Як працюють вулкани: Магма, тиск та фізика вивержень

Розплав, який не повинен розплавлятися

Мантія переважно тверда перідотитова, утримується в твердому стані завдяки надзвичайному тиску, незважаючи на температури 1300-1500°C. Три механізми достатньо порушують цей баланс, щоб створити розплав: декомпресійне розплавлення на середньоокеанічних хребтах, де піднімається мантійний камінь декомпресується швидше, ніж він охолоджується; флюсне розплавлення у субдукційних зонах, де вода, виділена тонувшим плитом, знижує температуру плавлення навколишніх порід; та передача тепла від мантійних плінтів під гарячими точками, як-от Гаваї та Ісландія. Вихідний склад силікатів магми вирішує все подальше — базальтова магма (~50% SiO₂) гаряча і рідка, риолітична магма (~75% SiO₂) в'язка та багата на гази.

Магма піднімається завдяки плавучості

Магма менш щільна, ніж тверда порода навколо неї, тому вона підіймається так само, як піднімається нафта у воді. Під час підйому знижується тиск, що дозволяє розчиненим газам – H₂O, CO₂, SO₂ – виходити з розчину та утворювати бульбашки, процес, який називається весікуляцією. На глибині 8 км базальтовий расплав може містити близько 4% об’ємно води; поблизу поверхні ця розчинність падає до кількох відсотків, тому вивільнення газу приблизно на поверхні відбувається дуже швидко – ключовий етап, який відділяє тиху виверження від вибухового.

ΔP/Δz = (ρ_rock − ρ_melt) · g ≈ (3300 − 2600) × 9.8 ≈ 6860 Pa/m
η_basalt  ≈ 10²–10³ Pa·s   (honey-like at ~1200°C)
η_rhyolite ≈ 10⁶–10¹² Pa·s  (near-solid at surface conditions)

Чотири способи виверження вулкана

Стиль виверження є спектром, який визначається в’язкістю магми та вмістом газів. Виверження Гавайського типу - це витікання мастичного базальту з фонтанів лави та потоків, а гази поступово виділяються (Кілауеа). Виверження Струмові – це чергові вибухи, коли великі газові кишені піднімаються і лопаються, викидаючи лавові бомби на відстань до 300 м. Вулканічні виверження - короткі насильницькі вибухи, які виганяють затверділий конус, що закриває отвір. Планітні виверження – названі на честь опису Плінієм Старшим виверження Везувію в 79 році н.е., характеризуються тривалим струменем попелу та лави, який досягає stratosphere на відстань від 40 до 50 км, з швидкістю викиду маси, що перевищує 10⁸ кг/с.

Column height (Morton-Taylor-Turner plume equation):
H ≈ k · Q^(1/4)      k ≈ 0.24 km/(kg/s)^(1/4)
Q = 10⁸ kg/s  →  H ≈ 0.24 × (10⁸)^0.25 ≈ 24 km

Лава, що тече, та камінь, що летить

Лава поводиться як бінґмовська пластична – вона тече лише тоді, коли перевищено межу опору за зсувом, встановлену суспензією кристалів і везіол. Повільна лава низької в’язкості утворює гладкі ропові пахоео; швидша, густіша лава розрізає свою власну коросту на гострий «а'а» сміття. Коли руйнується Плінійський стовп, гаряча суміш попелу та газів стає щільнішою за повітря і з шаленою швидкістю котиться вниз як пірокластична щільність струм – до 700 км/год, 300-800°C, що відповідає за більшість смертей від вулканів в історії, включаючи вибух Понтії у 79 році н.е.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.