Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Вулканические газы, попадающие в атмосферу с тефрой во время извержения вулкана Августин , Аляска , 2006 г.
Эскиз, показывающий типичные модели выбросов двуокиси углерода из вулканических и магматических систем
Схема извержения вулкана
Вог на Гавайях , извержения Килауэа в 2008 г.
Лавовые фонтаны в Холухрауне
Колонны смешанного извержения в Холухрауне , Исландия , в 2014 г.
Средние выбросы углекислого газа (CO2) субаэральными вулканами в мире с 2005 по 2017 гг.
Поле дегазации лавы , Холухраун, Исландия
Дегазация на высшем уровне кратера в Вилларрике, Чили
Дегазация mudpots в Hverarönd высокотемпературной геотермальной области, Krafla системы, Северной Исландии
Дегазация в Гранд Призматическом источнике, Йеллоустонский национальный парк

Вулканические газы - это газы, выделяемые активными (или иногда бездействующими) вулканами . К ним относятся газы, задержанные в полостях ( пузырьках ) в вулканических породах , растворенные или диссоциированные газы в магме и лаве или газы, исходящие из лавы, из вулканических кратеров или жерл. Вулканические газы могут также выделяться через грунтовые воды, нагретые в результате вулканического воздействия .

К источникам вулканических газов на Земле относятся:

  • первичные и переработанные компоненты мантии Земли ,
  • ассимилированные составляющие земной коры ,
  • подземные воды и атмосфера Земли .

Вещества, которые могут стать газообразными или выделять газы при нагревании, называются летучими веществами.

Состав [ править ]

Основными компонентами вулканических газов являются водяной пар (H 2 O), диоксид углерода (CO 2 ), сера в виде диоксида серы (SO 2 ) (высокотемпературные вулканические газы) или сероводорода (H 2 S) (низкотемпературные вулканические газы), азот , аргон , гелий , неон , метан , окись углерода и водород . Другие соединения, обнаруженные в вулканических газах, - это кислород (метеорный),хлористый водород , фтористый водород , бромистый водород , гексафторид серы , сульфид карбонила , и органические соединения . Экзотические следовые соединения включают ртуть , галоидоуглероды (включая CFC ) и радикалы оксида галогена .

Содержание газов значительно варьируется от вулкана к вулкану, в зависимости от вулканической активности и тектонической обстановки. Водяной пар неизменно является самым распространенным вулканическим газом, обычно составляющим более 60% всех выбросов. На двуокись углерода обычно приходится от 10 до 40% выбросов. [1]

Вулканы, расположенные на границах сходящихся плит, выделяют больше водяного пара и хлора, чем вулканы в горячих точках или на границах расходящихся плит . Это вызвано добавлением морской воды в магмы, образовавшиеся в зонах субдукции . Вулканы на границе сходящихся плит также имеют более высокие отношения H 2 O / H 2 , H 2 O / CO 2 , CO 2 / He и N 2 / He, чем вулканы на границе горячих точек или расходящихся плит. [1]

Магматические газы и высокотемпературные вулканические газы [ править ]

Магма содержит растворенные летучие компоненты , как описано выше. Растворимость различных летучих компонентов зависит от давления, температуры и состава магмы . По мере того, как магма поднимается к поверхности, давление окружающей среды уменьшается, что снижает растворимость растворенных летучих веществ. Как только растворимость падает ниже концентрации летучих, летучие вещества будут стремиться выходить из раствора внутри магмы (exsolve) и образовывать отдельную газовую фазу (магма перенасыщена летучими веществами).

Первоначально газ будет распределяться по магме в виде маленьких пузырьков, которые не могут быстро подняться через магму. По мере подъема магмы пузырьки растут за счет комбинации расширения за счет декомпрессии и роста, поскольку растворимость летучих веществ в магме еще больше уменьшается, вызывая выделение большего количества газа. В зависимости от вязкости магмы пузырьки могут начать подниматься через магму и сливаться, или они остаются относительно неподвижными, пока не начнут соединяться и образовывать непрерывно связанную сеть. В первом случае пузырьки могут подниматься сквозь магму и накапливаться на вертикальной поверхности, например, на «крыше» магматического очага. В вулканах с открытым выходом на поверхность, например на Стромболи в Италии.пузыри могут достигать поверхности и при их взрыве происходят небольшие взрывы. В последнем случае газ может быстро течь через непрерывную проницаемую сеть к поверхности. Этот механизм использовался для объяснения активности вулкана Сантьягуито, вулкан Санта-Мария , Гватемала [2] и вулкана Суфриер-Хиллс , Монтсеррат . [3]Если газ не может достаточно быстро выйти из магмы, он раздробит магму на мелкие частицы пепла. Псевдоожиженный зола имеет гораздо меньшее сопротивление движению, чем вязкая магма, поэтому ускоряется, вызывая дальнейшее расширение газов и ускорение смеси. Эта последовательность событий вызывает взрывной вулканизм. Может ли газ выходить мягко (пассивные извержения) или нет (взрывные извержения), определяется общим содержанием летучих веществ в исходной магме и вязкостью магмы, которая контролируется ее составом.

Термин «дегазация закрытой системы» относится к случаю, когда газ и его родительская магма поднимаются вместе и в равновесии друг с другом. Состав выделяемого газа находится в равновесии с составом магмы при давлении и температуре, при которых газ покидает систему. При дегазации «открытой системы» газ покидает свою родительскую магму и поднимается вверх через вышележащую магму, не оставаясь в равновесии с этой магмой. Газ, выделяющийся на поверхности, имеет состав, который является средним массовым расходом магмы, разложившейся на различных глубинах, и не является репрезентативным для условий магмы на любой одной глубине.

Расплавленная порода (магма или лава) вблизи атмосферы выделяет высокотемпературный вулканический газ (> 400 ° C). При взрывных извержениях вулканов внезапное выделение газов из магмы может вызвать быстрые движения расплавленной породы. Когда магма встречается с водой, морской водой, озерной водой или грунтовыми водами, она может быстро фрагментироваться. Быстрое расширение газов - движущий механизм большинства взрывных вулканических извержений. Однако значительная часть выделения вулканического газа происходит во время квазинепрерывных спокойных фаз активного вулканизма.

Низкотемпературные вулканические газы и гидротермальные системы [ править ]

Когда магматический газ, движущийся вверх, встречается с метеорной водой в водоносном горизонте , образуется пар. Скрытое магматическое тепло также может вызывать подъем метеорных вод в паровой фазе. Продолжительное взаимодействие этой горячей смеси флюид-порода может выщелачивать составляющие из остывающей магматической породы, а также из вмещающей породы , вызывая объемные изменения и фазовые переходы, реакции и, таким образом, увеличение ионной силы восходящей перколяционной жидкости. Этот процесс также снижает pH жидкости . Охлаждение может вызвать разделение фаз и отложение минералов , сопровождающееся переходом к более восстановительным условиям. При поверхностном проявлении таких гидротермальныхВ системах низкотемпературные вулканические газы (<400 ° C) выделяются либо в виде парогазовых смесей, либо в растворенной форме в горячих источниках . На дне океана такие горячие перенасыщенные гидротермальные жидкости образуют гигантские дымовые трубы, называемые черными курильщиками , в точке выброса в холодную морскую воду .

С течением геологического времени этот процесс гидротермального выщелачивания, изменения и / или повторного отложения минералов в вмещающих породах представляет собой эффективный процесс концентрирования, в результате которого образуются определенные типы экономически ценных рудных месторождений.

Невзрывоопасный выброс вулканического газа [ править ]

Выделение газа может происходить путем адвекции через трещины или посредством диффузной дегазации через большие площади проницаемого грунта в виде структур диффузной дегазации (DDS). В местах адвективной потери газа осадки серы и редких минералов образуют серные отложения и небольшие серные дымоходы, называемые фумаролами . [4] Очень низкотемпературные (ниже 100 ° C) фумарольные структуры также известны как сольфатары . Участки холодной дегазации преимущественно двуокиси углерода называются мофетами . Горячие источники на вулканах часто содержат измеримое количество магматического газа в растворенной форме.

Текущие выбросы вулканических газов в атмосферу [ править ]

Современные глобальные выбросы вулканических газов в атмосферу можно охарактеризовать как выбросы во время извержений и выбросы во время неэруптивной деятельности. Хотя все вулканические газы выбрасываются в атмосферу, выбросы CO 2 ( парниковый газ ) и SO 2 изучаются больше всего.

Давно признано, что выбросы SO 2 во время извержений намного меньше, чем во время пассивной дегазации. [5] [6] Fischer et al (2019) подсчитали, что с 2005 по 2015 годы выбросы SO 2 во время извержений составляли 2,6 тераграмм (10 12 г или Тг) в год [7], а в периоды отсутствия извержений или пассивной дегазации. составили 23,2 ± 2Тг в год. [7] За тот же интервал времени выбросы CO 2 вулканами во время извержений оценивались в 1,8 ± 0,9 Тг в год [7], а во время неэруптивной активности - 51,3 ± 5,7 Тг в год. [7] Следовательно, CO 2выбросы во время извержений вулканов составляют менее 10% выбросов CO 2, выделяемых во время вулканической активности без извержения.

В результате извержения вулкана Пинатубо ( VEI 6) на Филиппинах 15 июня 1991 г. было выделено в общей сложности 18 ± 4 Тг SO 2 . [8] Такие крупные извержения VEI 6 редки и происходят только раз в 50–100 лет. В результате извержения вулкана Эйяфьятлайокудль (VEI 4) в Исландии в 2010 году было выброшено 5,1 тг CO 2 . [9] VEI 4 извержения происходят примерно раз в год.

Для сравнения, деятельность человека по сжиганию ископаемого топлива и производству цемента выбросила в атмосферу 36 300 тг CO 2 в 2015 году. [10] Таким образом, количество CO 2, выброшенное в результате деятельности человека, в 600 раз превышает количество CO 2 в настоящее время. выпущен вулканами. Некоторые недавние оценки вулканических выбросов CO 2 выше, чем у Fischer et al (2019); [7] оценка Бертона и др. (2013) 540 тг CO 2 / год [11] и оценка Werner et al. (2019) 220 - 300 тг CO 2 / год[9] учитывают диффузные выбросыCO 2 из вулканических регионов. Даже с учетом самой высокой оценкивыбросоввулканического CO 2 в 540 тг CO 2 в год, текущиевыбросыCO 2 в результате деятельности человека в размере 36 300 тг CO 2 в год в 67 раз выше.

Зондирование, сбор и измерение [ править ]

Вулканические газы были собраны и проанализированы еще в 1790 году Сципионе Брейслаком в Италии. [12] Состав вулканических газов зависит от движения магмы внутри вулкана. Поэтому внезапные изменения в составе газа часто предвещают смену вулканической активности. Соответственно, большая часть мониторинга опасностей вулканов включает регулярное измерение газовых выбросов. Например, увеличение содержания CO 2 в газах на Стромболи приписывают введению свежей богатой летучими веществами магмы на глубину внутри системы. [13]

Вулканические газы могут быть обнаружены (измерены на месте) или взяты пробы для дальнейшего анализа. Зондирование вулканического газа может быть:

  • в газе с помощью электрохимических сенсоров и проточных инфракрасных газовых ячеек
  • вне газа с помощью наземной или воздушной дистанционной спектроскопии, например, корреляционной спектроскопии (COSPEC), дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии (DOAS) или инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR).

Диоксид серы (SO 2 ) сильно поглощает ультрафиолетовые волны и имеет низкие фоновые концентрации в атмосфере. Эти характеристики делают диоксид серы хорошей мишенью для мониторинга вулканических газов. Его можно обнаружить с помощью спутниковых инструментов, которые позволяют осуществлять глобальный мониторинг, а также с помощью наземных инструментов, таких как DOAS. Массивы DOAS размещаются рядом с некоторыми хорошо контролируемыми вулканами и используются для оценки потока выбрасываемого SO 2 . Система Газоанализатор многокомпонентный (Multi-GAS) , также используется для дистанционного измерения CO 2 , SO 2 и H 2 S. [14]Потоки других газов обычно оцениваются путем измерения соотношений различных газов в вулканическом шлейфе, например, с помощью FTIR, электрохимических датчиков на краю кратера вулкана или прямого отбора проб и умножения отношения интересующего газа к SO 2 на SO 2 флюс.

Прямой отбор проб вулканического газа часто осуществляется методом, включающим откачанную колбу с щелочным раствором, который впервые использовал Роберт Бунзен (1811-1899), а затем усовершенствовал немецкий химик Вернер Ф. Гиггенбах (1937-1997), получивший название Бутылка Гиггенбаха . Другие методы включают сбор в вакуумированных пустых контейнерах, в проточных стеклянных трубках, в бутылях для промывки газа (криогенные скрубберы), на пропитанных фильтрующих пакетах и ​​в трубках с твердым адсорбентом.

Аналитические методы для проб газа включают газовую хроматографию с детектированием теплопроводности (TCD), пламенно-ионизационным детектором (FID) и масс-спектрометрией (GC-MS) для газов, а также различные влажные химические методы для растворенных веществ (например, ацидиметрическое титрование растворенного CO 2 , и ионная хроматография на сульфат , хлорид , фторид ). Следы металлов, органические следы и изотопный состав обычно определяют с помощью различных масс-спектрометрических методов.

Вулканические газы и мониторинг вулканов [ править ]

Основная статья: Прогноз вулканической активности

Некоторые составляющие вулканических газов могут показывать очень ранние признаки изменения условий на глубине, что делает их мощным инструментом для прогнозирования неминуемых волнений. При использовании в сочетании с данными мониторинга сейсмичности и деформации корреляционный мониторинг обеспечивает большую эффективность. Мониторинг вулканического газа - стандартный инструмент любой вулканической обсерватории . К сожалению, для получения наиболее точных композиционных данных по-прежнему требуются опасные полевые выборочные кампании. Однако в 1990-е годы методы дистанционного зондирования сильно продвинулись вперед. Проект Deep Earth Carbon Degassing Project использует дистанционное зондирование Multi-GAS для непрерывного мониторинга 9 вулканов.

Опасности [ править ]

Вулканические газы были непосредственной причиной приблизительно 3% всех смертей людей, связанных с вулканами, между 1900 и 1986 годами. [1] Некоторые вулканические газы убивают из-за кислотной коррозии ; другие убивают от удушья . Некоторые вулканические газы, включая диоксид серы, хлористый водород, сероводород и фтороводород, реагируют с другими атмосферными частицами с образованием аэрозолей . [1]

См. Также [ править ]

  • Миндалина

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б в г Х. Сигурдссон и др. (2000) Энциклопедия вулканов , Сан-Диего, Academic Press
  2. ^ Holland et al. (2011), Процессы дегазации во время роста лавового купола: выводы из лавового купола Сантьягуито, Гватемала , Journal of Volcanology and Geothermal Research vol. 202 с. 153-166.
  3. ^ Hautmann et al. (2014), Анализ поля деформаций на Монтсеррате (Висконсин) как инструмент для оценки путей проницаемых потоков в магматической системе вулкана Суфриер-Хиллс , Геохимия, геофизика, Geosystems vol. 15 п676-690
  4. ^ Тролль, Валентин Р .; Хилтон, Дэвид Р .; Jolis, Ester M .; Chadwick, Jane P .; Блайт, Лара С .; Диган, Фрэнсис М .; Schwarzkopf, Lothar M .; Циммер, Мартин (2012). «Освобождение CO2 земной корой во время извержения вулкана Мерапи и землетрясения 2006 г., Индонезия» . Письма о геофизических исследованиях . 39 (11). DOI : 10.1029 / 2012GL051307 . ISSN  1944-8007 .
  5. ^ Berresheim, H .; Яешке В. (1983). «Вклад вулканов в глобальный бюджет серы в атмосфере» . Журнал геофизических исследований . 88 (6): 3732. DOI : 10,1029 / JC088iC06p03732 . ISSN 0148-0227 . 
  6. ^ Андрес, RJ; Kasgnoc, AD (1998-10-20). «Усредненная по времени инвентаризация субаэральных выбросов вулканической серы» . Журнал геофизических исследований: атмосферы . 103 (D19): 25251–25261. DOI : 10.1029 / 98JD02091 .
  7. ^ a b c d e Фишер, Тобиас П .; Арельяно, Сантьяго; Карн, Саймон; Айуппа, Алессандро; Галле, Бо; Аллард, Патрик; Лопес, Тарин; Шинохара, Хироши; Келли, Питер; Вернер, Синтия; Карделлини, Карло (2019). «Выбросы CO 2 и других летучих веществ из субаэральных вулканов мира» . Научные отчеты . 9 (1): 18716. DOI : 10.1038 / s41598-019-54682-1 . ISSN 2045-2322 . PMC 6904619 . PMID 31822683 .   
  8. ^ Го, Сун; Bluth, Gregg JS; Роза, Вильгельм I; Уотсон, И. Мэтью; Прата, AJ (2004). «Повторная оценка выброса SO 2 в результате извержения Пинатубо 15 июня 1991 года с использованием спутниковых датчиков ультрафиолетового и инфракрасного диапазона» . Геохимия, геофизика, геосистемы . 5 (4): н / д – н / д. DOI : 10.1029 / 2003GC000654 .
  9. ^ а б Вернер, Синтия; Фишер, Тобиас П .; Айуппа, Алессандро; Эдмондс, Мари; Карделлини, Карло; Карн, Саймон; Кьодини, Джованни; Коттрелл, Элизабет; Бертон, Майк (2019-10-31), «Выбросы углекислого газа из субаэральных вулканических регионов» , Deep Carbon , Cambridge University Press, стр. 188–236, ISBN 978-1-108-67795-0, получено 10.09.2020
  10. ^ Ле Кере, Коринн; Эндрю, Робби М .; Canadell, Josep G .; Ситч, Стивен; Корсбаккен, Ян Ивар; Peters, Glen P .; Мэннинг, Эндрю С .; Boden, Thomas A .; Tans, Pieter P .; Houghton, Ричард А .; Килинг, Ральф Ф. (14 ноября 2016 г.). «Глобальный углеродный бюджет 2016» . Данные науки о Земле . 8 (2): 605–649. DOI : 10.5194 / ЭСУР-8-605-2016 . ISSN 1866-3516 . 
  11. ^ Бертон, Майкл Р .; Сойер, Джорджина М .; Граньери, Доменико (2013-12-31), «11. Глубинные выбросы углерода из вулканов» , Carbon in Earth , Берлин, Бостон: De Gruyter, стр. 323–354, ISBN 978-1-5015-0831-8, получено 10.09.2020
  12. ^ Н. Морелло (редактор) (1998), вулканы и история , Генуя, Бригати
  13. ^ Бертон и др. (2007) Магматический газовый состав показывает глубину источника вызванной снарядом стромболианской взрывной активности. Наука, том 317, стр.227-230.
  14. ^ Aiuppa, A. (2005). «Химическое картирование фумарольного поля: кратер Ла-Фосса, остров Вулкано (Эолийские острова, Италия)» . Письма о геофизических исследованиях . 32 (13): L13309. DOI : 10.1029 / 2005GL023207 . ISSN 0094-8276 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Программа USGS по вулканической опасности: вулканические газы и их последствия
  • ИВХХН; USGS: Опасности для здоровья, связанные с вулканическими и геотермальными газами. Путеводитель для общественности.