Вулканический газ
Вулканические газы — это газы, выделяемые действующими (а иногда и спящими) вулканами . К ним относятся газы, запертые в полостях ( везикулах ) вулканических пород , растворенные или диссоциированные газы в магме и лаве или газы, исходящие из лавы, из вулканических кратеров или жерл. Вулканические газы также могут выделяться через грунтовые воды, нагретые в результате вулканического воздействия .
К источникам вулканических газов на Земле относятся:
- первичные и переработанные компоненты мантии Земли ,
- ассимилированные компоненты земной коры ,
- подземные воды и атмосфера Земли .
Вещества, которые при нагревании могут переходить в газообразное состояние или выделять газы, называются летучими веществами.
Состав
[ редактировать ]
Основными компонентами вулканических газов являются водяной пар (H 2 O), углекислый газ (CO 2 ), сера либо в виде диоксида серы (SO 2 ) (высокотемпературные вулканические газы), либо сероводород (H 2 S) (низкотемпературные). вулканические газы), азот , аргон , гелий , неон , метан , окись углерода и водород . Другими соединениями, обнаруженными в вулканических газах, являются кислород (метеорный). [ нужны разъяснения ] , хлористый водород , фтористый водород , бромистый водород , гексафторид серы , карбонилсульфид и органические соединения . Экзотические микроэлементы включают ртуть , [1] галогенуглероды (включая ХФУ ), [2] и галогеноксидные радикалы . [3]
Содержание газов значительно варьируется от вулкана к вулкану, в зависимости от вулканической активности и тектонической обстановки. Водяной пар неизменно является наиболее распространенным вулканическим газом, обычно составляя более 60% от общего объема выбросов. На углекислый газ обычно приходится от 10 до 40% выбросов. [4]
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 магму, образовавшуюся в зонах субдукции . Вулканы на границе сходящейся плиты также имеют более высокие H 2 O/H 2 , H 2 O/CO 2 , CO 2 /He и N 2 соотношения /He, чем вулканы на границе горячих точек или расходящихся плит. [4]
Магматические газы и высокотемпературные вулканические газы
[ редактировать ]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 снижается, что снижает растворимость растворенных летучих веществ. Как только растворимость упадет ниже концентрации летучих веществ, летучие вещества будут иметь тенденцию выходить из раствора внутри магмы (растворяться) 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 сочетания расширения за счет декомпрессии и роста, поскольку растворимость летучих веществ в магме еще больше снижается, вызывая выделение большего количества газа. В зависимости от вязкости магмы пузырьки могут начать подниматься сквозь магму и сливаться или оставаться относительно фиксированными на месте до тех пор, 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 путем к поверхности, например, Стромболи в Италии , пузыри могут достигать поверхности, и при их разрыве происходят небольшие взрывы. В последнем случае газ может быстро течь через сплошную проницаемую сеть к поверхности. Этот механизм использовался для объяснения активности вулкана Сантьягито, Санта-Мария. , Гватемала [5] и Суфриер-Хиллз вулкан , Монтсеррат . [6] Если газ не может выйти из магмы достаточно быстро, он дробит магму на мелкие частицы пепла. Псевдоожиженный пепел имеет гораздо меньшее сопротивление движению, чем вязкая магма, поэтому ускоряется, вызывая дальнейшее расширение газов и ускорение смеси. Такая последовательность событий приводит к взрывному вулканизму. Возможность мягкого выхода газа (пассивные извержения) или нет (эксплозивные извержения) определяется общим содержанием летучих 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 находятся в равновесии друг с другом. Состав выбрасываемого газа находится в равновесии с составом магмы при давлении и температуре, при которых газ покидает систему. При дегазации в «открытой системе» газ покидает родительскую магму и поднимается вверх через вышележащую магму, не оставаясь в равновесии с этой магмой. Газ, высвобождаемый на поверхности, имеет состав, который представляет собой среднее значение массового потока магмы, растворенной на различных глубинах, и не является репрезентативным для условий магмы на какой-либо 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 сталкивается с водой, морской водой, озерной водой или грунтовыми водами, она может быстро фрагментироваться. Быстрое расширение газов является движущей силой большинства взрывных извержений вулканов. Однако значительная часть выбросов вулканического газа происходит во время квазинепрерывных фаз покоя активного вулканизма.
Низкотемпературные вулканические газы и гидротермальные системы
[ редактировать ]Когда магматический газ, движущийся вверх, сталкивается с метеорной водой в водоносном горизонте , образуется пар. Скрытое магматическое тепло также может вызывать подъем метеорных вод в виде паровой фазы. Длительное взаимодействие этой горячей смеси с жидкостью и породой может выщелачивать компоненты из остывающей магматической породы, а также из вмещающей породы , вызывая изменения объема и фазовые переходы, реакции и, таким образом, увеличение ионной силы просачивающейся вверх жидкости. жидкости Этот процесс также снижает pH . Охлаждение может вызвать разделение фаз и отложение минералов , что сопровождается сдвигом в сторону более восстановительных условий. При поверхностном проявлении таких гидротермальных систем низкотемпературные вулканические газы (<400 °С) выделяются либо в виде парогазовых смесей, либо в растворенном виде в горячих источниках . На дне океана такие горячие перенасыщенные гидротермальные жидкости образуют гигантские дымоходные конструкции, называемые черными курильщиками , в месте выброса в холодную морскую воду .
В течение геологического времени этот процесс гидротермального выщелачивания, изменения и/или повторного отложения минералов во вмещающих породах представляет собой эффективный процесс концентрации, в результате которого образуются определенные типы экономически ценных рудных месторождений.
Невзрывоопасный выброс вулканического газа
[ редактировать ]Выделение газа может происходить путем адвекции через трещины или путем диффузной дегазации через большие площади проницаемого грунта в виде структур диффузной дегазации (ДДС). В местах адвективной потери газа осаждение серы и редких минералов образует залежи серы и небольшие серные дымоходы, называемые фумаролами . [7] Фумарольные структуры с очень низкой температурой (ниже 100 °C) также известны как сольфатары . Места холодной дегазации преимущественно углекислого газа называются мофетами . Горячие источники на вулканах часто содержат измеримое количество магматического газа в растворенной форме.
Современные выбросы вулканических газов в атмосферу
[ редактировать ]Современные глобальные выбросы вулканических газов в атмосферу можно разделить на эруптивные и неэруптивные. выбросы CO 2 ( парникового газа ) и SO 2 Хотя все виды вулканических газов выбрасываются в атмосферу, больше всего изучены .
Давно признано, что выбросы SO 2 при извержениях гораздо ниже , чем при пассивной дегазации. [8] [9] Фишер и др . (2019) подсчитали, что с 2005 по 2015 год SO 2 выбросы во время извержений составляли 2,6 тераграммов (Тг или 10 12 г или 0,907 гигатонн Гт) в год [10] а в неэруптивные периоды пассивной дегазации - 23,2 ± 2Тг в год. [10] За тот же период выбросы CO 2 вулканами во время извержений оценивались в 1,8 ± 0,9 Тг в год. [10] а при неэруптивной деятельности - 51,3 ± 5,7 Тг в год. [10] Таким образом, выбросы CO 2 во время извержений вулканов составляют менее 10% выбросов CO 2, выделяющихся при неизверженной вулканической деятельности.
15 июня Извержение горы Пинатубо ( VEI 6) на Филиппинах 1991 г. привело к выбросу в общей сложности 18 ± 4 Тг SO 2 . [11] Столь крупные извержения VEI 6 редки и случаются только раз в 50–100 лет. Извержения вулкана Эйяфьятлайокудль (VEI 4) в Исландии в 2010 году выбросили в общей сложности 5,1 Тг CO 2 . [12] Извержения VEI 4 происходят примерно раз в год.
Для сравнения, по оценкам Ле Кере, К. и др. , с 2006 по 2015 год при сжигании ископаемого топлива и производстве цемента человеком перерабатывалось 9,3 Гт углерода в год. [13] создавая до 34,1 Гт CO2 ежегодно.
Некоторые недавние оценки вулканических выбросов CO 2 выше, чем у Fischer et al (2019). [10] По оценкам Бертона и др. (2013 г.) 540 Тг CO 2 /год [14] и Вернера и др. (2019 г.) 220 – 300 Тг CO 2 /год [12] принять во внимание диффузные выбросы CO 2 из вулканических регионов.
Зондирование, сбор и измерение
[ редактировать ]Вулканические газы были собраны и проанализированы еще в 1790 году Сципионом Брейслаком в Италии. [15] Состав вулканических газов зависит от движения магмы внутри вулкана. Поэтому резкие изменения газового состава часто предвещают изменение вулканической активности. Соответственно, значительная часть мониторинга опасностей вулканов предполагает регулярное измерение газообразных выбросов. Например, увеличение содержания CO 2 в газах Стромболи было приписано закачке свежей богатой летучими веществами магмы на глубину внутри системы. [16]
Вулканические газы можно обнаружить (измерить на месте) или отобрать пробы для дальнейшего анализа. Обнаружение вулканического газа может быть:
- внутри газа с помощью электрохимических датчиков и проточных инфракрасно-спектроскопических 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 вулканического газа. Его можно обнаружить с помощью спутниковых инструментов, которые позволяют осуществлять глобальный мониторинг, а также наземных инструментов, таких как DOAS. Массивы DOAS размещаются вблизи некоторых хорошо контролируемых вулканов и используются для оценки потока выбрасываемого SO 2 . Система многокомпонентного газоанализатора (Multi-GAS) также используется для дистанционного измерения CO 2 , SO 2 и H 2 S. [17] 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, а также умножения отношения интересующего газа к SO 2 на SO 2 Флюс .
Прямой отбор проб вулканического газа часто осуществляется с помощью метода, включающего вакуумированную колбу с раствором каустика , впервые использованного Робертом В. Бунзеном (1811–1899), а затем усовершенствованного немецким химиком Вернером Ф. Гиггенбахом (1937–1997), получившего название Бутылка Гиггенбаха . Другие методы включают сбор в вакуумированных пустых контейнерах, в проточных стеклянных трубках, в баллонах для газовой промывки (криогенные скрубберы), на пропитанных фильтр-пакетах и в трубках с твердым адсорбентом.
Аналитические методы для проб газа включают газовую хроматографию с определением теплопроводности (TCD), пламенно-ионизационное обнаружение (FID) и масс-спектрометрию (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, следы органики и изотопный состав обычно определяются различными масс-спектрометрическими методами.
Вулканические газы и мониторинг вулканов
[ редактировать ]Некоторые компоненты вулканических газов могут проявлять очень ранние признаки изменения условий на глубине, что делает их мощным инструментом для прогнозирования неизбежных беспорядков. При использовании в сочетании с данными мониторинга сейсмичности и деформаций корреляционный мониторинг приобретает большую эффективность. Мониторинг вулканического газа является стандартным инструментом любой вулканической обсерватории . К сожалению, для получения наиболее точных данных о составе по-прежнему требуются опасные кампании по отбору проб на местах. Однако в 1990-е годы методы дистанционного зондирования значительно продвинулись вперед. Проект глубокой дегазации углерода в земле использует дистанционное зондирование Multi-GAS для постоянного мониторинга 9 вулканов.
Опасности
[ редактировать ]Вулканические газы были прямой причиной примерно 3% всех смертей людей, связанных с вулканами, в период с 1900 по 1986 год. [4] Некоторые вулканические газы убивают кислотной коррозией ; другие убивают удушьем . Некоторые вулканические газы, включая диоксид серы, хлористый водород, сероводород и фтористый водород, вступают в реакцию с другими атмосферными частицами, образуя аэрозоли . [4]
Галерея
[ редактировать ]
Схема извержения вулкана
Вог на Гавайях , Килауэа в 2008 году. извержения
Столбцы смешанного извержения в Холухрауне , Исландия , 2014 г.
Дегазация лавового поля , Холухраун, Исландия.
дегазации Грязевые котлы в высокотемпературной геотермальной зоне Хвераронд, система Крафла , Северная Исландия.
Дегазация в Большом призматическом источнике, Йеллоустонский национальный парк
См. также
[ редактировать ]- Миндалина - заполненный пузырек в экструзивной магматической породе.
- Столб извержения - облако горячего пепла и вулканических газов, выбрасываемое во время взрывного извержения вулкана.
- Фумарола – вулканическое отверстие, из которого выбрасываются горячие газы.
- Газовые законы - Научное описание поведения газов при изменении физических условий.
- Гейзер – природное взрывное извержение горячей воды.
- Озеро Ньос – кратерное озеро в северо-западном регионе Камеруна.
- Мофетт – точка выброса углекислого газа в вулкане.
- Сольфатара – вулканическое отверстие, из которого выбрасываются горячие газы.
- Летучесть (химия) – склонность вещества к испарению.
- Летучие (астрогеология) - элементы и соединения, которые легко испаряются.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Грасби, Стивен Э; Их, Теодор Р II; Чен, Чжуохэн; Инь, Жуньшэн; Ардакани, Омид Х (сентябрь 2019 г.). «Ртуть как показатель вулканических выбросов в геологической летописи». Обзоры наук о Земле . 196 : 102880. doi : 10.1016/j.earscirev.2019.102880 . S2CID 197575240 .
- ^ Джордан, Армин; Харниш, Йохен; Борхерс, Рейнхард; Ле Герн, Франсуа; Синохара, Хироши (4 февраля 2000 г.). «Вулканогенные галогенуглероды». Экологические науки и технологии . 34 (6): 1122–1124. дои : 10.1021/es990838q .
- ^ Керн, Кристоф; Лайонс, Джон Дж (17 сентября 2018 г.). «Пространственное распределение оксидов галогенов в шлейфе вулкана Маунт-Паган, Марианские острова» . Письма о геофизических исследованиях . 45 (18): 9588–9596. дои : 10.1029/2018GL079245 . S2CID 135335425 .
- ^ Jump up to: а б с д Х. Сигурдссон и др. (2000) Энциклопедия вулканов , Сан-Диего, Academic Press
- ^ Холланд и др. (2011), Процессы дегазации во время роста лавового купола: выводы из лавового купола Сантьягуито, Гватемала , Журнал вулканологии и геотермальных исследований, том. 202 с153-166
- ^ Хаутманн и др. (2014), Анализ поля деформаций на Монтсеррате (Висконсин) как инструмент для оценки путей проницаемых потоков в магматической системе вулкана Суфриер-Хиллз , Геохимия, Геофизика, Геосистемы, том. 15 с676-690
- ^ Тролль, Валентин Р.; Хилтон, Дэвид Р.; Джолис, Эстер М.; Чедвик, Джейн П.; Блайт, Лара С.; Диган, Фрэнсис М.; Шварцкопф, Лотар М.; Циммер, Мартин (2012). «Высвобождение CO2 в земной коре во время извержения и землетрясения 2006 года на вулкане Мерапи, Индонезия» . Письма о геофизических исследованиях . 39 (11): н/д. Бибкод : 2012GeoRL..3911302T . дои : 10.1029/2012GL051307 . ISSN 1944-8007 . S2CID 128919762 .
- ^ Берресхайм, Х.; Йешке, В. (1983). «Вклад вулканов в глобальный баланс серы в атмосфере» . Журнал геофизических исследований . 88 (C6): 3732. Бибкод : 1983JGR....88.3732B . дои : 10.1029/JC088iC06p03732 . ISSN 0148-0227 .
- ^ Андрес, Р.Дж.; Касгнок, AD (20 октября 1998 г.). «Усредненный по времени перечень субаэральных выбросов вулканической серы» . Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 103 (Д19): 25251–25261. Бибкод : 1998JGR...10325251A . дои : 10.1029/98JD02091 .
- ^ Jump up to: а б с д и Фишер, Тобиас П.; Арельяно, Сантьяго; Карн, Саймон; Аюппа, Алессандро; Галле, Бо; Аллард, Патрик; Лопес, Тэрин; Синохара, Хироши; Келли, Питер; Вернер, Синтия; Карделлини, Карло (2019). «Выбросы CO 2 и других летучих веществ из субаэральных вулканов мира» . Научные отчеты . 9 (1): 18716. Бибкод : 2019NatSR...918716F . дои : 10.1038/s41598-019-54682-1 . ISSN 2045-2322 . ПМК 6904619 . ПМИД 31822683 .
- ^ Го, Сун; Блут, Грегг Дж.С.; Роуз, Уильям И.; Уотсон, И. Мэтью; Прата, Эй Джей (2004). «Повторная оценка выброса SO 2 в результате извержения Пинатубо 15 июня 1991 года с использованием ультрафиолетовых и инфракрасных спутниковых датчиков» . Геохимия, геофизика, геосистемы . 5 (4): н/д. Бибкод : 2004GGG.....5.4001G . дои : 10.1029/2003GC000654 .
- ^ Jump up to: а б Вернер, Синтия; Фишер, Тобиас П.; Аюппа, Алессандро; Эдмондс, Мари; Карделлини, Карло; Карн, Саймон; Кьодини, Джованни; Коттрелл, Элизабет; Бертон, Майк (31 октября 2019 г.), «Выбросы углекислого газа из субаэральных вулканических регионов», Deep Carbon , vol. 2019, Cambridge University Press, стр. 188–236, Bibcode : 2019AGUFM.V24C..03W , doi : 10.1017/9781108677950.008 , ISBN 978-1-108-67795-0 , S2CID 216584622
- ^ Ле Кере, Коринн; Эндрю, Робби М.; Канаделл, Хосеп Г.; Ситч, Стивен; Корсбаккен, Ян Ивар; Питерс, Глен П.; Мэннинг, Эндрю С.; Боден, Томас А.; Танс, Питер П.; Хоутон, Ричард А.; Килинг, Ральф Ф. (14 ноября 2016 г.). «Глобальный углеродный бюджет 2016» . Данные науки о системе Земли . 8 (2): 605–649. Бибкод : 2016ESSD....8..605L . дои : 10.5194/essd-8-605-2016 . hdl : 10871/26418 . ISSN 1866-3516 .
- ^ Бертон, Майкл Р.; Сойер, Джорджина М.; Граньери, Доменико (31 декабря 2013 г.), «11. Глубинные выбросы углерода из вулканов» , «Углерод в Земле » , Берлин, Бостон: Де Грюйтер, стр. 323–354, номер документа : 10.1515/9781501508318-013 , ISBN 978-1-5015-0831-8 , получено 10 сентября 2020 г.
- ^ Капуано, Ф.; Кавальчи, Б.; Даволи, В.; Манзини, П. (1998). «Эвдиометрические измерения в конце 18 века. Качество воздуха в Собачьей пещере из путешествия Яццаро Спалланцани по Обеим Сицилиям». В Морелло, Н. (ред.). Вулканы и история . Генуя: Бригати. стр. 53–63.
- ^ Бертон и др. (2007) Состав магматического газа показывает глубину источника стромболийской эксплозивной активности, вызванной снарядами. Наука, том 317, стр. 227-230.
- ^ Аюппа, А. (2005). «Химическое картирование фумарольного поля: кратер Ла Фосса, остров Вулкано (Липарские острова, Италия)». Письма о геофизических исследованиях . 32 (13): L13309. Бибкод : 2005GeoRL..3213309A . дои : 10.1029/2005GL023207 . ISSN 0094-8276 . S2CID 129307128 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Программа Геологической службы США по опасностям вулканов: вулканические газы и их воздействие
- ИВХХН; Геологическая служба США: Опасность вулканических и геотермальных газов для здоровья. Руководство для общественности.
