Gaze vulcanice

Gazele vulcanice sunt substanțe volatile eliberate de un vulcan sau de o zonă vulcanică activă. Gazele vulcanice sunt întotdeauna implicate în erupțiile vulcanice, dar sunt adesea emise și de vulcanii cu degazare pasivă (latenți). Substanțele volatile sunt elemente sau compuși chimici dizolvați în magmă care formează un gaz la o presiune și o temperatură relativ scăzute3.

Zona geotermală din Islanda de lângă lacul Myvatn este un loc frumos cu miros neplăcut de hidrogen sulfurat.

Se credea cândva că fiecare vulcan are un tip special de gaz: dioxid de sulf la Etna, clorură de hidrogen la Vezuviu, dioxid de carbon la Puracé (Columbia) etc. În anii 1850, un mineralogist francez, Charles Sainte-Claire Deville, a demonstrat că acest lucru nu este adevărat3. Dar fiecare vulcan are totuși un caracter propriu (amestec mediu de diferite specii de gaze) care este rezultatul compoziției magmei, a cadrului tectonic, a adâncimii de degazare, a interacțiunilor cu apele subterane și sistemele hidrotermale, a compoziției crustale etc.

Cel mai important constituent al gazelor vulcanice este vaporii de apă (formează aproximativ 90% din toate gazele1), deși concentrația este mai mică (aproximativ 60%) în gazele care provin direct din cratere3. Următoarea specie gazoasă cea mai importantă este dioxidul de carbon (CO2), care constituie aproximativ 10…40% din gaze. Compușii de sulf dioxidul de sulf (SO2) și hidrogenul sulfurat (H2S) sunt, de asemenea, foarte importanți. Elementele chimice Cl, F și Br apar ca acizi (combinate cu hidrogenul din apă pentru a forma acidul clorhidric, fluorhidric și bromhidric). Aceștia sunt, de asemenea, constituenți foarte comuni, deși compoziția lor este foarte variabilă. Hidrogenul (H2), monoxidul de carbon (CO), metanul (CH4), sulful (S2), azotul (N2), amoniacul (NH3), oxigenul (O2) și gaze rare apar în cantități mai mici. Numeroase metale sunt, de asemenea, prezente (Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Bi, Na, K) la nivel de urme. Acestea sunt transportate în principal sub formă de cloruri și fluoruri2.

Gazele vulcanice din Hawaii sunt bogate în dioxid de carbon și dioxid de sulf. Flancul lui Kilauea între Pu’u O’o și coastă.

Descantarea magmei la craterul Halema’uma’u pit (prăbușire) din cadrul calderei de vârf Kilauea din Hawaii.

Peisaj islandez în apropierea vulcanului Krafla. Rocile din prim-plan sunt acoperite cu minerale (sulf, gips) precipitate din gazele vulcanice.

Sursele de gaze vulcanice

Există trei rezervoare principale care furnizează componente volatile pentru a forma gazul vulcanic.

• Mantaua
• Crusta
• Atmosfera & hidrosfera

Materialul din mantaua domină dacă vulcanul însuși este alimentat de un material din adâncuri. Acesta este cazul vulcanismului în puncte fierbinți de sub scoarța oceanică. Un bun exemplu este Hawaii. Acești vulcani emit amestecuri de gaze care sunt relativ bogate în compuși de sulf și carbon, dar, important, conțin puțină apă. Tocmai acesta este motivul care explică de ce Hawaii și vulcanii insulare similare, aflați la mare distanță de marginile continentale, nu sunt foarte explozivi – nu emit mulți vapori de apă. Acumularea de gaze în interiorul edificiului vulcanic este cea care duce la un comportament exploziv.

Gazele vulcanice ale vulcanilor de pe marginile continentale (vulcanii din Inelul de Foc care înconjoară Bazinul Pacificului, de exemplu) au o compoziție mai versatilă și mai variabilă, deoarece încorporează și materialul crustal care poate avea o compoziție foarte variabilă. Acești vulcani sunt în general de natură explozivă deoarece magma lor este groasă (compoziția mai silicioasă împiedică eliberarea substanțelor volatile) și conține, de asemenea, multă apă care se dilată de peste 1000 de ori atunci când trece din starea dizolvată (în cadrul magmei) în faza gazoasă separată.

Mudpotul este un tip de fumegație. Gazele vulcanice acide corodează rocile înconjurătoare, transformându-le în nămoluri apoase care par să fiarbă din cauza bulelor. Acest mudpot se află în Islanda, lângă vulcanul Krafla.

De unde provine apa aceea? Există două surse principale. Acest tip de vulcanism este asociat cu zonele de subducție. Plăcile de crustă oceanică subducte transportă minerale hidratate sub crusta continentală, unde încep să elibereze apă din cauza presiunii imense. În plus, această apă ajută la topirea rocilor care încep să se ridice sub formă de magmă lichidă și, în cele din urmă, vor crea un lanț de vulcani pe marginea continentală (cum ar fi Cascadele, de exemplu). Această apă făcea parte inițial din sistemul hidrosferă-atmosferă, dar pentru că a trecut prin procesul de subducție, nu mai este considerată ca făcând parte din acesta. O altă sursă majoră de apă din gazele vulcanice este apa meteorică. Aceasta este practic apa de ploaie, fie direct, fie indirect, prin intermediul corpurilor de apă care conțin apă de ploaie. Sistemul hidrosferă-atmosferă nu furnizează doar apă, ci și substanțe care sunt dizolvate în apă (oxigen și alte gaze atmosferice). Amestecul particular de gaze vulcanice este, prin urmare, foarte dependent de condițiile locale.

De asemenea, merită menționat faptul că gazele vulcanice (sau o parte din ele) nu trebuie să fie neapărat rezultatul degazării magmei. Poate fi doar apă subterană încălzită de vulcanismul din apropiere. Gazele vulcanice pot fi eliberate din craterele de vârf, dar și din crăpăturile de pe flancuri (fumarole) sau pot fi eliberate în mod difuz prin sol (în special speciile nereactive, cum ar fi CO2 și He3).

Sulphur Springs, Saint Lucia. Sfânta Lucia este o insulă vulcanică situată deasupra unei zone de subducție.

Influența gazelor vulcanice asupra climei și a mediului

Evident, oamenii de știință studiază gazele vulcanice pentru a înțelege mai bine mecanismele interne ale unui vulcan, pentru a fi mai bine pregătiți pentru viitoarele erupții. Dar este, de asemenea, foarte interesant de studiat gazele deoarece acestea au influențat enorm compoziția atmosferei Pământului (și, de asemenea, a hidrosferei) în trecut și vor continua să o facă și în viitor.

Atmosfera și hidrosfera Pământului influențează în mare măsură compoziția gazelor vulcanice, dar este interesant de observat că atât atmosfera, cât și hidrosfera sunt rezultatul degazării magmei. Toți constituenții majori (azot, dioxid de carbon, apă) din aceste geosfere sunt de origine vulcanică (excepția notabilă este oxigenul). Pământul primordial a fost probabil în întregime topit. De îndată ce s-a răcit, apa a început să se acumuleze în zonele inferioare, sub formă de apă de ploaie condensată din norii vulcanici de aburi. Atmosfera primordială era, de asemenea, foarte bogată în dioxid de carbon. Nivelul actual de 0,04% poate părea mult pentru noi, deoarece cu doar câteva decenii în urmă era de 0,035%. Este o schimbare majoră și foarte rapidă, cel mai probabil cauzată de activitatea umană. Dar Pământul a cunoscut perioade în care nivelul de CO2 a fost de multe zeci de ori mai mare. Chiar și în timpul istoriei relativ recente (recente în comparație cu toți cei 4,5 miliarde de ani de istorie a Pământului), când dinozaurii stăpâneau Pământul, era de cel puțin cinci ori mai mult CO2 în aer. În consecință, temperatura medie a aerului era, de asemenea, semnificativ mai mare (aproximativ 22 °C) din cauza efectului de seră mai intens.

Sulful precipitat din gazele vulcanice din Islanda, vulcanul Krafla. Compușii de sulf (în special dioxidul de sulf) au potențialul de a afecta grav clima și mediul înconjurător.

Gazele vulcanice sunt, prin urmare, variabile foarte influente care modifică clima Pământului, dar modul în care acestea o influențează nu este deloc simplu și direct. Dioxidul de carbon și mulți alți compuși volatili eliberați de vulcani (cum ar fi vaporii de apă și dioxidul de sulf) sunt puternice gaze cu efect de seră, dar unele substanțe au un efect de răcire opus. În special SO2 este demn de remarcat atât pentru rolul de răcire, cât și pentru cel de încălzire. Acesta încălzește atmosfera ca gaz cu efect de seră, dar formează, de asemenea, aerosoli de acid sulfuric care pot rămâne în stratosferă timp de mai mulți ani și au un efect clar de răcire ca o ceață care reflectă radiația solară de intrare.

Marea majoritate a erupțiilor vulcanice au un efect foarte limitat și local asupra climei și mediului. Acest lucru se datorează faptului că (1) cantitatea de gaze eliberate este mică, (2) erupția nu durează suficient de mult, (3) norul de erupție nu ajunge suficient de sus pentru a pătrunde în stratosferă. Acesta din urmă este foarte important, deoarece aerosolii troposferici vor fi spălați în decurs de o săptămână. Durata este, de asemenea, foarte importantă deoarece, pentru a avea un efect de lungă durată asupra mediului, sistemul climatic ocean-atmosferă trebuie să ajungă la un echilibru cu perturbațiile vulcanice. Acest lucru nu se va întâmpla dacă erupția durează doar câteva luni, chiar dacă este relativ puternică.

Zona geotermală de lângă Strokkur (cel mai faimos gheizer din Islanda) în Islanda.

Cel mai grav efect asupra climei vine de la erupțiile bazaltice de foarte mare amploare și de lungă durată, care sunt cunoscute sub numele de evenimente bazaltice de inundație. De ce trebuie ca erupția să fie bazaltică? O erupție silicioasă obișnuită nu conține mai multe gaze vulcanice? Da, este adevărat, dar aceste gaze care provoacă erupții silicioase puternice sunt compuse în mare parte din vapori de apă care nu vor face ravagii asupra climei și mediului înconjurător al Pământului. Pe de altă parte, erupțiile bazaltice conțin mai mult dioxid de sulf, care are un potențial mult mai mare de a provoca daune pe termen lung asupra mediului. Evenimentele de inundații bazaltice sunt atât de influente datorită puterii, duratei lungi și a cantității mari de sulf.

În prezent, oamenii de știință fac tot mai multe legături între formațiunile bazaltice de inundație și evenimentele majore de extincție din istoria Pământului. Dispariția dinozaurilor de acum 65 de milioane de ani a fost asociată de mult timp cu evenimentul de impact din peninsula Yucatán, care a avut, fără îndoială, un efect negativ asupra mediului. Pe de altă parte, este puțin probabil ca acesta să fie singurul vinovat, deoarece a fost un eveniment instantaneu care a avut efecte de scurtă durată. Pare mai probabil că este nevoie de sute, dacă nu de mii de ani pentru a modifica în mod constant chimia dintre ocean și atmosferă pentru a provoca extincții în masă. Un credit suplimentar pentru această ipoteză vine din faptul că, în timp ce evenimentul de extincție de la sfârșitul Cretacicului, care a pus capăt dominației dinozaurilor, este asociat cu evenimentul bazaltic de inundație Deccan. Un alt eveniment de extincție, mult mai grav, de acum 250 de milioane de ani, este, de asemenea, coerent cu o formare majoră de bazalturi de inundație în Siberia.

În timp ce vulcanii pot fi responsabili pentru marile evenimente de extincție, ei au salvat, de asemenea, probabil, viața pe Pământ cel puțin o dată. În urmă cu aproximativ 650 de milioane de ani. Această perioadă din istoria Pământului este cunoscută sub numele de evenimentul Snowball Earth. Cea mai mare parte a Pământului a fost acoperită de gheață, ceea ce a crescut semnificativ gradul de reflexie (albedo) al Pământului, ceea ce a contribuit la răcirea și mai mult a Pământului. Ar trebui să fie o situație fără întoarcere la condiții normale. Cu toate acestea, cumva, s-a întâmplat. Probabil din cauza intensificării activității vulcanice care a pompat o cantitate mare de gaze cu efect de seră în atmosferă.

Volcanii și gazele vulcanice în special au un rol semnificativ și complicat în modificarea climei și a atmosferei. Știm că nivelul actual de fond al vulcanismului nu contribuie în mod semnificativ la încălzirea globală sau la modificarea mediului înconjurător al Pământului. Dar istoria Pământului a demonstrat în mod clar că aceștia au puterea de a face acest lucru.

Fumarole pe lacul de lavă Kilauea Iki din Hawaii.

Pericile asociate cu gazele vulcanice

Gazele vulcanice par a fi un pericol relativ minor dacă numărăm victimele, lăsând la o parte decesele cauzate de curenții de densitate piroclastică (PDC). PDC-urile sunt foarte mortale, dar acest fenomen este, de obicei, tratat separat, deoarece nu este doar un nor de gaz incendiar, ci și un amestec de materiale stâncoase de diferite dimensiuni. Deși numărul total de decese cauzate de gazele vulcanice este relativ modest, asfixierea nu este cu siguranță un mod plăcut de a muri. Care sunt atunci pericolele și ce se poate face pentru a le evita?

Cei mai mulți dintre constituenții comuni ai gazelor vulcanice sunt periculoși pentru oameni și alte forme de viață în concentrații ridicate. Principalii vinovați care provoacă decese sau probleme de sănătate sunt dioxidul de carbon, dioxidul de sulf, hidrogenul sulfurat, acidul clorhidric, acidul fluorhidric și acidul sulfuric.

Gaze vulcanice care se ridică din caldera de vârf a vulcanului Kilauea din Hawaii.

Dioxid de carbon

Dioxidul de carbon este inofensiv în cantități mici (0,04% din aer este CO2), dar poate provoca o comă aproape instantanee dacă este suficient de concentrat. CO2 este inodor și incolor și mai dens decât aerul. Înseamnă că pericolul este greu de detectat, dar trebuie să ne asigurăm că în zonele cu activitate vulcanică ne vom gândi de două ori înainte de a merge să explorăm orice fel de găuri, cratere sau depresiuni, deoarece acestea pot fi pline de acest gaz. Dioxidul de carbon a provocat un număr mare de victime asociate cu gazele vulcanice. Deosebit de celebru este evenimentul de la Lacul Nyos, care a ucis 1.700 de persoane în Camerun. Nu intru în detalii pentru că acest eveniment este deja bine descris în altă parte și, în al doilea rând, pentru că este un eveniment remarcabil, dar în niciun caz răspândit. Există doar două cazuri (evenimentele din lacurile Nyos și Monoun din apropiere, în 1986 și, respectiv, 1984) în care este documentată o eliberare atât de rapidă și pe scară largă a dioxidului de carbon din lacuri4.

Dioxidul de carbon este, de asemenea, letal pentru vegetație, deși, în cantități mai mici, toate plantele verzi au nevoie de el pentru fotosinteză. Chiar și arborii mari pot fi uciși dacă există atât de mult CO2 în sol încât rădăcinile copacilor nu mai pot absorbi oxigenul. Cea mai cunoscută astfel de zonă este în Pădurea Națională Inyo din California. Povestea mea personală amuzantă și tristă asociată cu acest loc este că, deși mă consider un fotograf pasionat de tot ce este geologic, se pare că nu am reușit să fac o fotografie a acestui loc, deși am văzut cu ochii mei acești copaci uscați acolo. Se mai întâmplă, presupun, mai ales dacă ești suficient de prost încât să crezi că arborii morți nu au nimic de-a face cu geologia.

Dioxidul de sulf

Dioxidul de sulf are un miros distinct și puternic pătrunzător care este detectabil deja în concentrații de până la 1 ppm (o parte pe milion). Îmi amintesc de o respirație pe flancurile lui Kilauea, în apropierea lavei care curgea, care a fost atât de puternic iritantă pentru nasul meu încât m-a făcut să mă întorc instantaneu și să fug. Era mirosul de SO2 în concentrație cu mult peste 1 ppm. Poate că l-ați simțit și dumneavoastră. Atunci când aprindeți un chibrit prea aproape de nas puteți simți o senzație de arsură și neplăcută care este cauzată de același compus de sulf. Dioxidul de sulf reacționează cu apa din aer pentru a forma acid sulfuric care precipită sub formă de ploaie acidă și, de asemenea, reflectă radiația solară, scăzând astfel temperatura medie.

Gazele vulcanice sunt adesea bogate în sulf, în special lavele de compoziție mafică. Mineralul galben strălucitor este sulf elementar. Fumarolele sulfuroase sunt cunoscute sub numele de solfatara. Sulphur Banks, Hawaii.

Sulfură de hidrogen

Sulfura de hidrogen este un alt gaz toxic care are, de asemenea, un miros distinct și destul de neplăcut, adesea asociat cu ouăle stricate. Mă tem că acest lucru nu este prea util pentru majoritatea oamenilor, deoarece ouăle stricate par a fi o curiozitate greu de găsit în zilele noastre. Oricum, acest compus al sulfului și mirosul său sunt ușor de observat și foarte frecvente în zonele cu activitate vulcanică. Acest gaz este, de asemenea, mai greu decât aerul și tinde să se concentreze în zonele joase. În 1971, șase schiori de coborâre din Japonia au murit aproape instantaneu când au trecut printr-o depresiune plină de el4. Multe alte decese legate de gazul vulcanic sunt, de asemenea, direct asociate cu acest compus al sulfului.

HCl și HF

Fumele care provin din zonele vulcanice sunt acide nu numai din cauza acidului sulfuric, ci și din cauza clorurii de hidrogen și a fluorurii de hidrogen. Primul este principalul constituent al acidului gastric și este purtat și el într-o sticluță de fiecare geolog de teren serios, deoarece face un test ușor pentru rocile carbonatate (pentru a determina dacă este vorba de calcar sau dolostonă). HCl nu este cu adevărat o amenințare foarte serioasă pentru viețile noastre (deși a provocat, desigur, decese), dar contribuie la ploile acide, provoacă probleme respiratorii și este iritant pentru ochi. În Hawaii, bruma de lavă (sau laze) se formează atunci când lava topită care curge spre mare inițiază o reacție chimică între ionii de sare dizolvați în apa de mare și apă, care are ca rezultat acidul clorhidric. Acidul fluorhidric (HF) este, de asemenea, folosit de geologi, dar de data aceasta în laboratoare, în condiții atent controlate, deoarece această substanță este o chestie foarte urâtă. Este extrem de iritant pentru piele, iar arsurile se vindecă greu. Contactul cu ochii va provoca arsuri grave și orbire dacă nu este îndepărtat imediat cu apă curentă.

Lava laze (lava + brumă) în Hawaii. Acest nor de fum este compus din vapori de apă, dar conține și mult acid clorhidric. El se ridică din locul în care lava se scurge în mare dintr-un tunel de lavă.

Acidul clorhidric se formează pe măsură ce apa de mare reacționează cu sarea (clorură de sodiu) dizolvată în ea.

Atunci ce putem face pentru a evita pericolele asociate cu gazele vulcanice. Este foarte simplu. Stați departe de vulcani și nu se întâmplă nimic rău. Totuși, dacă nu asta ați vrut să auziți, atunci vă recomand să evitați neapărat zonele joase unde se pot acumula gaze dense și, de asemenea, încercați să fiți atenți la direcția vântului. Încercați să stați în direcția vântului (contra vântului) față de sursele de gaze vulcanice și dacă chiar trebuie să mergeți în locuri cu adevărat periculoase, atunci sperăm că știți deja ce faceți pentru că sunteți un vulcanolog profesionist cu o mască de gaze bună și îmbrăcăminte de protecție.

Zonă geotermală în Islanda, lângă Viti Maar, cu pete de noroi și sulf galben.

Fumarole noroioase (mudpot) în Islanda.

Un alt mudpot în Islanda.

1. Jackson, J. A. (1997). Glosar de geologie, ediția a 4-a. American Geological Institute.
2. Gerlach, T. M. (1999). Gaze vulcanice. În: G: Encyclopedia of Geochemistry (Encyclopedia of Earth Sciences Series) (Ed. Marshall, Clare P. & Fairbridge, Rhodes W.). Springer. 656-657.
3. Delmelle, Pierre & Stix, John (1999). Gazele vulcanice. În: G: Encyclopedia of Volcanoes (Ed. Sigurdsson, H.). Academic Press. 803-815.
4. Williams-Jones, Glyn & Rymer, Hazel (1999). Pericolele gazelor vulcanice. În: G: Encyclopedia of Volcanoes (Ed. Sigurdsson, H.). Academic Press. 997-1004.