Вулканический пепел и его полезные свойства

Известно, что в составе твердых вулканических выбросов кроме извержений гавайского типа преобладают измельченные пирокластические материалы, доля которых ко всей массе твердых выбросов достигает 94—97%. По оценке Заппера, за время с 1500 по 1914 г. вулканами на суше выброшено 392 км3лавы и рыхлых масс, главным образом пеплов. Доля рыхлых масс за это время в выбросах составила в среднем 84%. Характерно также то, что при выбросах образуются огромные массы чрезвычайно тонких пеплов. Такие пеплы могут длительно оставаться в воздухе во взвешенном состоянии. При извержении Кракатау в 1883 г. пеплы много раз обошли вокруг Земли, прежде чем полностью осели. Мельчайшие частицы пепла поднялись при этом на большую высоту, где находились несколько лет, вызывая красные зори в Европе. При извержении вулкана Безымянного на Камчатке пеплы уже на второй день выпали в районе Лондона, т. е. на расстоянии свыше 10 тыс. км. С точки зрения выпадения твердого вещества вулканических извержений из водных, главным образом надкритических, растворов, поднимающихся из дренажной оболочки, такое соотношение между массами твердого и рыхлого вещества вулканических выбросов совершенно понятно. Действительно, растворы, поднимаясь по каналу из дренажной оболочки, где они находились под давлением до 2—4 тыс. атм, теряют давление, расширяются иохлаждаются. Вследствие этого из растворов выпадают растворенные в них вещества, образуя вначале жидкие, а по мере извержения густеющие массы концентратов. Эти массы, по-видимому, в наибольшей мере накапливаются у устья того канала, по которому поднимаются водные растворы. По мере накопления этих масс и расширения канала паровой поток начинает захватывать и по дороге измельчать выпавшие из растворов массы. В зависимости от скорости движения струи пара и его температуры и плотности, а также в зависимости от особенностей химического состава выпадающих густых масс вещества оно дробится на более или менее мелкие частицы, которые уносятся с облаком и выпадают затем из него.

Установлено, что пеплы, выпадающие из пепловых облаков, имеют различный ситовый состав как в зависимости от интенсивности извержения, так и в зависимости от расстояния до места выпадения пепла. Вблизи вулканов выпадают крупные фракции пеплов с размерами отдельных частиц до 3—5 мм; чем дальше уходят пепловые облака, тем меньше размер пепловых частиц. Вместе с тем известно, что пеплы, выпадающие на расстояниях до 100 км и более, еще имеют сложный ситовый состав. Это, по нашему мнению, свидетельствует о том, что во время перемещения пеплового облака происходит не только фракционирование уже имеющихся частиц пепла, но и образование новых частиц, поскольку тонкие пеплы, находящиеся во взвешенном состоянии, обладают способностью образовывать конгломераты, которые затем превращаются в плотные цементированные шарики, называемые пизолитами, или окаменевшими дождевыми каплями. Происхождение особенно мелких пеплов, которые длительное время находятся в воздухе и переносятся на очень большие расстояния, скорее всего связано с выпадением их непосредственно из горячего парового облака по мере его охлаждения. Из жерла вулкана вверх выбрасывается струя горячего пара, имеющего температуру до 400—450° С. В таком паре даже при нормальном давлении находятся растворенные вещества, хотя и в невысокой концентрации. При дальнейшем охлаждении парового облака из него выпадают растворенные вещества в виде частиц, имеющих размеры, приближающиеся к размерам молекул. Такие частицы пепла могут удерживаться в воздухе неограниченное время.

Таким образом, преобладание пеплов и образование весьма дисперсных материалов в вулканических выбросах удовлетворительно объясняются выпадением их из водных, в том числе надкритических и паровых, растворов, выбрасываемых в атмосферу. Такое происхождение пеплов объясняет некоторые специфические особенности их состава.

Известно, что по мере перемещения пеплового облака на все большие расстояния от вулканического кратера из него выпадают пеплы неодинакового химического состава. Даже совершенно одинаковые по ситовому составу фракции пеплов заметно изменяются по химическому составу в зависимости от длительности пребывания частиц пепла в облаке. Эту зависимость обычно связывают с расстоянием от вулкана. Но дело тут, конечно, не в пути, а во времени. Особенно заметны изменения содержания в пеплах железа, магния, марганца, олова, ванадия и других элементов, которое, как правило, растет по мере удаления от кратера вулкана.

Весьма существенной особенностью процессов, которые приводят к росту содержания перечисленных элементов в пеплах, является то, что они изменяют химический состав пеплов только в тонкой поверхностной пленке каждой частицы пепла. Толщина химически измененной пленки достигает 10-4—10-6 см. И. И. Гущенко, изучавший пеплы Северной Камчатки, отмечает, что они обладают хорошо выраженной сорбционной способностью и что мелкозернистый пепел сорбирует наибольшие количества анионов SO4-2 и НСО3–, а грубозернистые пеплы лучше сорбируют ион хлора. На темноцветных и рудных минералах пеплов предпочтительно сорбируются SO42-, HCO3–, Na+, K+, Mg2+. На плагиоклазах и стекле пеплов лучше сорбируются Cl–, Ca2+, Fe3+, P5+, Мn2+. Содержание таких элементов, как Fe, Ti, Mg, Mn, в сорбционных пленках составляет до 35 и даже до 75% от валового содержания этих элементов в пеплах. И. И. Гущенко показал также, что содержание магния в пеплах вулкана Безымянного увеличивается в 12—30 раз за время перемещения облака на расстояние 90 км от вулкана. Он же приводит данные, показывающие, что в пеплах вулкана Гекла, выпавших 29 марта 1947 г., на расстоянии 3800 км от него содержание MgO и К2О увеличилось в 4 раза, а СаО, Р2О5, TiО2 и А12О3 — на 40—60% по отношению к содержанию этих элементов в пирокластическом материале, выпавшем в 10 км от вулкана.

Химический состав пеплов и особенно их поверхностных сорбционных пленок отличается от среднего состава пород коры суши и океана присутствием и повышенным содержанием многих элементов, таких, как Ga, V, Си, Со, Ni, Cr, Sr, Ba, Zr, U, Th и др.

К специфическим особенностям вулканических пеплов относится и то, что в состав пеплов входит стекловидный материал. Доля стекла в пеплах колеблется от 53 до 95%, что свидетельствует о быстром переходе частиц, образовавших пеплы, из жидкого в твердое состояние.

С точки зрения выпадения вулканических пеплов из водных растворов, вырывающихся из дренажной оболочки земной коры, все эти очень интересные особенности пеплов не только являются необъяснимыми, а наоборот, они совершенно естественны и понятны.

Как было отмечено выше, различные малолетучие соединения в соответствии с изменением растворимости, которая зависит от температуры, давления и фазовых переходов растворов при критических температурах, по-разному распределяются между паровой, жидкой и твердой фазами. Несмотря на то, что экспериментальными исследованиями еще почти не затронуто изучение таких сложных систем, какими могут быть системы, образующие растворы, заполняющие дренажную оболочку земной коры, можно понять некоторые закономерности перехода тех или иных компонентов из растворов в твердое состояние при образовании пеплов и перемещении их вместе с облаком.

Процессы эти и их очередность представляются в таком виде.

Облака водяных паров, которые образуются над жерлом вулкана при большой скорости выбросов многих миллионов тонн пара, имеют высокую температуру. Поэтому твердое вещество содержится в облаках пара не только в виде частиц пепла, но и в растворенном состоянии. По мере удаления облака от места извержения оно увеличивается в объеме и охлаждается. Охлаждение паров от 350—450 до 0° С приводит к выпадению в твердом состоянии тех компонентов, которые находятся в горячем паре. Эти мельчайшие твердые частицы могут конденсировать на себе пленки жидкой воды, могут прилипать или сорбироваться на более крупных частицах пепла и образовывать на них тончайшие сорбционные пленки, характерные для пеплов.

Без экспериментальных данных трудно судить о температуре пара в пепловых облаках над вулканом и на пути, который облака проходят, поднимаясь кверху и уходя вдаль. Однако, судя по явной зависимости химического состава тонких поверхностных, сорбционных пленок от расстояния, на котором пеплы выпадают, можно считать, что охлаждение протекает достаточно длительно. Вероятно и то, что после прекращения выпадения растворенных в паре веществ происходит дальнейшее изменение состава поверхностной пленки крупных частиц пепла. Они сорбируют из облака те тонко рассеянные примеси, которые могут иметь противоположный заряд.

С точки зрения гипотезы образования пепловых облаков из надкритических растворов дренажной оболочки эти факты очень важны, ибо в этом случае обязательны процессы образования пеплов и мельчайшей пыли, которая сорбируется на более крупных частицах пеплов, образуя сорбционные пленки.

Другие гипотезы происхождения парового облака не могут объяснить присутствия в облаке элементов, сорбирующихся на пепловых частицах. Они тем более не могут объяснить чрезвычайно широкую гамму этих элементов. В таком широком ассортименте рассеянные, в том числе радиоактивные, элементы, как правило, не встречаются ни в лаве, ни в магматических породах, ни тем более в породах, слагающих толщу земной коры. Поэтому широкий ассортимент элементов в сорбционной пленке на пепловых частицах является одним из наиболее убедительных свидетельств в пользу гипотезы, связывающей происхождение пепловых облаков с растворами дренажной оболочки. Эту же связь подтверждает широкий набор летучих компонентов, выбрасываемых вулканами, фумаролами и другими источниками. В их число, как известно, входят: СО, СО2, SO2, H2S, CSO, N2, N2O3, N2O5, NO3, NH4Cl, PH3, CH4, Kr, Xe, Ne, He, H2, Se, SiF4, H3BO3 и многие другие, летучие с хлором, бором, серой и фтором соединения. О широком наборе элементов в растворах дренажной оболочки свидетельствуют также солевой состав океана и особенно сложный состав железомарганцевых и фосфорных конкреций.

—Источник—

Григорьев, С.М. Роль воды в образовании земной коры/ С.М. Григорьев.- М.: Недра, 1971.- 264 с.

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

Post Views:
6 419