Fyzikální geologie

Existuje mnoho typů sopek nebo vulkanických zdrojů; některé z nejběžnějších jsou shrnuty v tabulce 4.1.

Tabulka 4.1 Přehled důležitých typů vulkanismu

Velikosti a tvary typických štítových, kompozitních a škvárových kuželových sopek jsou porovnány na obrázku 4.9, i když, abychom byli spravedliví, Mauna Loa je největší štítová sopka na Zemi; všechny ostatní jsou menší. Mauna Loa vystupuje z okolního plochého mořského dna a její průměr je řádově 200 km. Její nadmořská výška je 4 169 m n. m. Mt. St Helens, složená sopka, se tyčí nad okolními kopci Kaskádového pohoří. Její průměr je asi 6 km a výška 2 550 m nad mořem. Škvárové kužely jsou mnohem menší. Na této kresbě je i velký škvárový kužel jen tečkou.

Škvárové kužele, jako je Eve Cone v severní části B.C. (obr. 4.10), mají obvykle průměr jen několik set metrů a jen málo z nich je vyšších než 200 metrů. Většina z nich je tvořena úlomky vezikulárních mafických hornin (skory), které byly vyloučeny při varu magmatu, když se přiblížilo k povrchu a vytvořilo ohnivé fontány. V mnoha případech se z nich později po vyčerpání plynů staly efuzivní (lávové proudy). Většina škvárových kuželů je monogenních, což znamená, že vznikly během jediné erupční fáze, která mohla trvat týdny nebo měsíce. Protože jsou škvárové kužele tvořeny téměř výhradně volnými úlomky, mají velmi malou pevnost. Snadno a relativně rychle podléhají erozi.

Kompozitní sopky

Kompozitní sopky, jako je Mt. St Helens ve státě Washington (obrázek 4.11), jsou téměř všechny spojeny se subdukcí na konvergentních hranicích desek – buď na hranicích oceán-kontinent, nebo oceán-oceán (obrázek 4.4b). Mohou vystupovat až několik tisíc metrů z okolního terénu a se sklonem až 30˚ jsou obvykle široké až 10 km. U mnoha takových sopek je magma uloženo v magmatické komoře ve svrchní části zemské kůry. Například na hoře Svatá Helena jsou důkazy o magmatické komoře, která je široká přibližně 1 km a sahá od asi 6 km do 14 km pod povrch (obrázek 4.12). Systematické změny ve složení vulkanismu za posledních několik tisíc let na hoře Svatá Helena naznačují, že magmatická komora je zonální, od felsičtější nahoře po mafičtější dole.

Mafické erupce (a některé mezilehlé erupce) naproti tomu vytvářejí lávové proudy; ten na obrázku 4.13b je dostatečně silný (celkem asi 10 m), aby se ochlazoval sloupcovitým spojením (obrázek 4.14). Lávové proudy jednak zplošťují profil sopky (protože láva obvykle teče dál než padají pyroklastické úlomky), jednak chrání fragmentární usazeniny před erozí. I přesto mají složené sopky tendenci k rychlé erozi. Patrick Pringle, vulkanolog z washingtonského ministerstva přírodních zdrojů, popisuje horu Svatá Helena jako „hromadu harampádí“. Hornina, ze které se Mt. St. Helens skládá, má různé složení od ryolitu (obrázek 4.13a) po čedič (obrázek 4.13b); z toho vyplývá, že typy minulých erupcí měly velmi různý charakter. Jak již bylo uvedeno, felsické magma neproudí snadno a neumožňuje snadný únik plynů. Za těchto okolností tlak narůstá, dokud se neotevře kanál, a pak dojde k explozivní erupci z horní části magmatické komory bohaté na plyn, při níž vznikají pyroklastické úlomky, jak ukazuje obrázek 4.13a. Tento typ erupce může také vést k rychlému tání ledu a sněhu na sopce, což obvykle vyvolává velké bahenní proudy známé jako lahary (obrázek 4.13a). Horké, rychle se pohybující pyroklastické proudy a lahary jsou dvě hlavní příčiny obětí sopečných erupcí. Pyroklastické proudy zabily při erupci hory Pelée na karibském ostrově Martinik v roce 1902 přibližně 30 000 lidí. Většina z nich uhořela ve svých domovech. V roce 1985 zabil mohutný lahar, vyvolaný erupcí sopky Nevado del Ruiz, 23 000 lidí v kolumbijském městě Armero, vzdáleném asi 50 km od sopky.

V geologickém kontextu mají složené sopky tendenci vznikat relativně rychle a netrvají příliš dlouho. Například hora Svaté Heleny je tvořena horninami, které jsou všechny mladší než 40 000 let; většina z nich je mladší než 3 000 let. Pokud její sopečná činnost ustane, může během několika desítek tisíc let erodovat. Důvodem je především přítomnost pyroklastického erupčního materiálu, který není pevný.

Štítové sopky

Většina štítových sopek je spojena s plášťovými sopouchy, i když některé vznikají na divergentních hranicích, buď na pevnině, nebo na mořském dně. Kvůli neviskóznímu mafickému magmatu mají obvykle relativně mírný sklon (2 až 10˚) a ty větší mohou mít průměr přes 100 km. Nejznámější štítové sopky jsou ty, které tvoří Havajské ostrovy, a z nich jsou aktivní pouze ty na velkém ostrově Havaj. Mauna Loa, největší sopka světa a největší hora světa (podle objemu), naposledy vybuchla v roce 1984. Kilauea, pravděpodobně nejaktivnější sopka na světě, vybuchuje prakticky bez přerušení od roku 1983. Loihi je podmořská sopka na jihovýchodní straně Havaje. Její poslední erupce je známa v roce 1996, ale je možné, že od té doby došlo k jejímu nezjištěnému výbuchu.

Všechny havajské sopky jsou spojeny s plášťovým plumem, který se v současnosti nachází pod Mauna Loa, Kilauea a Loihi (obr. 4.15). V této oblasti se Pacifická deska pohybuje na severozápad rychlostí asi 7 cm/rok. To znamená, že dříve vzniklé – a nyní vyhaslé – sopky se nyní značně vzdálily od plášťového plumu. Jak ukazuje obrázek 4.15, pod všemi třemi aktivními havajskými sopkami se nacházejí důkazy o magmatických komorách v zemské kůře. U sopky Kilauea se zdá, že magmatická komora má průměr několik kilometrů a nachází se v hloubce 8 až 11 km pod povrchem.

Ačkoli se nejedná o výraznou horu (obrázek 4.9), sopka Kilauea má v oblasti svého vrcholu velkou kalderu (obrázek 4.16). Kaldera je sopečný kráter o průměru větším než 2 km; tento má délku 4 km a šířku 3 km. Obsahuje menší útvar zvaný kráter Halema’uma’u, který má celkovou hloubku přes 200 m pod okolím. Většina sopečných kráterů a kalder vzniká nad magmatickými komorami a úroveň dna kráteru je ovlivněna velikostí tlaku vyvíjeného magmatickým tělesem. V historických dobách se dna kaldery Kilauea i kráteru Halema’uma’u pohybovala nahoru při rozpínání magmatické komory a dolů při jejím vyprazdňování.

Jedním z nápadných rysů kaldery Kilauea je stoupající vodní pára (bílý oblak na obrázku 4.16) a silný zápach síry (obrázek 4.17). Jak je pro magmatické oblasti typické, hlavní těkavou složkou je voda, následovaná oxidem uhličitým a oxidem siřičitým. Tyto plyny a některé menší plyny pocházejí z magmatické komory v hloubce a stoupají vzhůru puklinami v nadložních horninách. Toto odplyňování magmatu je rozhodující pro styl erupce na Kilauea, která byla po většinu posledních 30 let efuzivní, nikoliv explozivní.

Erupce sopky Kilauea, která začala v roce 1983, začala vznikem struskového kužele v Pu’u ‚O’o, přibližně 15 km východně od kaldery (obr. 4.18). Magma napájející tuto erupci proudilo podél hlavního systému kanálů známého jako Východní trhlina, který se táhne asi 20 km od kaldery, nejprve jihovýchodním a pak východním směrem. Fontánování lávy a stavba škvárového kužele Pu’u ‚O’o (obrázek 4.19a) pokračovaly až do roku 1986, kdy se proudění stalo efuzivním. Od roku 1986 do roku 2014 proudila láva z trhliny v jižním úbočí Pu’u ‚O’o po svahu Kilauea lávovou trubicí (obrázek 4.19d) a vystupovala u oceánu nebo v jeho blízkosti. Od června 2014 proudí láva severovýchodním směrem (viz cvičení 4.4).

Dva hlavní typy textur vznikajících při efuzivních subaerických erupcích jsou pahoehoe a aa. Pahoehoe, ropná láva, která vzniká jako neviskózní láva, teče jemně a vytváří kůži, která gelovatí a následně se vrásní v důsledku pokračujícího toku lávy pod povrchem (obrázek 4.19b a „video o toku lávy“). Aa neboli blokovitá láva vzniká, když je magma nuceno proudit rychleji, než je schopno (například po svahu) (obrázek 4.19c). Tefra (úlomky lávy) vzniká při explozivních erupcích a hromadí se v okolí škvárových kuželů.

Na obrázku 4.19d je pohled do aktivní lávové trubice na jižním okraji Kilauea. Červená záře pochází z proudu velmi horké lávy (~1200 °C), která proudí do podzemí po většinu vzdálenosti 8 km od vývěru Pu’u ‚O’o. Na obrázku je patrná červená záře. Lávové roury vznikají přirozeně a snadno na štítových i složených sopkách, protože tekoucí mafická láva se přednostně ochlazuje při svých okrajích a vytváří pevné lávové levé, které se nakonec uzavřou nad vrcholem proudu. Magma uvnitř lávové trubice není vystaveno působení vzduchu, takže zůstává horké a tekuté a může proudit v délce desítek kilometrů, což přispívá k velkým rozměrům a nízkým sklonům štítových sopek. Havajské sopky jsou protkány tisíci starých lávových trubic, z nichž některé dosahují délky až 50 km.

Kilauea je stará přibližně 300 ka, zatímco sousední Mauna Loa přes 700 ka a Mauna Kea přes 1 Ma. Pokud bude vulkanismus nad havajským plášťovým plátem pokračovat stejným způsobem jako v posledních 85 mil. let, je pravděpodobné, že Kilauea bude eruptovat ještě nejméně 500 000 let. Do té doby se její soused, Loihi, vynoří z mořského dna a její další sousedé, Mauna Loa a Mauna Kea, budou značně erodované, podobně jako jejich bratranci, ostrovy na severozápadě (obr. 4.15).

Velké vyvřelé provincie

Zatímco havajský plášťový plum produkuje relativně malý objem magmatu po velmi dlouhou dobu (~85 mil. let), jiné plášťové plumy jsou méně konzistentní a některé generují obrovské objemy magmatu během relativně krátkých časových období. Ačkoli je jejich původ stále kontroverzní, předpokládá se, že vulkanismus vedoucí ke vzniku velkých magmatických provincií (LIP) souvisí s velmi objemnými, ale relativně krátce trvajícími výrony magmatu z plášťových plumů. Příkladem LIP je Columbia River Basalt Group (CRGB), která se rozkládá na území států Washington, Oregon a Idaho (obr. 4.20). Tento vulkanismus, který pokrýval území o rozloze asi 160 000 km2 s čedičovými horninami o tloušťce až několik set metrů, probíhal mezi 17. a 14. mil. let.

Většina ostatních LIP erupcí je mnohem větší. Odhaduje se, že Sibiřské pasti (rovněž čedičové), které vyvřely na konci permu při 250 mil. let, vyprodukovaly přibližně 40krát více lávy než CRBG.

Plášťový plume, o němž se předpokládá, že je zodpovědný za CRBG, se nyní nachází pod Yellowstonskou oblastí, kde vede k felsickému vulkanismu. Během posledních 2 mil. let přinesly tři velmi rozsáhlé explozivní erupce v Yellowstonu přibližně 900 km3 felsického magmatu, což je asi 900krát více než objem erupce hory Svaté Heleny v roce 1980, ale pouze 5 % objemu mafického magmatu v CRBG.

Vulkanismus mořského dna

Některé erupce LIP probíhají na mořském dně, z nichž největší byla ta, která vytvořila plošinu Ontong Java v západním Pacifiku přibližně před 122 mil. lety. Většina vulkanismu na mořském dně však vzniká na divergentních hranicích a zahrnuje relativně málo objemné erupce. Za těchto podmínek horká láva, která vytéká do studené mořské vody, na povrchu rychle chladne a pak se chová trochu jako zubní pasta. Vzniklé kapky lávy se nazývají polštáře a mají tendenci vytvářet hromady kolem lávového vývěru na mořském dně (obrázek 4.21). Z hlediska plochy se na mořském dně velmi pravděpodobně nachází více polštářového bazaltu než jakéhokoli jiného typu horniny na Zemi.

Kimberlity

Ačkoli se předpokládá, že veškerý dosud probíraný vulkanismus vzniká částečným tavením ve svrchním plášti nebo uvnitř kůry, existuje zvláštní třída sopek zvaných kimberlity, které mají svůj původ mnohem hlouběji v plášti, v hloubkách 150 až 450 km. Při erupci kimberlitu se materiál z této hloubky může dostat na povrch rychle (hodiny až dny) bez větší interakce s okolními horninami. V důsledku toho je kimberlitový erupční materiál reprezentativní pro složení pláště: je ultramafický.

Kimberlitové erupce, které vznikají v hloubkách větších než 200 km, v oblastech pod starou tlustou kůrou (štíty), procházejí oblastí stability diamantu v plášti a v některých případech vynášejí diamantonosný materiál na povrch. Předpokládá se, že všechna diamantová ložiska na Zemi vznikla tímto způsobem; příkladem je bohatý důl Ekati v Severozápadních teritoriích (obr. 4.22).

Kimberlity v Ekati vyvřely mezi 45 a 60 mil. let. Mnohé kimberlity jsou starší, některé mnohem starší. V historické době nedošlo k žádným erupcím kimberlitů. Nejmladší známé kimberlity se nacházejí v Igwisi Hills v Tanzanii a jsou staré jen asi 10 000 let. Další nejmladší známé jsou staré asi 30 milionů let.