Fizikai geológia

A vulkánoknak vagy vulkáni forrásoknak számos típusa létezik; néhányat a leggyakoribbak közül a 4.1. táblázatban foglaltunk össze.

4.1. táblázat A vulkanizmus fontos típusainak összefoglalása

A 4.9. ábrán a tipikus pajzs-, kompozit- és hamukúpvulkánok méretét és alakját hasonlítjuk össze, bár az igazság kedvéért a Mauna Loa a Föld legnagyobb pajzsvulkánja; a többi kisebb. A Mauna Loa a környező sík tengerfenékből emelkedik ki, és átmérője 200 km nagyságrendű. Magassága 4169 m a tengerszint felett. A Szent Helens-hegy, egy összetett vulkán, a Cascade-hegység környező dombjai fölé emelkedik. Átmérője körülbelül 6 km, magassága pedig 2 550 m a tengerszint felett. A salakkúpok sokkal kisebbek. Ezen a rajzon még egy nagy salakkúp is csak egy pont.

A salakkúpok, mint például az Eve Cone Észak-Britanniában (4.10. ábra), jellemzően csak néhány száz méter átmérőjűek, és csak kevés 200 m-nél magasabb. A legtöbbjüket hólyagos mafikus kőzetdarabok (scoria) alkotják, amelyek a felszínhez közeledve a magma forrása során lökődtek ki, tűzszökőkutakat hozva létre. Sok esetben ezek később effúziós (lávafolyamok) lettek, amikor a gázok kimerültek. A legtöbb salakkúp monogenetikus, ami azt jelenti, hogy egyetlen kitörési fázis során keletkeztek, amely hetekig vagy hónapokig tarthatott. Mivel a salakkúpok szinte kizárólag laza töredékekből állnak, nagyon kis szilárdságúak. Könnyen és viszonylag gyorsan erodálódnak.

Kompozit vulkánok

A kompozit vulkánok, mint a Mount St. Helens Washington államban (4.11. ábra), szinte mind a konvergens lemezhatárok – óceán-kontinens vagy óceán-óceán határok – szubdukciójához kapcsolódnak (4.4b. ábra). Akár több ezer méterre is kiemelkedhetnek a környező terepből, és a 30˚-ig terjedő lejtőkkel jellemzően akár 10 km átmérőjűek is lehetnek. Sok ilyen vulkánnál a magma a kéreg felső részén lévő magmakamrában tárolódik. A Szent Helens-hegynél például egy körülbelül 1 km széles, a felszín alatt 6-14 km mélységben húzódó magmakamrára utaló jelek vannak (4.12. ábra). A vulkanizmus összetételének szisztematikus változásai az elmúlt több ezer év során a Szent Helens-hegynél arra utalnak, hogy a magmakamra zónázott, a felső részen felsikusabbtól az alsó részen mafikusabbig.

A mafikus kitörések (és néhány köztes kitörés) ezzel szemben lávafolyásokat hoznak létre; a 4.13b. ábrán látható lávafolyás elég vastag (összesen kb. 10 m) ahhoz, hogy oszlopos tagolódásban hűlt ki (4.14. ábra). A lávafolyások egyrészt ellaposítják a vulkán profilját (mivel a láva jellemzően messzebbre folyik, mint a piroklasztikus törmelékhullás), másrészt megvédik a töredékes lerakódásokat az eróziótól. Ennek ellenére az összetett vulkánok hajlamosak a gyors erózióra. Patrick Pringle, Washington állam természeti erőforrásokért felelős minisztériumának vulkanológusa a Szent Helens-hegyet “szemétkupacnak” nevezi. A Szent Helens-hegyet alkotó kőzet összetétele a riolit (4.13a. ábra) és a bazalt (4.13b. ábra) között változik; ez azt jelenti, hogy a múltbeli kitörések típusai nagyon eltérőek voltak. Mint már említettük, a felsikus magma nem folyik könnyen, és nem engedi a gázokat könnyen távozni. Ilyen körülmények között a nyomás addig fokozódik, amíg egy vezeték meg nem nyílik, majd a magmakamra gázban gazdag felső részéből robbanásszerű kitörés következik be, amely piroklasztikus törmeléket hoz létre, amint az a 4.13a. ábrán látható. Az ilyen típusú kitörés a jég és a hó gyors olvadásához is vezethet a vulkánon, ami jellemzően nagy iszapömléseket, úgynevezett laharokat vált ki (4.13a. ábra). A forró, gyorsan mozgó piroklasztikus áramlatok és a laharok a vulkánkitörések két fő oka az áldozatoknak. A karibi Martinique szigetén található Pelée-hegy 1902-es kitörése során a piroklasztikus áramlatok körülbelül 30 000 embert öltek meg. A legtöbben otthonukban égtek el. 1985-ben a Nevado del Ruiz kitörése által kiváltott hatalmas lahar 23 000 embert ölt meg a vulkántól mintegy 50 km-re fekvő kolumbiai Armero városban.

Geológiai összefüggésben a kompozit vulkánok általában viszonylag gyorsan alakulnak ki, és nem tartanak túl sokáig. A Szent Helén-hegy például olyan kőzetekből áll, amelyek mind 40 000 évnél fiatalabbak; a legtöbbjük 3000 évnél fiatalabb. Ha a vulkáni tevékenysége megszűnik, néhány tízezer éven belül lepusztulhat. Ez nagyrészt a piroklasztikus kitörési anyag jelenléte miatt van így, amely nem erős.

Pajzsvulkánok

A legtöbb pajzsvulkán köpenytölcsérekhez kapcsolódik, bár egyesek divergens határoknál alakulnak ki, akár a szárazföldön, akár a tengerfenéken. A nem viszkózus mafikus magma miatt általában viszonylag enyhe lejtésűek (2-10˚), és a nagyobbak átmérője meghaladhatja a 100 km-t is. A legismertebb pajzsvulkánok a Hawaii-szigeteket alkotják, és ezek közül csak a Hawaii nagy szigetén találhatóak aktívak. A Mauna Loa, a világ legnagyobb vulkánja és a világ (térfogatát tekintve) legnagyobb hegye utoljára 1984-ben tört ki. A Kilauea, a világ vitathatatlanul legaktívabb vulkánja 1983 óta gyakorlatilag megszakítás nélkül kitör. A Loihi egy víz alatti vulkán Hawaii délkeleti részén. Utoljára 1996-ban tört ki, de lehet, hogy azóta is kitört anélkül, hogy észlelték volna.

A hawaii vulkánok mindegyike kapcsolatban áll a Mauna Loa, a Kilauea és a Loihi alatt jelenleg húzódó köpenytölcsérrel (4.15. ábra). Ezen a területen a Csendes-óceáni lemez körülbelül 7 cm/év sebességgel mozog északnyugatra. Ez azt jelenti, hogy a korábban kialakult – és mára kialudt – vulkánok mára jócskán eltávolodtak a köpenyfúvástól. Ahogy a 4.15. ábrán látható, mindhárom aktív hawaii vulkán alatt kéregmagmakamrák találhatók. A Kilauea-nál a magmakamra több kilométer átmérőjűnek tűnik, és 8 km és 11 km között helyezkedik el a felszín alatt.

A Kilauea vulkán, bár nem egy kiemelkedő hegy (4.9. ábra), egy nagy kalderával rendelkezik a csúcsterületén (4.16. ábra). A kaldera olyan vulkáni kráter, amelynek átmérője meghaladja a 2 km-t; ez a kaldera 4 km hosszú és 3 km széles. Tartalmaz egy kisebb, Halema’uma’u kráter nevű elemet, amely összesen több mint 200 m mélyen van a környező terület alatt. A legtöbb vulkáni kráter és kaldera magmakamrák felett alakul ki, és a kráterfenék szintjét a magmatest által kifejtett nyomás mértéke befolyásolja. A történelmi idők során mind a Kilauea kaldera, mind a Halema’uma’u kráter padlója felfelé mozdult a magmakamra tágulása során, és lefelé a kamra leeresztése során.

A Kilauea kaldera egyik szembetűnő jellemzője a felszálló vízgőz (a 4.16. ábrán látható fehér felhő) és az erős kénszag (4.17. ábra). A magmás régiókra jellemző módon a víz a fő illékony komponens, amelyet a szén-dioxid és a kén-dioxid követ. Ezek és néhány kisebb gáz a mélyben lévő magmakamrából származnak, és a fedő kőzet repedésein keresztül emelkednek felfelé. A magma e gázmentesítésének döntő szerepe van a Kilauea kitörési stílusában, amely az elmúlt 30 év nagy részében effúziós, nem pedig robbanásos volt.

A Kilauea kitörése, amely 1983-ban kezdődött, egy hamukúp kialakulásával kezdődött a Pu’u ‘O’o-nál, a kalderától mintegy 15 km-re keletre (4.18. ábra). A kitörést tápláló magma a Keleti Hasadék néven ismert fő vezetékrendszer mentén áramlott, amely a kalderától mintegy 20 km hosszan húzódik, először délkeletre, majd keletre. A lávaáramlás és a Pu’u ‘O’o hamukúp építése (4.19a. ábra) 1986-ig folytatódott, amikor is az áramlás effuzívvá vált. 1986-tól 2014-ig a láva a Pu’u ‘O’o déli szárnyán lévő résből egy lávacsövön (4.19d. ábra) keresztül áramlott lefelé a Kilauea lejtőjén, és az óceánnál vagy annak közelében bukkant elő. A láva 2014 júniusa óta északkelet felé áramlik (lásd a 4.4. gyakorlatot).

Az effuzív szubaerikus kitörések során keletkező két fő textúratípus a pahoehoe és az aa. A pahoehoe, a nem viszkózus láva formájában képződő roppant láva finoman áramlik, és a láva folyamatos áramlása miatt a felszín alatt gélesedő, majd ráncosodó bőrt képez (4.19b. ábra és “lávaáramlási videó”). Az aa, vagy tömbös láva akkor alakul ki, amikor a magma gyorsabb áramlásra kényszerül, mint amilyenre képes (például egy lejtőn lefelé) (4.19c. ábra). A tephra (lávaszilánkok) robbanásszerű kitörések során keletkezik, és a salakkúpok közelében halmozódik fel.

A 4.19d. ábra a Kilauea déli peremén lévő aktív lávacsőbe nyújt betekintést. A vörös izzás egy nagyon forró lávafolyamból (~1200°C) származik, amely a föld alatt áramlott a Pu’u ‘O’o szellőzőnyílástól számított 8 km-es út nagy részén. A lávacsövek természetes módon és könnyen kialakulnak mind a pajzsvulkánokon, mind a kompozit vulkánokon, mivel az áramló mafikus láva a peremek közelében hűl le, szilárd lávacsöveket képezve, amelyek végül az áramlás tetején záródnak. A lávacsövekben lévő magma nincs kitéve a levegőnek, így forró és folyékony marad, és akár több tíz kilométer hosszan is áramolhat, ami hozzájárul a pajzsvulkánok nagy méretéhez és alacsony lejtéséhez. A hawaii vulkánok több ezer régi lávacsővel vannak átszőve, némelyik akár 50 km hosszú is lehet.

A Kilauea körülbelül 300 ka éves, míg a szomszédos Mauna Loa több mint 700 ka, a Mauna Kea pedig több mint 1 Ma. Ha a vulkanizmus ugyanúgy folytatódik a hawaii köpenyfúvóka felett, mint az elmúlt 85 Ma alatt, akkor valószínű, hogy a Kilauea még legalább 500 000 évig kitörni fog. Addigra a szomszédja, a Loihi is kiemelkedik a tengerfenékből, és a többi szomszédja, a Mauna Loa és a Mauna Kea is jelentősen erodálódik, akárcsak unokatestvéreik, az északnyugatra fekvő szigetek (4.15. ábra).

Nagy magmás tartományok

Míg a hawaii köpenyfúvóka nagyon hosszú időn keresztül (~85 Ma) viszonylag kis mennyiségű magmát termelt, más köpenyfúvókák kevésbé következetesek, és egyesek viszonylag rövid idő alatt hatalmas mennyiségű magmát termelnek. Bár eredetük még mindig vitatott, úgy gondolják, hogy a nagy vulkáni tartományokhoz (LIP) vezető vulkanizmus a köpenyfúvókákból származó, nagyon nagy mennyiségű, de viszonylag rövid ideig tartó magma kitöréseihez kapcsolódik. Egy LIP példája a Columbia River Basalt Group (CRGB), amely Washington, Oregon és Idaho államokban húzódik (4.20. ábra). Ez a vulkanizmus, amely mintegy 160 000 km2 -es területet borított be akár több száz méter vastagságú bazaltos kőzetekkel, 17 és 14 Ma között zajlott.

A legtöbb más LIP kitörés sokkal nagyobb. A szibériai csapdák (szintén bazalt), amelyek a perm végén, 250 Ma-ban törtek ki, a becslések szerint körülbelül 40-szer annyi lávát termeltek, mint a CRBG.

A köpenyfúvóka, amely feltételezhetően a CRBG-ért felelős, most a Yellowstone területe alatt található, ahol felsikus vulkanizmushoz vezet. Az elmúlt 2 Ma alatt három nagyon nagy robbanásos kitörés a Yellowstone-nál körülbelül 900 km3 felsikus magmát hozott létre, ami körülbelül 900-szorosa a Szent Helens-hegy 1980-as kitörésének, de csak 5%-a a CRBG mafikus magmájának.

Tengermélyi vulkanizmus

Néhány LIP kitörés történik a tengerfenéken, a legnagyobb az, amely a Csendes-óceán nyugati részén az Ontong Java-fennsíkot hozta létre 122 Ma körül. A legtöbb tengerfenéki vulkanizmus azonban divergens határoknál keletkezik, és viszonylag kis volumenű kitörésekkel jár. Ilyen körülmények között a hideg tengervízbe szivárgó forró láva kívülről gyorsan lehűl, majd kicsit úgy viselkedik, mint a fogkrém. Az így keletkező lávatömböket párnáknak nevezik, és általában halmokat alkotnak a tengerfenéki láva-kilövőnyílások körül (4.21. ábra). A területet tekintve nagy valószínűséggel több párnabazalt található a tengerfenéken, mint bármely más kőzettípus a Földön.

Kimberlitek

Míg az eddig tárgyalt összes vulkanizmusról úgy gondoljuk, hogy a felső köpenyben vagy a kéregben lévő részleges olvadásból ered, létezik a vulkánoknak egy speciális osztálya, a kimberlitek, amelyek sokkal mélyebben, 150 km és 450 km közötti mélységben, a köpenyben keletkeznek. Egy kimberlitkitörés során az ilyen mélységből származó anyag gyorsan (órák vagy napok alatt) feljuthat a felszínre, a környező kőzetekkel való csekély kölcsönhatás mellett. Ennek eredményeként a kimberlit kitörés anyaga reprezentatív a köpeny összetételére: ultramafikus.

A 200 km-nél nagyobb mélységben, régi vastag kéreg (pajzs) alatti területeken keletkező kimberlit kitörések áthaladnak a gyémánt stabilitási régióján a köpenyben, és egyes esetekben gyémánttartalmú anyagot hoznak a felszínre. A Föld összes gyémántlelőhelye feltehetően így keletkezett; erre példa a gazdag Ekati-bánya az Északnyugati Területeken (4.22. ábra).

Az Ekati kimberlitek 45 és 60 Ma között törtek ki. Sok kimberlit régebbi, némelyik sokkal régebbi. A történelmi időkben nem volt kimberlitkitörés. A legfiatalabb ismert kimberlitek a tanzániai Igwisi-hegységben találhatók, és csak kb. 10 000 évesek. A következő legfiatalabb ismertek körülbelül 30 Ma évesek.