Таким образом, на общем фоне географической зональности процессы ландшафтообразования в океане в значительной мере контро-лируются геологическим строением и рельефом.

Земная кора с присущими ей особенностями геологического стро-ения и рельефа - основа, на которой формируются подводные ландшафты.

Моря и океаны можно рассматривать как сложные системы, с бесчисленными процессами трансформации вещества, поступающего через геохимические барьеры, результатом которых являются средние элементные составы вод, осадков и т.п.

Цикл химических реакций (буферной системы морских вод) позволяет, несмотря на значительные внешние воздействия, сохранить пропорции характерные для водных масс за счет динамики выведения определенных компонентов в осадок и повторного растворения. Хотя 60% солей, поступающих в океан с речной водой, относится к карбонатам, CaCO₃ насыщает воды у экватора (до 300%_о) и легко выводится в осадок (и для образования скелетов морских организмов и т.п.). За время существования океана им выведено в осадок во много раз больше солей, чем растворено в нем сейчас. Общий уровень соленности неизменен в течение сотен миллионов лет.

В океане широко изменяется количество растворенных О и СО₂, последнего в океане примерно в 60 раз больше, чем в атмосфере. Океан содержит около 4×10¹² т углерода в растворе, на суше его примерно в 20 раз меньше. Органо-неорганическое превращение углерода в океане –«биологический насос» уменьшает концентрацию СО₂ в верхнем слое океана, а также в атмосфере, и увеличивает содержание С в глубоких частях вод (рис. 4.4). Это важная роль долгосрочной аккумуляции углерода.

Концентрация Р минимальна в низких широтах и максимальна в полярных. В глубоководных зонах выявлены многочисленные проявления гидротермальных источников, привносящих сюда вулканические газы.

Рис. 4.4. Наблюдаемые изменения концентрации растворенного

неорганического углерода (å СО2) в Мировом океане

С точки зрения протекания биогеохимических процессов гидросфера распадается как минимум на два основных слоя: аэробный и анаэробный (рис.4.5). Между ними постоянно существует часто подвижная граница, выполняющая значение геохимического барьера, связанного со сменой знака окислительно-восстановительного потенциала (Eh).

Именно здесь идет химическая трансформация, сопровождающаяся биологическими процессами поглащения и выделения энергии, с сопутствующим обменом между аэробным и анаэробным слоями, что характерно для открытых поликомпонентных саморазвивающихся систем.

Основой для разделения этих слоев являются особенности био- и гидрохимических процессов синтеза и деструкции органического вещества. Определяющий аэробный слой процессы - фотосинтез (преимущественно морским фитопланктоном) и разложение отмирающей органики. Соотношение продуцирования и деструкции изменяется с глубиной, и ниже слоя фотосинтеза господствуют процессы окисления.

При минерализации органического вещества (ОВ), входящие в его состав N и P, при достаточном количестве кислорода окисляются до нитратов и фосфатов:

(CH₂O)₁₀₆(NH₃)₁₆H₃ PO₄+138О₂ «106 СО₂+122 Н₂О+16 NO₃+ H₃PO₄.

Окислительно-восстановительные условия ниже резко меняются и биохимические процессы становятся явно анаэробными.

Восстановление сульфатов до сульфидов проявляется в виде свободного сероводорода. В качестве промежуточных восстановленных форм образуются сульфиты и тиосульфаты.

При минерализации ОВ в анаэробных условиях N выделяется в виде аммиака (иона аммония):

(СH₂O)₁₀₆(NH₃)₁₆H₃PO₄+53SO₄^2- ® 106CO₂+53S² +16NH₃+106H₂O+H₃PO₄.

Переходный слой может иметь толщину от нескольких миллиме-тров до сотен метров. Процесс денитрификации определяет верхнюю границу переходного слоя; начало окисления сероводорода и исчезновение кислорода - нижнюю.

Рис. 4.5. Схема биохимических основ сосуществования аэробного и анаэробного слоев гидросферы

С уменьшением содержания кислорода и сменой знака Eh на отрицательный, в соответствии с термодинамической последовательностью, идут реакции восстановления нитратов, соединений Mn, Fe и сульфатов с активным участием бактерий. Слой, в котором восстановленные формы серы существуют одновременно с кислородом, называется слоем сосуществования (с-слой).

Продолжительность обмена воды в океане около 3000 лет.

Крайне важны, как крупные резервуары преимущественно пресных вод, внутриконтинентальные озерно-речные системы и искусственные водохранилища.

Считается, что регулирование речного стока плотинами увеличивает возобновимые водные ресурсы на 25%. Сейчас в мире более 1 млн водохранилищ объемом 6000 км³. В результате динамика вод, водообмен зарегулированных речных систем снижен с 20 до 100 суток. Изменяется природный гидрологический режим рек. Осуществляются переброски речного стока, масштабы которых выросли за последний век с 0,5 км³ в год до 10 км³.

Наиболее сложные обстановки характеризуют речные системы - наиболее тонкое и уязвимое звено, имеющее чрезвычайное значение для жизни на Земле.

Все больше головной боли доставляет переэксплуатация подземных вод, приводящая к их истощению, загрязнению и проседаниям земной поверхности.

2. Динамика гидросферы

Таким образом, функционирование гидрогеологического звена идет в двух взаимопротивоположных направлениях: фиксируется относительно устойчивая динамическая структура океана и, одновременно, идет разрушение этих структур с выравниванием градиентов физико-химических свойств морской воды. Но процессы упорядочения гидроклиматических характеристик преобладают: в водах океана сформирован квазастационарный режим определеных динамических структур.

Благодаря инерционности водных масс, гидрологические структуры относительно устойчивы во времени, но имеют зыбкие и расплывчатые границы. Спусковой механизм функционирования гидрогеологического звена находится в поверхностной толще.

Чем же определяются и как развиваются океанические течения? Неравномерный нагрев Земли Солнцем формирует барические центры атмосферных минимумов и максимумов, а затем систем атмосферной циркуляции. Неравномерное поле ветра порождает систему дрейфовых течений, которая, сочетаясь с действием отклоняющей силы Кориолиса, определяет основную картину циркуляции поверхностных вод (рис. 4.6).

На динамику океанических вод накладываются термодинамические явления (солевой и тепловой баланс). Перенос тепла с океаническими течениями достаточно хорошо известен (рис. 4.7). Однако, следует подчеркнуть, что он достаточно изменчив и во времени.

При постоянном перемещении водных масс они сходятся (конвергируют) и расходятся (дивергируют). То есть существует и вертикальное перемешивание вод.

Выясняется все более существенная роль глубинных течений (противотечений) - рис. 4.8.

Появились уточненные сведения о наличие на континентальных подножиях придонных геострофических (оборотных) горизонтальных течений.

Важное значение имеют восходящие (апвеллинг) и нисходящие (даунвеллинг) прибрежные морские течения, имеющие, как теперь достаточно достоверно установлено, важное экологическое значение.

Рис. 4.6. Схема циркуляции поверхностных вод океана

1 - береговая линия; 2 - направления перемещения основных потоков; 3 - главные океанические фронты: э - экваториальный, сэ- субэкваториальный, т - тропический, сп - субполярный, п - полярный; 4 - конвергенция; 5 - дивергенция.

Макроциркуляционные системы: I - антициклоническая экваториальная; II – циклоническая тропическая; III – антициклоническая субтропическая; IV - циклоническая высокоширотная; V – антициклоническая арктическая

Рис. 4.7. Перенос тепла океаническими течениями

Заштрихованы районы с более теплыми поверхностными водами.

Числа обозначают объемы переноса воды (млн м³/с ^-1),а стрелки - направления течений. Хорошо видна система Гольфстрим, отепляющая пространства Западной Европы

В перемешивании океанических вод велика и роль рельефа дна, отражающегося на направлении глубинных течений. Суть этого азонального фактора физико-химической дифференциации Мирового океана глубоко раскрывает Я.Я. Гаккель: " Подобно тому, как пересеченный рельеф земной поверхности играет огромную роль в распределении воздушных потоков, обтекающих встречаемые ими на своем пути препятствия, морские течения подвергаются столь же, если не большему влиянию со стороны морского дна. Грубо говоря, чем пересеченнее рельеф суши и морского дна, чем более он горист и чем больше разность высот в смежных районах и областях, тем значительнее влияние рельефа на движение воздушных и водных масс и, более того, на метеорологические особенности этих районов. Над сушей это сказывается на характере гидрометеорологических, аэрологических и синоптических процессов, на циркуляции атмосферы и вообще на климате. Над морским дном и на нем самом это сказывается в тех же по своей сути гидроклиматических, гидросиноптических и циркуляционных (морских течениях) особенностях моря (тем более океана).

Рис. 4.8. Основные глубинные течения Мирового океана

1 – течения, направленные на север; 2 – течения, направленные на юг; антарктические придонные воды: 3 – оси течений, 4 – направление течений, рассчитанное по принципу температур, 5 - изобаты

3. Важнейшие экологические проблемы,

связанные с состоянием гидросферы

Экологические проблемы, связанные с состоянием гидросферы, весьма разнообразны. К главным из них можно отнести деградацию вод и разрыв системы река-море, эвтрофизацию, асидификацию, адвективный перенос загрязнений, а также такое новое явление как феномен Эль-Ниньо.

Деградация вод и разрыв системы река-море

В деградации - ухудшении качества вод особенно велика роль антропогенной составляющей. Главный пользователь пресной воды - ирригация (65% забираемых в мире вод). Доля промышленности около 25%. 10% приходится на коммунальные системы водоснабжения. Величина сброса вод составляет около 700 км³ в год. Вклад источников загрязнения Мирового океана оценивается так: сток загрязнений с суши составляет 40%, выпадение из атмосферы - менее 40%, транспортные и прочие источники на море - менее 20%. В том числе, сброс по рекам России 59,3 км³ (1997 г.), из них загрязненных сточных вод около 30 км³, при средней величине стока 4260 км³ в год.

Воды могут быть загрязнены патогенами, органическими и механическими взвешенными веществами, а также нефтепродуктами и металлическими компонентами. Обычный уровень разбавления сточных вод речными 10-12 раз, не менее. Но дальнейшее разбавление уже нисколько не решает проблему: «Solution to pollution is not dilution».

Около 80% заболеваний связано с некачественной водой. 1 млрд. людей не обеспечено чистой питьевой водой, и столько же канализацией.

При патогенном заражении от диарреи умирают до 3 млн детей в возрасте до 5 лет. 700000 жителей США заражаются криптоспориодизом и т.д.

Сликами нефти загрязнено до 1/3 акваторий морей. Большинство речных систем мира несут воды, которые непригодны для непосредственного использования в пищу. Интенсивно загрязняются такие уникальные кладовые пресной воды как Байкал, в котором сосредоточено 3/4 запасов мира (и 4/5 России).

Нарушена и разрушается связь реки-водоемы и в том числе реки-моря. Большой разбор вод на ирригацию и другие нужды приводит к резкому снижению водности рек в их приустьвой части (рис. 4.9), и даже полному разрыву, как это случилось с Аральским морем, превратившимся в умирающие соленые и токсичные остаточные водоемы.

Происходит в значительных масштабах засоление речных вод морскими по тем же причинам, включая подземные артезианские воды при их сверхинтенсивной эксплуатации.

Сохранение пресных качественных вод на Земле - одна из самых актуальных глобальных проблем жизнеобеспечения.

Эвтрофизация

Свое название это явление получило по высокой (хорошей - эв) питательности (трофе - питание) вод, что зачастую связано с накоплением в водоемах биогенных веществ и, в первую очередь, N и Р. Часто это свидетельство глубоких антропогенных изменений в глобальных биогеохимических циклах этих компонентов, особенно в связи с сельскохозяйственной деятельностью с широким использованием минеральных удобрений. Оно уже затрагивает не только внутренние водоемы, но и прибрежные акватории морей. Прежде всего, это проявляется в «цветении вод» - широком развитии циановых водорослей, способных при их интенсивном развитии отравить воды выделяющими ими ядами, что резко сказывается на составе и количестве биоты.

Рис. 4.9. Изменение годового стока некоторых рек Евразии

Принципиальная направленность этого процесса – изменение круговорота органического вещества (ОВ), являющегося частью круговорота углерода. Одновременно эвтрофизация влечет и противоположный процесс - усиление минерализации ОВ и высвобождения C, N и P. При эвтрофизации водоемов усиливается интенсивность круговорота ОВ, возрастает скорость его продуцирования и деструкции, что определяется не только температурным фактором, но и высоким уровнем обеспеченности первичных продуцентов питанием. При ускорении круговорота ОВ в экосистеме может снизиться его запас и этим усиливается оборот питательных веществ и вынос их за пределы водоема - в атмосферу и речную сеть.

В глубинных водоемах водная толща не однородна: вверху находится зона фотосинтеза, внизу преобладают процессы деструкции ОВ. Поверхность дна изолируется оседающей органо-минеральной взвесью.

Деструкция ОВ в подобных водоемах нередко даже превышает его продукцию и тогда в оборот биогенных элементов вкючается органическое вещество, которое ранее депонировалось в донные осадки.

В связи с этим идет переоценка эффективности действия многих гидротехнических систем в связи с негативными экологическими последствиями, но одновременно происходит еще и сооружение крупнейшего в мире водохранилища Три Ущелья на р. Янцзы в Китае и огромного Юго-Восточного Анатолийского гидрокомплекса в бассейнах рек Тигра и Евфрата в Турции.

Особенно это опасно в сочетании с засолением внутренних водоемов внутристочных областей и бессточных депрессий, которые занимают до 1/4 площади суши (35 млн км²).

Асидификация водоемов

Асидификация для природных вод означает достижение кислотности рН равной или меньшей 5. Масштабы этого явления для озерных сред отдельных регионов приобрели массовый характер.

Так, в Швеции из 85000 озер 4000 значительно асидифицированы, а 18000 периодически подкислены. В южной части Норвегии закислены тысячи озер, из них 1750 обезрыблены по этой причине. В Финляндии кислотными являются 500 озер из 8000. Показатель рН вод за 30 лет вырос более чем в 10 раз. Асидифицированы некоторые озера в Канаде, США, Великобритании, Германии, Нидерландах, Австрии, Швейцарии, то есть закисление вод приняло субконтинентальный характер.

Биологические процессы в пресных водоемах оптимальны при рН 6-8. В озерах восточной Канады и Скандинавии при рН равном 6 исчезают ракообразные, насекомые, некоторые водоросли, зоопланктон. Рыбные популяции исчезают при рН до 5, а ниже этого значения ограничивается и продукция земноводных. Контрмерой является известкование водоемов, причем в Швеции в нем нуждается до четверти площадей озер. Но при этом в бассейн привносится и ряд тяжелых металлов.

Адвентивный перенос

Под адвекцией понимается загрязнение вод течениями (морскими), на что до недавнего времени практически не обращалось внимание. Однако даже радиоактивное загрязнение арктических морей у Новой Земли показывает их чрезвычайно важную роль.

Учитывая, что динамика океанических вод чрезвычайно сложна, что имеется целый ряд систем восходящих течений, следует больше внимания придавать возможности циркуляции вод из глубоких морских впадин, которые в связи с этим вряд ли являются надежными депонаторами захороненных там радиоактивных контейнеров и сосудов с высокотоксичными компонентами.

Феномен Эль-Ниньо

Чтобы уяснить суть аномалии Эль-Ниньо рассмотрим обычную климатическую ситуацию этого региона. Она определяется Перуанским холодным течением (Гумбольдта), выносящим воды из Антарктики вдоль западных берегов Южной Америки до Галапогосских островов (на экваторе).

Пассаты, пересекая высокогорный барьер Анд, оставляют влагу на их восточных склонах. Западное побережье - это сухая каменистая пустыня. Пассаты вновь набирают влагу и переносят ее на западные берега Тихого океана. Эти ветры определяют и преобладающее западное направление поверхностных течений, вызывающих нагон воды в западной части Тихого океана, которые разгружаются противопассатным течением Кромвеля. В экваториальной зоне Тихого океана в полосе шириной 400 км на восток выносятся огромные массы воды на глубинах 50-300 м со скоростью 0,5 м/с. Это одно из наиболее мощных течений Мирового океана.

В связи с Перуанским течением в прибрежных перуанско-чилий-ских водах на площади в доли процента от площади Мирового океана добыча рыбы (в основном анчоуса) превышает 20% общемировой. Максимальная добыча в 1972 г. составила более 12 млн т. Обилие рыбы определяет колоссальные скопления рыбоядных птиц: бакланов, олуш, пеликанов. На птичьих базарах образуются огромные количества гуано - ценного N-P удобрения. Залежи его здесь достигают 50 м. Это объект эксплуатации и экспорта.

В годы Эль-Ниньо ситуация меняется. Температура вод повышается на несколько градусов. Наступает массовая гибель и уход рыбы, из-за снижения содержания растворенного кислорода. Исчезают птицы. Наступает кризис рыбной промышленности.

Атмосферное давление в восточной части Тихого океана падает.

Воздушные потоки меняют направление (с запада на восток). Они уносят влагу из Западнотихоокеанского региона и проливают дожди на восточные берега океана. У подножия Анд бушуют паводки, сели, наводнения. От страшной засухи выгорают тропические леса в Индонезии, на Новой Гвинее. Резко снижается урожайность сельскохозяйственных культур в Австралии и других странах Западно-Тихокеанского региона. От Чилийских берегов и до Калифорнии развиваются «красные приливы», вызванные бурным развитием микроскопических водорослей, из-за обилия которых морские организмы - фильтраторы, например устрицы, становятся ядовитыми. Они вызывают пищевое отравление у людей.

Гл. 5. ЛИТОСФЕРА

1. Состав и структура литосферы

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, имеющая большую прочность и переходящая без определенной резкой границы в нижележащую астеносферу, прочность вещества которой относительно мала. Литосфера включает земную кору и отделенную от нее геофизическим разделом Мохоровичича жесткую верхнюю часть верхней мантии Земли. Мощность ее колеблется от 50 до 200 км.

Рис. 5.1. Логарифмы атомных кларков элементов земной коры в

зависимости от порядкового номера Z соответствующих элементов

Сплошными линиями соединены четные элементы, пунктиром – нечетные

Таблица 5.1

Геохронология фанерозоя, по С.Л. Афанасьеву, и положение глобальных сейсмических разделов в истории эволюции тектоносферы Земли

Всего 8 химических элементов (O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K и Мg) слагают 99% всей массы земной коры и определяют, в основном, состав всех известных горных пород. Изучением распространения, миграцией, концентрацией и рассеиванием элементов занимается одна из геологических наук - геохимия, для которой "новой константой мира", по определению А.Е. Ферсмана, являются кларки – относительные содержания данного химического элемента в земной коре. Распределение их крайне неравномерно (рис. 5.1).

Существует общая сейсмическая расслоенность Земли, в которой выделяется до 9 крупных границ (табл. 5.1).

Из таблицы очевидна возможность выделения следующих основных разделов:

1. Нижняя граница педосферы (почв).

2. Нижняя граница земной коры (6-80 км).

3. Раздел Мохоровичича (в среднем 40-50 км).

4. Раздел "N" на глубине около 100 км. Это пограничный слой со сложной внутренней структурой, со сменой блокового строения верхов мантии на горизонтальную слоистую. На этой же границе наблюдается локальная изостатическая уровновешенность коры и верхней мантии. По существу, согласно Н.И. Павленковой, это внутрилитосферный раздел между верхней "жесткой" и нижней более пластической массами.

5. Раздел "L" (Ирмы Леманн) на глубине около 200 км.

6. Верхнемантийный "двадцатиградусный" четкий раздел на глубине 400 км.

7. Граница тектоносферы Земли на глубине 700-800 км - планетарный уровень, до которого известны очаги тектонических землетрясений. Ниже 750-800 км распределение скорости приближается к радиально-симметричному.

8. Мантийный раздел на глубине порядка 1600 км (наиболее слабо изучен).

9. Граница раздела мантии и ядра (примерно 3000 км).

Появилась идея объединения указанных разделов в единую систему, которая, по предварительным выводам, увязывается в качественно новые корреляционные связи между глобальной сейсмической расслоенностью и историей геологического развития Земли. Выявляется некоторая упорядоченность, проявляющаяся в том, что глубина разделов нормирована по отношению к радиусу Земли при кратности 2: R/2, R/4, R/8 и т.д.

Выявленный порядок разделов связывается со свойствами самоорганизации природной диссипативной (связанной с потерей энер-гии) системы Земля, что позволяет для изучения ее эволюции применить современный аппарат фрактальной геометрии и законы неравновесной термодинамики. Фрактальная геометрия устанавливает алгоритмический изоморфизм. Открытие Бенуа Мандельбротом фрактально организованных объектов позволило соединить описание геометрии мира форм с их эволюцией в едином пространственно-временном процессе развития природных систем.

Современная стратиграфическая шкала Земли, отражающая длительность и последовательность геотектонических циклов в ее историческом развитии, управляется фрактальным алгоритмом (система вычислений по строго определенным правилам), подобным алгоритму формирования системы глобальной сейсмической расслоенности Земли.

Современная ее морфология есть результатирующая программа взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов.

2. Динамические процессы литосферного характера

К эндогенным литосферным процессам прежде всего относятся вулканизм и земле-(море-)трясения.

Прежде всего, должны быть учтены важнейшие тектонические единицы Земли – устойчивые платформы и динамичные орогенные пояса (рис. 5.2).

Вулканизм

Это самое интригующее, неистовое и завораживающее природное явление, широко распространенное на Земле (рис. 5.3). Научное изучение вулканов считается связанным с первым документальным описанием Плинием Младшим извержения Везувия 79 г. Но как же мы мало знаем о законах вулканической деятельности, несмотря на более чем 1900-летие (!) научных исследований. В 1966 г. наш соотечественник ученый-вулканолог В.И. Владовец подсчитал общую численность действующих на Земле вулканов как около 600, с числом извержений за историческое время близким к 3500, и пришел к выводу об относительном нарастании интенсивности вулканической деятельности с течением времени. И в том же 1966 г. американец Х.У. Менард, анализируя материалы предшествующих океанологических исследований, провел первый подсчет вулканических построек на дне Тихого океана - 2000 (!) и пришел к заключению, что только в этой акватории следует ожидать около 100000 вулканов высотой более 1 км. Это была научная сенсация.

Действительно, до этого считалось, что вследствие небольшого парциального давления паров воды, не превышающего 217,7 бар, на морских глубинах свыше 2000 м взрывные явления невозможны. Поэтому эксплозивная деятельность здесь должна полностью отсутствовать. Появились предположения, что в момент вулканического взрыва давление может достигать величин в несколько килобар. Тогда прежний теоретический запрет может быть снят и эксплозии становятся допустимыми на самых больших океанических глубинах.

Рис. 5.2. Тектонические единицы континентов: щиты и орогенные пояса

Области складчатости: 1 – палеоген-неогеновой; 2 – мезозойской; 3 – верхнепалеозойской; 4 – нижнепалеозойской; 5 – докембрийской (по Umbgrove., 1947)

Тепловая энергия земных недр, проявляемая при вулканических процессах, оценивалась в 3% от общих потерь тепла Землей (за последние 500 млн лет). Надо ли говорить, что с учетом новых данных о масштабах вулканизма в океанах, эта первоначальная цифра должна быть существенно скорректирована.

Энергия вулканизма может выражаться в так называемой магнитуде, характеризующей количество затраченной энергии в логарифмической шкале, или, по почину венгерского геофизика Хедервари, - в эквиваленте атомных бомб, при принятой энергии одной атомной бомбы 8,4×10¹⁴ Дж (8,4×10²¹ эрг, или 2×10¹⁴ кал), что соответствует 10-кратной энергии атомной

бомбы сброшенной на Хиросиму. Количество энергии при разовых вулканических извержениях может достигать 21547,6 эквивалентов атомных бомб, как это было при извержении Кракатау в 1883 г., и даже 171488,6 тех же единиц при эксплозиях вулкана Тамборо в 1815 г. Суммарный геоэнергетический эффект вулканической и гидротермальной деятельности оценивается в 0,17×10¹¹ Вт на платформах и в 1,7×10¹¹ Вт на островных дугах. Да в рифтовых зонах ежегодно извергается примерно 3,31-3,36 км³ ювенильного вещества и выделяется до 10×10¹¹Вт вулканогенной энергии.

Рис.5.3. Схема размещения современных вулканов на Земле

1 – континентальная кора, окружающая материки в пределах океанических акваторий; 2 – срединно-океанические спрединговые зоны растяжения (двойные линии) и трансформные разломы (одиночные линии) в осевых частях подводных горных хребтов; 3 – зоны субдукций («подныривания» океанических литосферных плит под континентальные); 4 – зоны коллизий (столкновений) литосферных плит; 5 – условные границы литосферных плит (вне зон спрединга, субдукций и коллизий); 6 – направления движений литосферных плит; 7 – континентальные и островные вулканы; 8 – подводные вулканы Тихоокеанской акватории (по Менарду)

Рост населения и распределение жизненно важных ресурсов (территорий, плодородных почв и т.п.) заставляет человечество научиться жить у вулканов. Так, например, в Индонезии отмечается прямая тесная зависимость между интенсивностью вулканической деятельности и плотностью населения. Это опасное соседство: учтенные людские потери при извержениях за период около 500 лет составили порядка 190-240 тыс. человек. А проживает сейчас в вулканических областях в опасной близости к вулканам 200 млн человек. Современные вулканогенные ландшафты и экосистемы занимают примерно 6,75 млн км² (4,5% территории суши).

Поражающими факторами при вулканических извержениях явля-ются тефровые (пепловые) эксплозии с палящими тучами и пепловыми потоками, лавовые эффузии, ядовитые вещества, лахары, а также тепловое и электроразрядные воздействия, загрязнение воздушных и водных масс.

Что же представляют из себя вулканические сооружения, каковы их масштабы?

Параметры вулканических построек различны. Размеры конусов в основании составляет сотни метров-километры, но могут достигать 400 км, как у Мауна-Лоа (Гавайи); высоты - сотни метров до 3,9 км, а в целом, вместе субвулканической частью, до 10 км (у него же). Кратеры имеют диаметры чаще 100-500 м, при глубинах в сотни метров и до 1,8 км (Пальма). Углы склонов пирокластических конусов достигают 30-40°, чаще составляя 10-35°; у щитовидных – менее 7-8°. Кальдеры могут достигать в диаметре 16-30 км (Исланд-Парк-Кальдера, штат Айдахо, США) - 40 км при объеме до 180 км³ (Тамборо). Подводные вулканы - гайоты имеют высоту над основанием дна в 300-3500 до 4500 м, обладая выровненной вершиной чаще на уровне 1800-1200 м от зеркала вод. В наземной экпозиции они вероятно представлены в Афари (северо-восточная Африка), где образуют горы высотой 300-400 м с диаметром в основании около 1000 м. Диаметр подобных построек вообще - несколько километров-несколько десятков километров. Углы круче чем у наземных (30-40°), но в среднем 20-22°. Промежуточную позицию в этом отношении занимают подводные извержения в зоне мелководий. Для Капелиньюша (Азорские острова) Г. Тазиев (1961) особенно подчеркивал, что хотя извержение и началось на морском дне, но оно почти сразу же превратилось в надводное. Особое место среди подводных извержений за-нимает Богослов (Алеутская дуга), который то исчезает, то появляется над поверхностью зеркала вод. Извержение сопровождается образованием куполов, растущих прямо с океанических глубин.

Есть и своеобразные подледные вулканы - резко выступающие конусо-цилиндры - star Исландии (table mountains).

Продолжительность извержений - от дней-месяцев (Кракатау – 3 месяца) - лет (Парикутина 9 лет) до тысячелетий. Ритм изменчив.

Так, для вулкана Лелхара (Япония) за 900 лет (между 634 и 1552 гг.) периоды затишья составляли от 115 до до 230 лет; с 1552 по 1938 гг. - всего 6-87 лет; с 1938 г. не превышают 10 лет.

Объем выброшенных вулканом твердых продуктов может быть огромен: по площади занимать до 827000 км² (Кракатау) и даже 4 млн км² (Косегвин, Карибское море, 1835 г.); по объему до 22-50-80 млн м³ (Галунггунг - Ява, Косигуина - Никарагуа); по мощности до 60 м. Высота выброса может составлять 30-43 км (Безымянный, Камчатка) и даже 80 км (Кракатау). При взрыве Тамборо была уничтожена гора на площади 630 км² диаметром 40 км и высотой 2850 м.

Объем лав при крупном групповом извержении Исландских вул-канов в 1783 г. достигал по площади 560 км², по мощности потоков до 35 м.

Согласно Е.К. Мархинину, объем горных пород при наиболее сильных экспозивных извержениях в период с 1800 по 1964 гг. измерялся величинами 10-28 и даже 186 (!) км³ (Тамборо, 1805 г.). По подсчетам Запера (1927), за примерно 400 лет (с 1500 по 1924 гг.) действующими вулканами поставлено около 50 км³ лав и почти 300 км³ рыхлого материала. Объем грязевого потока Электрон вулкана Рейнир (штат Вашингтон), сошедшего около 500 лет назад, составил около 150 млн м³, а более древний поток Осеола имел объем около 1,9 млрд. м³. Японский вулкан Галунггунг в 1822 г. выбросил из своего кратера поток объемом 30 млн м³.

По Х. Менарду, объем вулканических излияний только в Тихом океане составляет около 2,4×10⁷ км³. По Ферхугену (1946), объем всех известных плато-базальтов близок к 1×10⁷ км³. Средний темп накопления вулканических масс на дне Тихого океана 0,2 км³ в год.

На материках, по Куену (1950), за последние несколько сотен лет он составил около 1 км³. Однако, вулканические породы Тихого океана на площади 2×10⁷ км² накапливались в течении 10⁸ лет, тогда как на материках на площади 15×10⁷ км² - в течении 40×10⁸ лет. Таким образом, по мнению Х. Менарда, средняя интенсивность вулканизма на юго-западе Тихого океана была, по крайней мере, в несколько сот раз выше средней интенсивности вулканизма на материках.

Только на суше в биосферу ежегодно в среднем поступает примерно 0,65 км³ ювенильного вещества (0,18 км³/год на континентах и 0,47 км³/год в островодужных орогенах).

Скорость растекания лав изменяется от нескольких метров в сутки до 60 км/ч, продвижение палящих туч и пепловых потоков до более 160 км/ч. Температура лав 700-1300° С, палящих туч 700-1000° С, пепловых потоков - свыше 535° С. Скорость грязевых вулканических потоков - лахаров - до 100 км/ч при перемещениях до 300 км.

Максимальная доза газов, выделяемых вулканами, приходится на водяной пар, но в разных соотношениях содержатся и другие летучие соединения.

Значительна роль газоаэрозолей. При чисто эффузивных извержениях в атмосферу поступает от 2-3 до 5-7 вес. % магматических газов, из которых до 97 об. % приходится на пары воды. И примерно столько же составляют фумаролы, сульфатары и парогидротермы. Эксплозивная деятельность дает до 4×10⁶т пылевидного аэрозоля или в несколько раз больше после особенно катастрофических извержений.

Из этого вклада тепломассопереноса (примерно треть изменения радиационного баланса атмосферы), 2/3 приходятся в основном на сернокислотный аэрозоль - поступление с газово-пепловыми выбросами SO₂, H₂S, CS₂ (сероуглерод), OCS (карбонилсульфида) и мелких частиц серы. Совокупный их объем составляет примерно 2,8×10⁶ г/т и возрастает при самых катастрофических извержениях.

Таблица 5.2

Состав вулканических газов, объемные %%

(по G. A. Makdonald, 1972)

1 - Килауэа, 2 - Мауна-Лоа, 3 - Нираонго (Заир), 4 – Cуртэй (Исландия), 5 - Мон-Пеле (из андезита), 6 - Лассен-Пик (из дацита), 7 - Мауна-Лоа (из базальтовой пемзы), 8 - Нинафоу (из базальтовой магмы), 9 - Козу-Сима (Япония - из риолита)

Воздействие вулканических газов при направленных ветрах может выражаться в наличии вытравленных полос шириной 5-8 км на площади примерно 150 км² (Масая-Ниндири, Никарагуа). Кислотность самого пепла при извержении Ирасу (Коста-Рика) в 1963-1965 гг. составляла около 4 рН. При извержении Катмаи в 1912 г. в Сьюарде и Кордове (400 и 575 км от вулкана соответственно) выпадал кислотный дождь. Даже на удалении 1100 км у мыса Спенсер от воздействия газов тускнели медные предметы.

Воздействием мофетт объясняются появления "ущелий смерти" и "газовых озер", приводившие не раз к массовой гибели животных и людей. Так, например, 21 августа 1986 г. на берегах оз. Ниос (кратер вулкана Камерун) произошла катастрофа. Площадь этого озера 1,48 км², глубина 208 м. Произошел выброс газового облака с углекислым газом. Оно перевалило через стенки кратера, сползло к подножью и накрыло деревни. Из-за удушья погибло 1700 человек и тысячи голов крупного рогатого скота.

Наиболее крупные вулканические катастрофы с большим количеством людских жертв приведены в табл. 5.3

Таблица 5.3