Gazy wulkaniczne to substancje lotne uwalniane z wulkanu lub obszaru aktywnego wulkanicznie. Gazy wulkaniczne są zawsze związane z erupcjami wulkanicznymi, ale często są również wydzielane przez pasywnie odgazowujące (uśpione) wulkany. Substancje lotne to pierwiastki lub związki chemiczne rozpuszczone w magmie, które tworzą gaz przy stosunkowo niskim ciśnieniu i temperaturze3.
Obszar geotermalny na Islandii w pobliżu jeziora Myvatn to piękne miejsce o nieprzyjemnym zapachu siarkowodoru.
Wydawało się kiedyś, że każdy wulkan ma swój szczególny rodzaj gazu: dwutlenek siarki na Etnie, chlorowodór na Wezuwiuszu, dwutlenek węgla w Puracé (Kolumbia), itd. W latach 50-tych XIX wieku francuski mineralog Charles Sainte-Claire Deville wykazał, że jest to nieprawda3. Każdy wulkan ma jednak swój własny charakter (średnia mieszanina różnych gatunków gazów), który jest wynikiem składu magmy, tektoniki, głębokości odgazowania, interakcji z wodami podziemnymi i systemami hydrotermalnymi, składu skorupy ziemskiej itp.
Najważniejszym składnikiem gazu wulkanicznego jest para wodna (stanowi około 90% wszystkich gazów1), chociaż jej stężenie jest niższe (około 60%) w gazach pochodzących bezpośrednio z kraterów3. Kolejnym najważniejszym gatunkiem gazu jest dwutlenek węgla (CO2), który stanowi około 10…40% gazów. Bardzo ważne są również związki siarki: dwutlenek siarki (SO2) i siarkowodór (H2S). Pierwiastki chemiczne Cl, F i Br występują jako kwasy (w połączeniu z wodorem z wody tworzą kwas chlorowodorowy, fluorowodorowy i wodorobromowy). Są one również bardzo powszechnymi składnikami, chociaż ich skład jest bardzo zróżnicowany. W mniejszych ilościach występuje wodór (H2), tlenek węgla (CO), metan (CH4), siarka (S2), azot (N2), amoniak (NH3), tlen (O2) i gazy szlachetne. Obecne są również liczne metale (Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Bi, Na, K) w ilościach śladowych. Transportowane są głównie w postaci chlorków i fluorków2.
Gazy wulkaniczne na Hawajach są bogate w dwutlenek węgla i dwutlenek siarki. Flanka Kilauea pomiędzy Pu’u O’o i wybrzeżem.
Odpadająca magma w kraterze Halema’uma’u pit (collapse) w obrębie kaldery szczytu Kilauea na Hawajach.
Krajobraz Islandii w pobliżu wulkanu Krafla. Skały na pierwszym planie pokryte są minerałami (siarka, gips) wytrącanymi z gazów wulkanicznych.
Źródła gazów wulkanicznych
Istnieją trzy główne zbiorniki, które dostarczają składników lotnych tworzących gaz wulkaniczny.
- Płaszcz
- Skorupa
- Atmosfera &hydrosfera
Materiał z płaszcza dominuje, jeśli sam wulkan jest zasilany przez materiał z głębi ziemi. Tak jest w przypadku wulkanizmu typu hot spot pod skorupą oceaniczną. Dobrym przykładem są Hawaje. Wulkany te emitują mieszaniny gazów, które są stosunkowo bogate w związki siarki i węgla, ale, co ważne, zawierają mało wody. To jest właśnie powód, który wyjaśnia dlaczego Hawaje i podobne wulkany wyspowe z dala od marginesów kontynentalnych nie są zbyt wybuchowe – nie emitują dużo pary wodnej. To właśnie nagromadzenie gazów w gmachu wulkanu powoduje jego wybuchowe zachowanie.
Gazy wulkaniczne wulkanów na obrzeżach kontynentalnych (na przykład wulkany Pierścienia Ognia otaczające basen Pacyfiku) mają skład bardziej uniwersalny i zmienny, ponieważ zawierają również materiał skorupy ziemskiej, który może mieć bardzo zmienny skład. Wulkany te mają na ogół charakter wybuchowy, ponieważ ich magma jest gęsta (bardziej krzemowy skład utrudnia uwalnianie substancji lotnych), a także zawiera dużo wody, która rozszerza się ponad 1000 razy, gdy przechodzi ze stanu rozpuszczonego (w magmie) do oddzielnej fazy gazowej.
Mudpot jest rodzajem fumarolu. Kwaśne gazy wulkaniczne korodują otaczające skały, zamieniając je w wodnistą zawiesinę, która z powodu bulgotania sprawia wrażenie wrzenia. Ten mudpot znajduje się na Islandii w pobliżu wulkanu Krafla.
Skąd pochodzi ta woda? Istnieją dwa główne źródła. Ten typ wulkanizmu jest związany ze strefami subdukcji. Podporządkowane płyty skorupy oceanicznej przenoszą uwodnione minerały pod skorupę kontynentalną, gdzie zaczynają uwalniać wodę z powodu ogromnego ciśnienia. Woda ta dodatkowo pomaga topić skały, które zaczynają się podnosić jako płynna magma i ostatecznie tworzą łańcuch wulkanów na marginesie kontynentalnym (jak na przykład Kaskady). Woda ta była pierwotnie częścią systemu hydrosfera-atmosfera, ale ponieważ przeszła przez proces subdukcji, nie jest już uważana za jego część. Innym ważnym źródłem wody w gazach wulkanicznych jest woda meteoryczna. Jest to w zasadzie woda deszczowa albo bezpośrednio, albo pośrednio przez zbiorniki wodne zawierające wodę deszczową. System hydrosfera-atmosfera dostarcza nie tylko wody, ale także substancji rozpuszczonych w wodzie (tlen i inne gazy atmosferyczne). Konkretna mieszanina gazów wulkanicznych jest więc w dużym stopniu zależna od warunków lokalnych.
Warto też wspomnieć, że gaz wulkaniczny (lub jego część) nie musi być wynikiem odgazowania magmy. Może to być po prostu woda gruntowa podgrzana przez pobliski wulkanizm. Gazy wulkaniczne mogą być uwalniane z kraterów szczytowych, ale także ze szczelin na zboczach (fumarole) lub mogą być uwalniane dyfuzyjnie przez podłoże (zwłaszcza gatunki niereaktywne jak CO2 i He3).
Sulphur Springs, Saint Lucia. Saint Lucia jest wyspą wulkaniczną położoną na szczycie strefy subdukcji.
Wpływ gazów wulkanicznych na klimat i środowisko
Naukowcy oczywiście badają gazy wulkaniczne, aby uzyskać wgląd w wewnętrzne funkcjonowanie wulkanu, aby być lepiej przygotowanym na przyszłe erupcje. Ale badanie gazów jest również bardzo interesujące, ponieważ miały one ogromny wpływ na skład atmosfery ziemskiej (a także hydrosfery) w przeszłości i nadal będą to robić w przyszłości.
Atmosfera ziemska i hydrosfera w dużym stopniu wpływają na skład gazów wulkanicznych, ale warto zauważyć, że zarówno atmosfera, jak i hydrosfera są wynikiem odgazowania magmy. Wszystkie główne składniki (azot, dwutlenek węgla, woda) tych geosfer są pochodzenia wulkanicznego (godnym uwagi wyjątkiem jest tlen). Pierwotna Ziemia była prawdopodobnie całkowicie stopiona. Gdy tylko ostygła, woda zaczęła gromadzić się w niżej położonych obszarach jako woda deszczowa skondensowana z wulkanicznych obłoków pary wodnej. Pierwotna atmosfera była również bardzo bogata w dwutlenek węgla. Obecny poziom 0,04% może nam się wydawać dużo, ponieważ jeszcze kilkadziesiąt lat temu wynosił on 0,035%. Jest to poważna i bardzo szybka zmiana, najprawdopodobniej spowodowana działalnością człowieka. Ale Ziemia widziała czasy, kiedy poziom CO2 był wiele dziesiątek razy wyższy. Nawet podczas stosunkowo niedawnej historii (niedawnej w porównaniu z całymi 4,5 miliardami lat historii Ziemi), kiedy Ziemią rządziły dinozaury, w powietrzu było co najmniej pięć razy więcej CO2. W związku z tym średnia temperatura powietrza była również znacznie wyższa (około 22 °C) z powodu intensywniejszego efektu cieplarnianego.
Siarka wytrąca się z gazów wulkanicznych na Islandii, wulkan Krafla. Związki siarki (zwłaszcza dwutlenek siarki) mają potencjał poważnego oddziaływania na klimat i środowisko naturalne.
Gazy wulkaniczne są więc wysoce wpływowymi zmiennymi modyfikującymi klimat Ziemi, ale sposób, w jaki na niego wpływają, nie jest bynajmniej prosty i łatwy. Dwutlenek węgla i wiele innych lotnych związków uwalnianych przez wulkany (jak para wodna i dwutlenek siarki) są silnymi gazami cieplarnianymi, ale niektóre substancje mają przeciwny efekt chłodzący. Zwłaszcza SO2 jest godny uwagi zarówno ze względu na rolę chłodzącą, jak i ocieplającą. Ociepla atmosferę jako gaz cieplarniany, ale tworzy również aerozole kwasu siarkowego, które mogą pozostawać w stratosferze przez kilka lat i mają wyraźny efekt chłodzący jako zamglenie, które rozprasza przychodzące promieniowanie słoneczne.
Zdecydowana większość erupcji wulkanicznych ma bardzo ograniczony i lokalny wpływ na klimat i środowisko. Dzieje się tak, ponieważ (1) ilość uwolnionych gazów jest niewielka, (2) erupcja nie trwa wystarczająco długo, (3) chmura erupcyjna nie sięga na tyle wysoko, aby przeniknąć do stratosfery. To ostatnie jest bardzo ważne, ponieważ aerozole troposferyczne zostaną wypłukane w ciągu tygodnia. Czas trwania jest również bardzo ważny, ponieważ aby efekt oddziaływania na środowisko był długotrwały, system klimatyczny ocean-atmosfera musi dojść do równowagi z perturbacjami wulkanicznymi. Tak się nie stanie, jeśli erupcja będzie trwała tylko kilka miesięcy, nawet jeśli będzie stosunkowo silna.
Obszar geotermalny w pobliżu Strokkur (najsłynniejszego gejzeru na Islandii) na Islandii.
Najbardziej dotkliwy wpływ na klimat mają bardzo duże i długotrwałe erupcje bazaltowe, które są znane jako powodziowe zdarzenia bazaltowe. Dlaczego erupcja musi być bazaltowa? Czy zwykła erupcja krzemowa nie zawiera więcej gazów wulkanicznych? Tak, to prawda, ale te gazy, które powodują potężne erupcje krzemowe, składają się w dużej mierze z pary wodnej, która nie spowoduje spustoszenia w klimacie i środowisku naturalnym Ziemi. Z drugiej strony, erupcje bazaltowe zawierają więcej dwutlenku siarki, który ma znacznie większy potencjał powodowania długotrwałych szkód w środowisku. Powodziowe wydarzenia bazaltowe są tak wpływowe ze względu na siłę, długi czas trwania i dużą ilość siarki.
Nowadays scientists are more and more linking flood basalt formations with major extinction events in the Earth’s history. Wyginięcie dinozaurów 65 milionów lat temu od dawna kojarzone jest z wydarzeniem uderzeniowym na półwyspie Jukatan, które niewątpliwie miało negatywny wpływ na środowisko. Z drugiej strony, jest mało prawdopodobne, aby był to jedyny winowajca, ponieważ było to zdarzenie natychmiastowe, którego skutki były krótkotrwałe. Bardziej prawdopodobne wydaje się, że potrzeba setek, jeśli nie tysięcy lat, aby chemia ocean-atmosfera ulegała ciągłym zmianom powodującym masowe wymierania. Dalsze zasługi dla tej hipotezy wynikają z faktu, że podczas gdy wymieranie z końca kredy, które zakończyło panowanie dinozaurów, jest związane z bazaltową powodzią Deccan. Inny i znacznie bardziej poważne wydarzenie wymierania 250 milionów lat temu jest również coeval z głównym powodzi bazalt formacji w Siberia.
While wulkany mogą być odpowiedzialne za duże wydarzenia wymierania również prawdopodobnie zapisane życia na Ziemi co najmniej raz. Około 650 milionów lat temu. Ten czas w historii Ziemi znany jest jako wydarzenie „Śnieżnej kuli ziemskiej”. Większość Ziemi była pokryta lodem, który znacznie zwiększył współczynnik odbicia (albedo) Ziemi, co pomogło jeszcze bardziej ochłodzić Ziemię. Powinna to być sytuacja bez możliwości powrotu do normalnych warunków. Jednak jakoś to się stało. Prawdopodobnie z powodu wzmożonej aktywności wulkanicznej, która wpompowała do atmosfery duże ilości gazów cieplarnianych.
Wolkany, a w szczególności gazy wulkaniczne mają znaczącą i skomplikowaną rolę w modyfikowaniu klimatu i atmosfery. Wiemy, że obecny poziom tła wulkanizmu nie przyczynia się znacząco do globalnego ocieplenia ani nie zmienia środowiska Ziemi. Ale historia Ziemi pokazała wyraźnie, że mają one moc, aby to zrobić.
Fumarole na jeziorze lawowym Kilauea Iki na Hawajach.
Zagrożenia związane z gazami wulkanicznymi
Gazy wulkaniczne wydają się być stosunkowo niewielkim zagrożeniem, jeśli policzymy ofiary, pomijając ofiary śmiertelne spowodowane przez piroklastyczne prądy gęstości (PDC). PDC są bardzo śmiertelne, ale to zjawisko jest zwykle traktowane oddzielnie, ponieważ jest to nie tylko ognista chmura gazu, ale także mieszanina różnej wielkości materiału skalnego. Chociaż ogólna liczba zgonów spowodowanych przez gazy wulkaniczne jest stosunkowo niewielka, uduszenie zdecydowanie nie jest przyjemnym sposobem umierania. Jakie są zatem niebezpieczeństwa i co można zrobić, aby ich uniknąć?
Większość wspólnych składników gazów wulkanicznych jest niebezpieczna dla ludzi i innych form życia w podwyższonych stężeniach. Główni winowajcy powodujący zgony lub problemy zdrowotne to dwutlenek węgla, dwutlenek siarki, siarkowodór, kwas solny, kwas fluorowodorowy i kwas siarkowy.
Gaz wulkaniczny unoszący się z kaldery szczytowej wulkanu Kilauea na Hawajach.
Dwutlenek węgla
Dwutlenek węgla jest nieszkodliwy w małych ilościach (0,04% powietrza to CO2), ale może spowodować niemal natychmiastową śpiączkę, jeśli jest wystarczająco stężony. CO2 jest bezwonny, bezbarwny i gęstszy od powietrza. Oznacza to, że niebezpieczeństwo jest trudne do wykrycia, ale musimy się upewnić, że na obszarach aktywnych wulkanicznie zastanowimy się dwa razy zanim pójdziemy zbadać jakiekolwiek dziury, kratery lub depresje, ponieważ mogą być one pełne tego gazu. Dwutlenek węgla spowodował wiele ofiar związanych z gazami wulkanicznymi. Szczególnie znane jest wydarzenie z jeziora Nyos, które zabiło 1700 osób w Kamerunie. Nie wchodzę w szczegóły, ponieważ to zdarzenie jest już dobrze opisane w innych miejscach, a po drugie dlatego, że jest to zdarzenie niezwykłe, ale bynajmniej nie powszechne. Istnieją tylko dwa przypadki (Nyos i wydarzenia w pobliżu jeziora Monoun, odpowiednio w 1986 i 1984 roku), kiedy udokumentowano tak szybkie uwolnienie dwutlenku węgla z jezior na dużą skalę4.
Dwutlenek węgla jest również zabójczy dla roślinności, chociaż w mniejszych ilościach wszystkie rośliny zielone potrzebują go do fotosyntezy. Nawet duże drzewa mogą zostać zabite, jeśli w glebie jest tak dużo CO2, że korzenie drzew nie mogą już pobierać tlenu. Najbardziej znany taki obszar znajduje się w Inyo National Forest w Kalifornii. Moja osobista zabawna i smutna historia związana z tym miejscem jest, że chociaż uważam się za hobbystycznego fotografa wszystkiego co geologiczne, najwyraźniej nie udało mi się zrobić zdjęcia tego miejsca, chociaż widziałem tam te uschnięte drzewa na własne oczy. To się chyba zdarza, zwłaszcza jeśli jest się na tyle głupim by myśleć, że martwe drzewa nie mają nic wspólnego z geologią.
Dwutlenek siarki
Dwutlenek siarki ma wyraźny ostry przenikliwy zapach, który jest wyczuwalny już w stężeniu tak niskim jak 1 ppm (jedna część na milion). Pamiętam jeden oddech na zboczach Kilauea w pobliżu płynącej lawy, który był tak ostro drażniący dla mojego nosa, że natychmiast odwróciłem się i uciekłem. Był to zapach SO2 w stężeniu znacznie przekraczającym 1 ppm. Być może i Ty go poczułeś. Podczas zapalania zapałki zbyt blisko nosa można odczuć pieczenie i nieprzyjemne uczucie, które jest spowodowane tym samym związkiem siarki. Dwutlenek siarki reaguje z wodą w powietrzu, tworząc kwas siarkowy, który wytrąca się w postaci kwaśnych deszczy, a także cofa promieniowanie słoneczne, obniżając w ten sposób średnią temperaturę.
Gazy wulkaniczne są często bogate w siarkę, zwłaszcza lawy o składzie maficznym. Jasnożółty minerał to siarka elementarna. Fumarole siarkowe znane są pod nazwą solfatara. Sulphur Banks, Hawaii.
Siarkowodór
Siarkowodór jest kolejnym toksycznym gazem, który również ma wyraźny i raczej nieprzyjemny zapach, często kojarzony ze zgniłymi jajami. To, obawiam się, nie jest zbyt pomocne dla większości ludzi, ponieważ zgniłe jaja wydają się być trudną do znalezienia ciekawostką w dzisiejszych czasach. W każdym razie, ten związek siarki i jego zapach są łatwo zauważalne i bardzo powszechne na obszarach aktywnych wulkanicznie. Gaz ten jest również cięższy od powietrza i ma tendencję do koncentrowania się w niżej położonych obszarach. W 1971 r. sześciu narciarzy zjazdowych w Japonii zginęło niemal natychmiast po przejściu przez depresję wypełnioną tym gazem4. Wiele innych wypadków śmiertelnych związanych z gazem wulkanicznym jest również bezpośrednio związanych z tym związkiem siarki.
HCl i HF
Dymy pochodzące z obszarów wulkanicznych są kwaśne nie tylko z powodu kwasu siarkowego, ale również chlorowodoru i fluorowodoru. Pierwszy z nich jest głównym składnikiem kwasu żołądkowego i nosi go w małej buteleczce każdy poważny geolog terenowy, ponieważ jest łatwym testem dla skał węglanowych (aby określić, czy jest to wapień czy doloston). HCl nie jest tak naprawdę bardzo poważnym zagrożeniem dla naszego życia (choć oczywiście powodował ofiary śmiertelne), ale przyczynia się do powstawania kwaśnych deszczy, powoduje problemy z oddychaniem i jest drażniący dla oczu. Na Hawajach zamglenie lawowe (lub lazwa) tworzy się, gdy stopiona lawa spływająca do morza inicjuje reakcję chemiczną między jonami soli rozpuszczonymi w wodzie morskiej a wodą, w wyniku której powstaje kwas solny. Kwas fluorowodorowy (HF) jest również używany przez geologów, ale tym razem w laboratoriach w starannie kontrolowanych warunkach, ponieważ ta substancja jest naprawdę paskudna. Jest niezwykle drażniąca dla skóry, a oparzenia goją się powoli. Kontakt z oczami spowoduje poważne oparzenia i ślepotę, jeśli nie zostanie natychmiast usunięty bieżącą wodą.
Lawa laze (lawa + mgła) na Hawajach. Ta chmura dymu składa się z pary wodnej, ale zawiera też dużo kwasu solnego. Unosi się z miejsca, gdzie lawa wypływa na morze z tunelu lawowego.
Kwas solny tworzy się, gdy woda morska reaguje z rozpuszczoną w niej solą (chlorkiem sodu).
Co więc możemy zrobić, aby uniknąć niebezpieczeństw związanych z gazami wulkanicznymi. To jest naprawdę proste. Trzymaj się z dala od wulkanów i nic złego się nie stanie. Jeśli jednak nie to chciałeś usłyszeć, to polecam zdecydowanie unikać niżej położonych obszarów, gdzie mogą gromadzić się gęste gazy, a także starać się zwracać uwagę na kierunek wiatru. Staraj się trzymać pod wiatr od źródeł gazów wulkanicznych, a jeśli naprawdę musisz iść w naprawdę niebezpieczne miejsca to miejmy nadzieję, że już wiesz co robisz bo jesteś profesjonalnym wulkanologiem z dobrą maską przeciwgazową i ubraniem ochronnym.
Obszar geotermalny na Islandii w pobliżu Viti Maar z plamami błota i żółtą siarką.
Błotna fumarola (mudpot) w Islandii.
Kolejna mudpot w Islandii.
1. Jackson, J. A. (1997). Glossary of Geology
2. Gerlach, T. M. (1999). Volcanic Gases. In: Encyclopedia of Geochemistry (Encyclopedia of Earth Sciences Series)
3) Delmelle, Pierre & Stix, John (1999). Volcanic Gases. In: Encyclopedia of Volcanoes
4. Williams-Jones, Glyn & Rymer, Hazel (1999). Hazards of Volcanic Gases (Zagrożenia związane z gazami wulkanicznymi). In: Encyclopedia of Volcanoes