Fysisk geologi

Det finns många olika typer av vulkaner eller vulkaniska källor; några av de vanligaste sammanfattas i tabell 4.1.

Tabell 4.1 En sammanfattning av de viktiga typerna av vulkanism

Storlekarna och formerna hos typiska sköldvulkaner, kompositvulkaner och askungekonvulkaner jämförs i figur 4.9, även om, för att vara rättvis, Mauna Loa är den största sköldvulkanen på jorden; alla andra är mindre. Mauna Loa reser sig från den omgivande platta havsbotten och dess diameter är i storleksordningen 200 km. Dess höjd är 4 169 meter över havet. Mount St. Helens, en sammansatt vulkan, reser sig över de omgivande kullarna i Cascade Range. Dess diameter är cirka 6 km och dess höjd är 2 550 m över havet. Sintelkottar är mycket mindre. På den här ritningen är till och med en stor askungekon bara en prick.

Saskungekon, som Eve Cone i norra B.C. (figur 4.10), är vanligtvis bara några hundra meter i diameter, och få är mer än 200 m höga. De flesta består av fragment av vesikulära mafiska bergarter (scoria) som stöttes ut när magman kokade när den närmade sig ytan och skapade eldfontäner. I många fall blev dessa senare effusiva (lavaströmmar) när gaserna tog slut. De flesta askungekonerna är monogenetiska, vilket innebär att de bildades under en enda eruptionsfas som kan ha varat i veckor eller månader. Eftersom askungekonerna nästan uteslutande består av lösa fragment har de mycket liten hållfasthet. De kan lätt, och relativt snabbt, eroderas bort.

Kompositvulkaner

Kompositvulkaner, som Mt. St. Helens i Washington State (figur 4.11), är nästan alla förknippade med subduktion vid konvergerande plangränser – antingen ocean-kontinent- eller ocean-oceangränser (figur 4.4b). De kan sträcka sig upp till flera tusen meter från den omgivande terrängen, och med lutningar på upp till 30˚ är de vanligtvis upp till 10 km breda. Vid många sådana vulkaner lagras magma i en magmakammare i den övre delen av jordskorpan. Vid Mt. St. Helens finns det till exempel bevis för en magmakammare som är cirka 1 km bred och sträcker sig från cirka 6 km till 14 km under ytan (figur 4.12). Systematiska variationer i sammansättningen av vulkanism under de senaste flera tusen åren vid Mt. St. Helens innebär att magmakammaren är zonerad, från mer brännstenshaltig i toppen till mer mafisk i botten.

Mafiska utbrott (och vissa intermediära utbrott) ger å andra sidan upphov till lavaströmmar; den som visas i figur 4.13b är tillräckligt tjock (ca 10 m totalt) för att ha svalnat i ett kolonnformigt fogmönster (figur 4.14). Lavaflöden både plattar ut vulkanens profil (eftersom lavan vanligtvis flyter längre än pyroklastiskt skräp faller) och skyddar de fragmentariska avlagringarna från erosion. Trots detta tenderar sammansatta vulkaner att erodera snabbt. Patrick Pringle, vulkanolog vid Washington State Department of Natural Resources, beskriver Mount St. Helens som en ”skrothög”. Den sten som utgör Mt. St. Helens varierar i sammansättning från rhyolit (figur 4.13a) till basalt (figur 4.13b); detta innebär att typerna av tidigare utbrott har varierat mycket i karaktär. Som redan nämnts flödar felsisk magma inte lätt och tillåter inte gaser att lätt komma ut. Under dessa omständigheter byggs trycket upp tills en kanal öppnas, och då uppstår ett explosivt utbrott från den gasrika övre delen av magmakammaren, som producerar pyroklastiskt skräp, vilket visas i figur 4.13a. Den här typen av utbrott kan också leda till snabb smältning av is och snö på en vulkan, vilket vanligtvis utlöser stora slamströmmar som kallas lahars (figur 4.13a). Heta, snabbt rörliga pyroklastiska flöden och lahars är de två främsta orsakerna till dödsfall vid vulkanutbrott. Pyroklastiska flöden dödade cirka 30 000 människor under utbrottet 1902 av berget Pelée på den karibiska ön Martinique. De flesta brändes i sina hem. År 1985 dödade en massiv lahar, som utlöstes av Nevado del Ruiz utbrott, 23 000 människor i den colombianska staden Armero, cirka 50 km från vulkanen.

I ett geologiskt sammanhang tenderar kompositvulkaner att bildas relativt snabbt och inte vara särskilt långvariga. Mount St. Helens består till exempel av bergarter som alla är yngre än 40 000 år; det mesta av dem är yngre än 3 000 år. Om dess vulkaniska aktivitet upphör kan den erodera bort inom några tiotusentals år. Detta beror till stor del på förekomsten av pyroklastiskt eruptionsmaterial, som inte är starkt.

Sköldvulkaner

De flesta sköldvulkaner är förknippade med mantelplymer, även om vissa bildas vid divergerande gränser, antingen på land eller på havsbotten. På grund av deras icke viskösa mafiska magma tenderar de att ha relativt mjuka lutningar (2 till 10˚) och de större kan vara över 100 km i diameter. De mest kända sköldvulkanerna är de som utgör Hawaiiöarna, och av dessa är de enda aktiva på Hawaiis stora ö. Mauna Loa, världens största vulkan och världens största berg (till volymen), hade sitt senaste utbrott 1984. Kilauea, världens kanske mest aktiva vulkan, har haft utbrott praktiskt taget utan avbrott sedan 1983. Loihi är en undervattensvulkan på den sydöstra sidan av Hawaii. Man vet att den senast hade ett utbrott 1996, men den kan ha haft utbrott sedan dess utan att ha upptäckts.

Alla Hawaiivulkaner är relaterade till den mantelplym som för närvarande ligger under Mauna Loa, Kilauea och Loihi (figur 4.15). I detta område rör sig Stillahavsplattan mot nordväst med en hastighet av cirka 7 cm/år. Detta innebär att de tidigare bildade – och nu slocknade – vulkanerna nu har rört sig en bra bit bort från mantelplymen. Som framgår av figur 4.15 finns det bevis för att det finns magmakammare i jordskorpan under alla tre aktiva Hawaiivulkaner. Vid Kilauea verkar magmakammaren vara flera kilometer i diameter och ligger mellan 8 km och 11 km under ytan.

Och även om Kilauea-vulkanen inte är något framträdande berg (figur 4.9), så har den en stor caldera i sitt toppområde (figur 4.16). En caldera är en vulkanisk krater som är mer än 2 km i diameter; den här är 4 km lång och 3 km bred. Den innehåller ett mindre inslag som kallas Halema’uma’u-kratern, som har ett totalt djup på över 200 m under det omgivande området. De flesta vulkankratrar och kalderor bildas ovanför magmakammare, och nivån på kraterbotten påverkas av det tryck som utövas av magmakroppen. Under historisk tid har golven i både Kilauea caldera och Halema’uma’u-kratern rört sig uppåt under magmakammarens expansion och nedåt under kammarens deflation.

Ett av de iögonfallande dragen i Kilauea caldera är stigande vattenånga (det vita molnet i figur 4.16) och en stark lukt av svavel (figur 4.17). Som är typiskt för magmatiska områden är vatten den viktigaste flyktiga komponenten, följt av koldioxid och svaveldioxid. Dessa, och några mindre gaser, kommer från magmakammaren på djupet och stiger upp genom sprickor i den överliggande berggrunden. Denna avgasning av magman är avgörande för utbrottsstilen vid Kilauea, som under större delen av de senaste 30 åren har varit effusiv, inte explosiv.

Kilauea-utbrottet som inleddes 1983 började med bildandet av en koksformad aska vid Pu’u ’O’o, cirka 15 km öster om calderan (figur 4.18). Den magma som gav näring åt detta utbrott flödade längs ett större ledningssystem som kallas East Rift och som sträcker sig cirka 20 km från calderan, först åt sydost och sedan åt öster. Lavafontänen och byggandet av Pu’u ’O’o-sintringskotten (figur 4.19a) fortsatte fram till 1986, då flödet blev effusivt. Från 1986 till 2014 flödade lava från en spricka i Pu’u ’O’o:s södra flank nedför Kilaueas sluttning genom ett lavarör (figur 4.19d) och kom ut vid eller nära havet. Sedan juni 2014 har lavan flödat åt nordost (se övning 4.4).

De två huvudsakliga typerna av texturer som skapas vid effusiva subaeriala utbrott är pahoehoe och aa. Pahoehoe, ropig lava som bildas som icke viskös lava, flyter försiktigt och bildar en hud som gelerar och sedan rynkar sig på grund av det pågående flödet av lava under ytan (figur 4.19b och ”lava flow video”). Aa, eller blockig lava, bildas när magma tvingas flyta snabbare än vad den kan (nedför en sluttning till exempel) (figur 4.19c). Tefra (lavafragment) bildas vid explosiva utbrott och ansamlas i närheten av askungekonerna.

Figur 4.19d är en vy in i ett aktivt lavatunnel på Kilaueas södra kant. Det röda glöden kommer från en ström av mycket varm lava (~1200°C) som har strömmat under jorden under större delen av de 8 km från Pu’u ’O’o-utloppet. Lavarör bildas naturligt och lätt på både sköldvulkaner och kompositvulkaner eftersom flödande mafisk lava helst svalnar nära dess ränder och bildar fasta lavavägar som så småningom sluter sig över toppen av flödet. Magman i ett lavatunnel är inte exponerad för luft, så den förblir varm och flytande och kan flyta i tiotals kilometer, vilket bidrar till sköldvulkanernas stora storlek och låga lutning. De hawaiiska vulkanerna är genomsyrade av tusentals gamla lavatunnlar, vissa så långa som 50 km.

Kilauea är ungefär 300 ka gammal, medan grannlunden Mauna Loa är över 700 ka och Mauna Kea är över 1 Ma. Om vulkanismen fortsätter ovanför Hawaiis mantelplym på samma sätt som den har gjort under de senaste 85 Ma är det troligt att Kilauea kommer att fortsätta att ha utbrott i minst 500 000 år till. Vid den tiden kommer dess granne, Loihi, att ha kommit upp ur havsbotten, och dess andra grannar, Mauna Loa och Mauna Kea, kommer att ha blivit kraftigt eroderade, liksom deras kusiner, öarna i nordväst (figur 4.15).

Large Igneous Provinces

Medan Hawaiis mantelplym har producerat en relativt låg volym magma under mycket lång tid (~85 Ma) är andra mantelplymer mindre konsekventa, och vissa genererar enorma volymer magma under relativt korta tidsperioder. Även om deras ursprung fortfarande är kontroversiellt, tror man att den vulkanism som leder till stora magmaprovinser (LIP) är relaterad till mycket stora volymer men relativt kortvariga utbrott av magma från mantelplymer. Ett exempel på en LIP är Columbia River Basalt Group (CRGB), som sträcker sig över Washington, Oregon och Idaho (figur 4.20). Denna vulkanism, som täckte ett område på cirka 160 000 km2 med basaltiska bergarter som var upp till flera hundra meter tjocka, ägde rum mellan 17 och 14 Ma.

De flesta andra LIP-utbrott är mycket större. De sibiriska fällorna (också basalt), som bröt ut i slutet av permperioden vid 250 Ma, beräknas ha producerat ungefär 40 gånger så mycket lava som CRBG.

Den mantelplym som antas vara ansvarig för CRBG ligger nu under Yellowstoneområdet, där den leder till felsisk vulkanism. Under de senaste 2 Ma har tre mycket stora explosiva utbrott vid Yellowstone gett upphov till cirka 900 km3 felsisk magma, cirka 900 gånger volymen från 1980 års utbrott av Mt. St. Helens, men endast 5 % av volymen mafisk magma i CRBG.

Vulkanism på havsbotten

Vulkanism på havsbotten

En del LIP-utbrott inträffar på havsbotten, varav det största är det som skapade Ontong Javaplattan i västra Stilla havet vid cirka 122 Ma. Men den mesta vulkanismen på havsbotten har sitt ursprung vid divergerande gränser och omfattar utbrott med relativt låg volym. Under dessa förhållanden kyls varm lava som sipprar ut i det kalla havsvattnet snabbt av på utsidan och beter sig sedan lite som tandkräm. De resulterande lavaklumparna kallas kuddar, och de tenderar att bilda högar runt en lavaström på havsbotten (figur 4.21). Sett till ytan finns det med stor sannolikhet mer kuddbasalt på havsbotten än någon annan typ av sten på jorden.

Kimberliter

Men medan all vulkanism som diskuterats hittills tros ha sitt ursprung i partiell smältning i den övre manteln eller i jordskorpan, finns det en speciell klass av vulkaner som kallas kimberliter och som har sitt ursprung mycket djupare ner i manteln, på 150 km till 450 km djup. Under ett kimberlitutbrott kan material från detta djup ta sig upp till ytan snabbt (timmar till dagar) med liten interaktion med de omgivande bergarterna. Därför är kimberlitutbrottsmaterialet representativt för mantelns sammansättning: det är ultramafisk.

Kimberlitutbrott som har sitt ursprung på större djup än 200 km, inom områden under gamla tjocka skikt (sköldar), passerar genom det område där diamanter är stabila i manteln, och i vissa fall tar de upp diamantifyllt material till ytan. Alla diamantfyndigheter på jorden antas ha bildats på detta sätt; ett exempel är den rika Ekati-gruvan i de nordvästra territorierna (figur 4.22).

Kimberliterna vid Ekati bröt ut mellan 45 och 60 Ma. Många kimberliter är äldre, vissa mycket äldre. Det har inte förekommit några kimberlitutbrott under historisk tid. De yngsta kända kimberliterna finns i Igwisi Hills i Tanzania och är endast cirka 10 000 år gamla. De näst yngsta kända är cirka 30 Ma gamla.