Fysikaalinen geologia

Tulivuoria tai tulivuorenlähteitä on lukuisia; taulukossa 4.1 on yhteenveto eräistä yleisimmistä.

Taulukko 4.1 Yhteenveto tärkeistä vulkanismityypeistä

Tyypillisten kilpi-, komposiitti- ja tuhkakartiotulivuorten kokoja ja muotoja verrataan kuviossa 4.9. Oikeudenmukaisuuden nimissä mainittakoon tosin, että Mauna Loa on Maapallon isoin kilpi-, komposiitti- ja tuhkakartiotulivuori; kaikki muut ovat pienempiä. Mauna Loa kohoaa ympäröivästä tasaisesta merenpohjasta, ja sen halkaisija on noin 200 km. Sen korkeus merenpinnasta on 4 169 metriä. Mt. St. Helens, yhdistelmätulivuori, kohoaa ympäröivien Cascade Range -vuoriston kukkuloiden yläpuolelle. Sen halkaisija on noin 6 km, ja sen korkeus on 2 550 m merenpinnan yläpuolella. Tuhkakartiot ovat paljon pienempiä. Tässä piirroksessa suuri tuhkauskartiokin on vain piste.

Tuhkakartiot, kuten Eve Cone pohjoisessa B.C:ssä (kuva 4.10), ovat tyypillisesti halkaisijaltaan vain muutamia satoja metrejä, ja vain harvat ovat yli 200 metriä korkeita. Useimmat koostuvat rakkulamaisen mafisen kiven (scorian) palasista, jotka purkautuivat ulos magman kiehuessa, kun se lähestyi pintaa, ja synnyttivät tulilähteitä. Monissa tapauksissa nämä muuttuivat myöhemmin effusiivisiksi (laavavirroiksi), kun kaasut loppuivat. Useimmat tuhkakartiot ovat monogeneettisiä, mikä tarkoittaa, että ne muodostuivat yhden purkautumisvaiheen aikana, joka saattoi kestää viikkoja tai kuukausia. Koska tuhkakartiot koostuvat lähes yksinomaan irtonaisista palasista, niiden lujuus on hyvin pieni. Ne voidaan helposti ja suhteellisen nopeasti rapauttaa pois.

Komposiittitulivuoret

Komposiittitulivuoret, kuten Saint Helensin vuori Washingtonin osavaltiossa (kuva 4.11), liittyvät lähes kaikki subduktioon konvergenttien mannerlaattojen – joko valtameren ja mantereen tai valtameren ja valtameren välisillä – rajoilla (kuva 4.4b). Ne voivat ulottua jopa useiden tuhansien metrien päähän ympäröivästä maastosta, ja koska niiden kaltevuus vaihtelee jopa 30˚:iin, niiden läpimitta on tyypillisesti jopa 10 km. Monissa tällaisissa tulivuorissa magma varastoituu maankuoren yläosassa olevaan magmakammioon. Esimerkiksi St. Helens -vuorella on todisteita noin 1 km leveästä magmakammiosta, joka ulottuu noin 6-14 km pinnan alapuolelle (kuva 4.12). Vulkanismin koostumuksen systemaattiset vaihtelut viimeisten useiden tuhansien vuosien aikana Pyhän Helensin vuorella viittaavat siihen, että magmakammio on vyöhykkeinen, ylhäältä felsisempi ja alhaalta mafisempi.

Mafiset purkaukset (ja jotkin välipurkaukset) sen sijaan tuottavat laavavirtoja; kuvassa 4.13b esitetty laavavirta on tarpeeksi paksu (yhteensä noin 10 m), jotta se on jäähtynyt pylväsmäisen liitoskuvion mukaisesti (kuva 4.14). Laavavirrat sekä tasoittavat tulivuoren profiilia (koska laava virtaa tyypillisesti kauemmas kuin pyroklastiset jäänteet putoavat) että suojaavat sirpaleisia kerrostumia eroosiolta. Tästä huolimatta komposiittitulivuorilla on taipumus erodoitua nopeasti. Patrick Pringle, Washingtonin osavaltion luonnonvaraministeriön vulkanologi, kuvailee Pyhän Helensin vuorta ”romukasaksi”. Pyhä Helena-vuoren muodostavan kiven koostumus vaihtelee rhyoliitista (kuva 4.13a) basalttiin (kuva 4.13b); tämä viittaa siihen, että aiemmat purkaukset ovat olleet luonteeltaan hyvin erilaisia. Kuten jo todettiin, felsinen magma ei virtaa helposti eikä päästä kaasuja helposti ulos. Näissä olosuhteissa paine kasvaa, kunnes johtokäytävä aukeaa, ja sitten magmakammion kaasurikkaasta yläosasta syntyy räjähdysmäinen purkaus, joka tuottaa pyroklastisia jäänteitä, kuten kuvassa 4.13a on esitetty. Tämäntyyppinen purkaus voi johtaa myös jään ja lumen nopeaan sulamiseen tulivuorella, mikä tyypillisesti laukaisee suuria mutavyöryjä, joita kutsutaan lahareiksi (kuva 4.13a). Kuumat, nopeasti liikkuvat pyroklastiset virrat ja laharit ovat kaksi tärkeintä syytä tulivuorenpurkausten uhreille. Pyroklastiset virrat tappoivat noin 30 000 ihmistä Karibian Martiniquen saarella sijaitsevan Pelée-vuoren purkauksen yhteydessä vuonna 1902. Useimmat heistä paloivat kodeissaan. Vuonna 1985 Nevado del Ruizin purkauksen laukaisema massiivinen lahar tappoi 23 000 ihmistä kolumbialaisessa Armeron kaupungissa, joka sijaitsi noin 50 kilometrin päässä tulivuoresta.

Geologisesti katsottuna komposiittitulivuoret muodostuvat yleensä suhteellisen nopeasti eivätkä ne kestä kovin pitkään. Esimerkiksi Pyhän Helinin vuori koostuu kivestä, joka on kokonaisuudessaan nuorempaa kuin 40 000 vuotta; suurin osa siitä on nuorempaa kuin 3 000 vuotta. Jos sen vulkaaninen toiminta loppuu, se saattaa rapautua pois muutamassa kymmenessä tuhannessa vuodessa. Tämä johtuu suurelta osin pyroklastisesta purkausaineesta, joka ei ole vahvaa.

Kilpitulivuoret

Useimmat kilpitulivuoret liittyvät vaippapilviin, vaikka jotkut niistä muodostuvat divergenttien rajojen kohdalla joko maalla tai merenpohjassa. Viskoosittoman mafisen magman vuoksi niillä on yleensä suhteellisen loivat rinteet (2-10˚), ja suuremmat niistä voivat olla halkaisijaltaan yli 100 km:n kokoisia. Tunnetuimpia kilvitulivuoria ovat Havaijin saaret, ja näistä ainoat aktiiviset tulivuoret sijaitsevat Havaijin suurella saarella. Mauna Loa, maailman suurin tulivuori ja maailman suurin vuori (tilavuudeltaan) purkautui viimeksi vuonna 1984. Kilauea, joka on luultavasti maailman aktiivisin tulivuori, on purkautunut lähes keskeytyksettä vuodesta 1983 lähtien. Loihi on vedenalainen tulivuori Havaijin kaakkoispuolella. Sen tiedetään purkautuneen viimeksi vuonna 1996, mutta se on saattanut purkautua sen jälkeen havaitsematta.

Kaikki Havaijin tulivuoret liittyvät manttelipilveen, joka tällä hetkellä on Mauna Loan, Kilauean ja Loihin alla (kuva 4.15). Tällä alueella Tyynenmeren mannerlaatta liikkuu luoteeseen noin 7 cm:n vuosivauhdilla. Tämä tarkoittaa, että aiemmin muodostuneet – ja nyt sammuneet – tulivuoret ovat nyt siirtyneet kauas manttelipilvestä. Kuten kuvassa 4.15 näkyy, kaikkien kolmen aktiivisen Havaijin tulivuoren alla on todisteita maankuoren magmakammioista. Kilauealla magmakammio näyttää olevan halkaisijaltaan useita kilometrejä, ja se sijaitsee 8-11 kilometrin syvyydessä maanpinnan alapuolella.

Vaikka se ei olekaan näkyvä vuori (kuva 4.9), Kilauea-tulivuorella on huipulleen sijoittuva suuri kaldera (kuva 4.16). Kaldera on halkaisijaltaan yli 2 km:n kokoinen vulkaaninen kraatteri; tämä on 4 km pitkä ja 3 km leveä. Se sisältää pienemmän Halema’uma’u-kraatterin, jonka kokonaissyvyys on yli 200 metriä ympäröivän alueen alapuolella. Useimmat vulkaaniset kraatterit ja kalderat muodostuvat magmakammioiden yläpuolelle, ja kraatterin pohjan tasoon vaikuttaa magmakappaleen aiheuttaman paineen määrä. Historiallisina aikoina sekä Kilauean kalderan että Halema’uma’u-kraatterin lattiat ovat liikkuneet ylöspäin magmakammion paisuessa ja alaspäin kammion tyhjennyksen aikana.

Yksi Kilauean kalderan silmiinpistävistä piirteistä on nouseva vesihöyry (valkoinen pilvi kuvassa 4.16) ja voimakas rikin haju (kuva 4.17). Kuten magmaattisille alueille on tyypillistä, vesi on tärkein haihtuva komponentti, jota seuraavat hiilidioksidi ja rikkidioksidi. Nämä ja jotkin vähäisemmät kaasut ovat peräisin syvällä olevasta magmakammiosta ja nousevat ylös yläpuolisen kallion halkeamien kautta. Tämä magman kaasunpoisto on ratkaisevan tärkeää Kilauean purkaustyylin kannalta, joka on suurimman osan viimeisistä 30 vuodesta ollut effusiivinen, ei räjähdysmäinen.

Vuonna 1983 alkanut Kilauean purkaus alkoi tuhkakartion muodostumisella Pu’u ’O’oon, noin 15 kilometriä kalderasta itään (kuva 4.18). Tätä purkausta ruokkiva magma virtasi pitkin East Rift -nimistä suurta kanavajärjestelmää, joka ulottuu noin 20 kilometrin päähän kalderasta ensin kaakkoon ja sitten itään. Laavan suihkulähde ja Pu’u ’O’o -tuhkakartion rakentaminen (kuva 4.19a) jatkuivat vuoteen 1986 asti, jolloin virtaus muuttui effusiiviseksi. Vuodesta 1986 vuoteen 2014 laava virtasi Pu’u ’O’o:n eteläkyljessä olevasta aukosta alas Kilauean rinnettä laavaputkea (kuva 4.19d) pitkin ja tuli esiin merellä tai sen lähellä. Kesäkuusta 2014 lähtien laava on virrannut koilliseen (ks. harjoitus 4.4).

Kaksi tärkeintä effusiivisten subaeristen purkausten aikana syntyvää tekstuurityyppiä ovat pahoehoe ja aa. Pahoehoe, muhkea laava, joka muodostuu viskoosittomana laavana, virtaa loivasti muodostaen ihon, joka hyytyy ja sitten rypistyy, koska laava virtaa jatkuvasti pinnan alla (kuva 4.19b ja ”laavavirtausvideo”). Aa eli lohkomainen laava muodostuu, kun magma pakotetaan virtaamaan nopeammin kuin se kykenee (esimerkiksi rinnettä alaspäin) (kuva 4.19c). Tephraa (laavan palasia) syntyy räjähdysmäisten purkausten aikana, ja se kerääntyy tuhkakartion läheisyyteen.

Kuvassa 4.19d on näkymä aktiiviseen laavaputkeen Kilauean eteläreunalla. Punainen hehku on peräisin hyvin kuumasta laavavirrasta (~1200 °C), joka on virrannut maan alla suurimman osan 8 km:n matkasta Pu’u ’O’o -aukosta. Laavaputkia muodostuu luonnollisesti ja helposti sekä kilpi- että komposiittitulivuorilla, koska virtaava mafinen laava jäähtyy mieluiten lähellä reunojaan muodostaen kiinteitä laavaputkia, jotka lopulta sulkeutuvat virtauksen yläosan yli. Laavaputken sisällä oleva magma ei ole alttiina ilmalle, joten se pysyy kuumana ja juoksevana ja voi virrata kymmenien kilometrien pituisia matkoja, mikä vaikuttaa osaltaan kilpitulivuorten suureen kokoon ja mataliin rinteisiin. Havaijin tulivuorissa on tuhansia vanhoja laavaputkia, joista jotkut ovat jopa 50 km pitkiä.

Kilauea on noin 300 ka vanha, kun taas viereinen Mauna Loa on yli 700 ka ja Mauna Kea yli 1 Ma. Jos vulkanismi jatkuu Havaijin vaippapilven yläpuolella samalla tavalla kuin se on jatkunut viimeisten 85 Ma:n ajan, on todennäköistä, että Kilauea jatkaa purkautumista vielä ainakin 500 000 vuoden ajan. Siihen mennessä sen naapuri Loihi on noussut merenpohjasta, ja sen muut naapurit, Mauna Loa ja Mauna Kea, ovat erodoituneet merkittävästi, kuten niiden serkut, luoteeseen sijaitsevat saaret (kuva 4.15).

Large Igneous Provinces

Mikäli Havaijin vaippapilvi on tuottanut suhteellisen pienen määrän magmaa hyvin pitkän aikaa (~85 Ma), muut vaippapilvet eivät ole yhtä johdonmukaisia, ja jotkin niistä tuottavat massiivisia magmamääriä suhteellisen lyhyen ajanjakson aikana. Vaikka niiden alkuperä on edelleen kiistanalainen, uskotaan, että vulkanismi, joka johtaa suuriin vulkaanisiin maakuntiin (LIP), liittyy manttelipilvistä peräisin oleviin erittäin suuriin, mutta suhteellisen lyhytaikaisiin magmapurkauksiin. Esimerkki LIP:stä on Columbia River Basalt Group (CRGB), joka ulottuu Washingtonin, Oregonin ja Idahon alueelle (kuva 4.20). Tämä vulkanismi, joka kattoi noin 160 000 km2 :n suuruisen alueen ja jossa oli jopa useiden satojen metrien paksuista basalttikiveä, tapahtui 17-14 Ma:n välisenä aikana.

Useimmat muut LIP-purkaukset ovat paljon suurempia. Siperian ansat (myös basaltteja), jotka purkautuivat permikauden lopussa 250 Ma:ssa, tuottivat arviolta noin 40 kertaa niin paljon laavaa kuin CRBG.

CRBG:n synnyttämäksi oletettu vaippapilvi sijaitsee nykyään Yellowstonen alueen alapuolella, jossa se johtaa felsiseen vulkanismiin. Viimeisten 2 Ma:n aikana Yellowstonen kolme erittäin suurta räjähdysmäistä purkausta ovat tuottaneet noin 900 km3 felsistä magmaa, mikä on noin 900 kertaa enemmän kuin Pyhän Helena-vuoren purkaus vuonna 1980, mutta vain 5 % CRBG:n mafisen magman määrästä.

Merenpohjan vulkanismi

Joitkin LIP-purkaukset tapahtuvat merenpohjassa, ja suurin niistä on Ontongin Jaavan ylätasanko Tyynen valtameren länsiosassa synnyttänyt purkaus Noin 122 Ma:n aikaan. Suurin osa merenpohjan vulkanismista saa kuitenkin alkunsa divergenttien rajoilla, ja siihen liittyy suhteellisen vähäisiä purkauksia. Näissä olosuhteissa kylmään meriveteen tihkunut kuuma laava jäähtyy nopeasti ulkopuolelta ja käyttäytyy sitten vähän kuin hammastahna. Tuloksena syntyviä laavatilkkuja kutsutaan tyynyiksi, ja niillä on taipumus muodostaa kasoja merenpohjan laava-aukon ympärille (kuva 4.21). Pinta-alaltaan merenpohjassa on hyvin todennäköisesti enemmän tyynybasaltteja kuin mitään muuta kivilajia maapallolla.

Kimberliitit

Vaikka kaiken tähän mennessä käsitellyn vulkanismin ajatellaan saaneen alkunsa osittaisesta sulamisesta ylemmässä vaipassa tai kuoren sisällä, on olemassa erityinen luokka tulivuoria, joita kutsutaan nimellä kimberliitit ja jotka ovat saaneet alkunsa paljon syvemmältä vaipasta, 150 kilometrin ja 450 kilometrin syvyydestä. Kimberliittipurkauksen aikana tästä syvyydestä peräisin oleva aines voi päästä pinnalle nopeasti (tunneista päiviin) ilman, että se on juurikaan vuorovaikutuksessa ympäröivien kivien kanssa. Tämän seurauksena kimberliittipurkauksen materiaali edustaa vaipan koostumusta: se on ultramafista.

Kimberliittipurkaukset, jotka saavat alkunsa yli 200 km:n syvyydestä, vanhan paksun kuoren (kilven) alla olevilta alueilta, kulkevat timantin stabiilisuusalueen läpi vaipassa ja joissakin tapauksissa tuovat timanttia sisältävää materiaalia pinnalle. Kaikkien maapallon timanttiesiintymien oletetaan muodostuneen tällä tavoin; esimerkkinä on rikas Ekatin kaivos Luoteisterritorioissa (kuva 4.22).

Ekatin kimberliitit purkautuivat Ekatissa 45-60 Ma:n välillä. Monet kimberliitit ovat vanhempia, jotkut paljon vanhempia. Historiallisella ajalla ei ole ollut kimberliittipurkauksia. Nuorimmat tunnetut kimberliitit ovat Igwisi Hillsissä Tansaniassa ja ovat vain noin 10 000 vuotta vanhoja. Seuraavaksi nuorimmat tunnetut ovat noin 30 Ma:n ikäisiä.