры, характерных для непрерывной активности, и индикаторы действующих и бывших активных участков вулкана. Гавайские щитовые вулканы не расположены вблизи границ тектонических плит; вулканическая активность этой островной цепи обусловлена движением океанической плиты над мантийным плюмом, известным как горячая точка. За миллионы лет тектонические движения, перемещающие континенты, также создают длинные вулканические цепочки на дне океана. Гавайские и Галапагосские щиты, а также другие щиты, образованные над горячими точками, состоят из базальта океанических островов. Их лавы характеризуются высоким содержанием натрия, калия и алюминия. Лавовые трубки – это пещерообразные вулканические каналы, образованные затвердеванием поверхностной лавы. Эти структуры способствуют дальнейшему распространению лавы, поскольку стенки трубки изолируют ее. Лавовые трубки могут быть причиной значительной части активности щитовых вулканов; например, по оценкам, 58% лавы, формирующей Килауэа, поступает по лавовым трубкам.

Most of what is currently known about shield volcanic eruptive character has been gleaned from studies done on the volcanoes of Hawaii Island, by far the most intensively studied of all shields because of their scientific accessibility; the island lends its name to the slow moving, effusive eruptions typical of shield volcanism, known as Hawaiian eruptions. These eruptions, the least explosive of volcanic events, are characterized by the effusive emission of highly fluid basaltic lavas with low gaseous content. These lavas travel a far greater distance than those of other eruptive types before solidifying, forming extremely wide but relatively thin magmatic sheets often less than thick. Low volumes of such lavas layered over long periods of time are what slowly constructs the characteristically low, broad profile of a mature shield volcano. Also unlike other eruptive types, Hawaiian eruptions often occur at decentralized fissure vents, beginning with large "curtains of fire" that quickly die down and concentrate at specific locations on the volcano's rift zones. Central vent eruptions, meanwhile, often take the form of large lava fountains (both continuous and sporadic), which can reach heights of hundreds of meters or more. The particles from lava fountains usually cool in the air before hitting the ground, resulting in the accumulation of cindery scoria fragments; however, when the air is especially thick with pyroclasts, they cannot cool off fast enough because of the surrounding heat, and hit the ground still hot, accumulating into spatter cones. If eruptive rates are high enough, they may even form splatter fed lava flows. Hawaiian eruptions are often extremely long lived; Puʻu ʻŌʻō, a cinder cone of Kīlauea, erupted continuously from January 3, 1983, until April 2018. Although most shield volcanoes are by volume almost entirely Hawaiian and basaltic in origin, they are rarely exclusively so. Some volcanoes, such as Mount Wrangell in Alaska and Cofre de Perote in Mexico, exhibit large enough swings in their historical magmatic eruptive characteristics to cast strict categorical assignment in doubt; one geological study of de Perote went so far as to suggest the term "compound shield like volcano" instead. Most mature shield volcanoes have multiple cinder cones on their flanks, the results of tephra ejections common during incessant activity and markers of currently and formerly active sites on the volcano. The Hawaiian shield volcanoes are not located near any plate boundaries; the volcanic activity of this island chain is distributed by the movement of the oceanic plate over an upwelling of magma known as a hotspot. Over millions of years, the tectonic movement that moves continents also creates long volcanic trails across the seafloor. The Hawaiian and Galápagos shields, and other hotspot shields like them, are constructed of oceanic island basalt. Their lavas are characterized by high levels of sodium, potassium, and aluminium. Lava tubes are cave like volcanic straights formed by the hardening of overlaying lava. These structures help further the propagation of lava, as the walls of the tube insulate the lava within. Lava tubes can account for a large portion of shield volcano activity; for example, an estimated 58% of the lava forming Kīlauea comes from lava tubes.

Гавайская цепь императора

Самая большая и наиболее заметная в мире цепь щитовых вулканов — это Гавайско-Имперская цепь подводных гор, цепь вулканов горячей точки в Тихом океане. Вулканы следуют чёткой закономерности эволюции, роста и угасания. Цепь содержит по меньшей мере 43 крупных вулкана, а подводная гора Мэйдзи на её конце вблизи Курильско-Камчатского желоба имеет возраст 85 миллионов лет. Самой молодой частью цепи являются Гавайи, где вулканы характеризуются частыми рифтовыми извержениями, их большим размером (тысячи км³ в объёме) и грубой, рассредоточенной формой. Рифтовые зоны — заметная особенность этих вулканов и объясняют их кажущуюся случайную вулканическую структуру. В цепь входит Мауна-Лоа, щитовой вулкан, возвышающийся над уровнем моря и простирающийся ещё ниже уровня воды и в земную кору, примерно из горной породы. Галапагосские острова расположены на обширном лавовом плато, известном как Галапагосская платформа. Эта платформа создаёт небольшую глубину воды у основания островов, которые простираются на 280 км в диаметре. Серро Азуль — щитовой вулкан в юго-западной части острова Изабела и один из самых активных на Галапагосах, последнее извержение которого произошло между маем и июнем 2008 года. Институт геофизики Национальной политехнической школы в Кито содержит международную команду сейсмологов и вулканологов, отвечающих за мониторинг многочисленных действующих вулканов Эквадора в Андском вулканическом поясе и на Галапагосских островах. Ла-Кумбре — активный щитовой вулкан на острове Фернандина, извергающийся с 11 апреля 2009 года. Галапагосские острова геологически молоды для такой большой цепи, и схема их рифтовых зон соответствует одной из двух тенденций: северо-северо-западной и восточно-западной. Состав лав щитов Галапагосских островов поразительно похож на состав лав гавайских вулканов. Любопытно, что они не образуют той же вулканической "линии", которая характерна для большинства горячих точек. Они не одиноки в этом отношении: цепь Кобб-Эйкельберг в Северной части Тихого океана — ещё один пример подобной вытянутой цепи. Кроме того, нет чёткой закономерности возраста между вулканами, что указывает на сложную, нерегулярную схему их образования. То, как образовались острова, остаётся геологической загадкой, хотя было предложено несколько теорий.

The largest and most prominent shield volcano chain in the world is the Hawaiian–Emperor seamount chain, a chain of hotspot volcanoes in the Pacific Ocean. The volcanoes follow a distinct evolutionary pattern of growth and death. The chain contains at least 43 major volcanoes, and Meiji Seamount at its terminus near the Kuril–Kamchatka Trench is 85 million years old. The youngest part of the chain is Hawaii, where the volcanoes are characterized by frequent rift eruptions, their large size (thousands of km3 in volume), and their rough, decentralized shape. Rift zones are a prominent feature on these volcanoes and account for their seemingly random volcanic structure. The chain includes Mauna Loa, a shield volcano which stands above sea level and reaches a further below the waterline and into the crust, approximately of rock. The Galápagos Islands are perched on a large lava plateau known as the Galápagos Platform. This platform creates a shallow water depth of at the base of the islands, which stretch over a 174 mile (280 km) diameter. Cerro Azul is a shield volcano on the southwestern part of Isabela Island and is one of the most active in the Galapagos, with the last eruption between May and June 2008. The Geophysics Institute at the National Polytechnic School in Quito houses an international team of seismologists and volcanologists whose responsibility is to monitor Ecuador's numerous active volcanoes in the Andean Volcanic Belt and the Galapagos Islands. La Cumbre is an active shield volcano on Fernandina Island that has been erupting since April 11, 2009. The Galápagos islands are geologically young for such a big chain, and the pattern of their rift zones follows one of two trends, one north northwest, and one east–west. The composition of the lavas of the Galápagos shields are strikingly similar to those of the Hawaiian volcanoes. Curiously, they do not form the same volcanic "line" associated with most hotspots. They are not alone in this regard; the Cobb–Eickelberg Seamount chain in the North Pacific is another example of such a delineated chain. In addition, there is no clear pattern of age between the volcanoes, suggesting a complicated, irregular pattern of creation. How the islands were formed remains a geological mystery, although several theories have been proposed.

Исландия

Расположенная над Срединно-Атлантическим хребтом, зоной расхождения тектонических плит в середине Атлантического океана, Исландия является местонахождением около 130 вулканов различных типов. Они сложены толеитовым оливиновым или пикритовым базальтом. Толеитовые щиты, как правило, шире и положе, чем пикритовые щиты. Они не следуют закономерности роста и разрушения кальдер, характерной для других щитовых вулканов; кальдеры могут формироваться, но обычно не исчезают. Самый активный щитовой вулкан в Африке – Ньямурагира. Извержения на этом щитовом вулкане обычно происходят в пределах большой кальдеры на вершине или вдоль многочисленных трещин и шлаковых конусов на склонах вулкана. Лавовые потоки за последнее столетие распространяются по склонам в большей степени, чем от вершины, достигая озера Киву. Эрта-Але в Эфиопии – еще один активный щитовой вулкан и одно из немногих мест в мире с постоянным лавовым озером, которое существует, по крайней мере, с 1967 года, а возможно, и с 1906 года. Также к ним относится гора Марсабит в Кении.

Инопланетные щитовые вулканы

Щитные вулканы не ограничиваются Землей; они обнаружены на Марсе, Венере и спутнике Юпитера, Ио. Щитные вулканы Марса очень похожи на земные. На обеих планетах они характеризуются пологими склонами, кратерами обрушения вдоль центральной структуры и образованы высокожидкой лавой. Вулканические образования на Марсе были замечены задолго до их детального изучения в ходе миссии "Викинг" в 1976–1979 годах. Главное отличие вулканов Марса от земных заключается в их размерах: марсианские вулканы достигают высоты 23 км и диаметра 595 км, что значительно превышает высоту 10 км и ширину 119 км гавайских щитов. Самый высокий из них, Олимп Монс, является самой высокой известной горой в Солнечной системе. На Венере обнаружено более 150 щитовых вулканов, которые гораздо более плоские и имеют большую площадь поверхности, чем на Земле, некоторые достигают диаметра более чем 400 метров. Хотя большинство из них давно потухли, наблюдения космического аппарата "Венера-Экспресс" позволяют предположить, что многие из них могут быть все еще активны.