Войти
Вулканические газы, входящие в атмосферу с тефрой во время извержения вулкана Августина, Аляска, 2006 
Рисунок, показывающий типичные модели выбросов углекислого газа из вулканических и магматических систем 
Схема извержения вулкана 
Вог на Гавайях, Килауэа 2008 извержения 
Фонтаны лавы в Холухрауне 
Колонны извержений смешанного извержения в Холухрауне, Исландия, в 2014 г. 
Среднее содержание двуокиси углерода (CO2) выбросы субаэральных вулканов во всем мире с 2005 по 2017 гг. 
Дегазация лавовое поле, Холухраун, Исландия 
Дегазация на вершине кратера в Вильяррика, Чили 
Дегазация грязевых котлов в высокотемпературной геотермальной зоне Хвераранд, система Крафла, Северная Исландия 
Дегазация в Гранд-Призматическом источнике, Йеллоустонский национальный парк Вулканические газы - это газы, выделяемые активными (или, при t время, бездействующими) вулканы. К ним относятся газы, захваченные в полостях (пузырьки ) в вулканических породах, 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 вулканической деятельности.
Источники вулканических газов на Земле включают:
Вещества, которые могут переходить в газообразное состояние или выделять газы при нагревании, называются летучими веществами.
Основными компонентами вулканических газов являются водяной пар (H2O), диоксид углерода (CO 2), сера либо как диоксид серы (SO 2) (высокотемпературные вулканические газы) или сероводород (H2S) (низкотемпературные вулканические газы), азот, аргон, гелий, неон, метан, оксид углерода и водород. Другие соединения, обнаруженные в вулканических газах: кислород (метеорный), хлористый водород, фтористый водород, бромистый водород, оксид азота (NO x), гексафторид серы, карбонилсульфид и органические соединения. Экзотические следовые соединения включают ртуть, галоидоуглероды (включая CFCs ) и галоген оксид радикалы.
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 углекислый газ обычно приходится от 10 до 40% выбросов.
Вулканы, расположенные на границах конвергентной плиты, выделяют больше водяного пара и хлора, чем вулканы в горячих точках или расходящиеся границы пластины. Это вызвано добавлением морской воды в магмы, образовавшиеся в зонах субдукции. Вулканы на границе сходящихся плит также имеют более высокие значения H 2 O / H 2, H 2 O / CO 2, CO 2. / He и N 2 / He соотношения, чем горячие точки или граничные вулканы с расходящимися плитами.
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. Когда растворимость снижается ниже концентрации летучих, летучие вещества будут стремиться выходить из раствора внутри магмы (exsolve) и образовывать отдельную газовую фазу (магма перенасыщена летучими веществами).
Изначально 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 «крыша» магматического очага. В вулканах с открытым выходом на поверхность, например Стромболи в Италии пузырьки 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 в Сантьягуито, вулкан Санта-Мария, Гватемала и вулкан Суфриер-Хиллс, Монтсеррат. 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. Способность газа 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 находятся 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 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 встречает воду, морскую воду, воду озера или грунтовые воды, 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.
По мере того как магматический газ, движущийся вверх, встречает метеорную воду 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 привести к выщелачиванию компонентов из охлаждающейся магматической породы, а также из вмещающей породы, вызывая изменения объема и фазовые переходы, реакции и, таким образом, увеличение ионной силы просачивающейся вверх жидкости. Этот процесс также снижает pH жидкости. Охлаждение может вызвать разделение фаз и осаждение минерала, сопровождающееся сдвигом в сторону более восстановительных условий. На поверхности таких гидротермальных систем низкотемпературные вулканические газы (<400 °C) are either emanating as steam-gas mixtures or in dissolved form in горячие источники. На дне океана такие горячие перенасыщенные гидротермальные жидкости образуют гигантские дымоходные структуры, называемые черными курильщиками., в точке выброса в холодную морскую воду.
В течение геологического времени этот процесс гидротермального выщелачивания, изменения и / или повторного отложения минералов в вмещающих породах представляет собой эффективный процесс концентрации, который генерирует определенные типы экономически ценных руд месторождений.
Выделение газа может происходить путем адвекции через трещины или путем диффузной дегазации через большие площади проницаемых грунт в виде диффузных дегазирующих структур (DDS). В местах адвективной потери газа осадки серы и редких минералов образуют отложения серы и небольшие серные дымоходы, называемые фумаролами.Очень низкотемпературные (ниже 100 ° C) фумарольные структуры также известны. владеть как сольфатары. Участки холодной дегазации преимущественно двуокиси углерода называются мофетами. Горячие источники на вулканах часто содержат измеримое количество магматического газа в растворенной форме.
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 получили наибольшее внимание.
Давно признано, что выбросы SO 2 во время извержений намного меньше, чем во время пассивной дегазации. По оценкам Фишера и др. (2019), с 2005 по 2015 год выбросы SO 2 во время извержений составляли 2,6 тераграмм (10 г или Тг) в год, а в периоды без извержений или пассивной дегазации - 23,2 ± 2 Тг на год. За тот же интервал времени выбросы CO 2 вулканов во время извержений оценивались в 1,8 ± 0,9 Тг в год, а во время неэруптивной деятельности - 51,3 ± 5,7 Тг в год. Следовательно, выбросы CO 2 во время извержений вулканов составляют менее 10% выбросов CO 2, выделяемых во время вулканической активности без извержения.
Извержение 15 июня 1991 г. горы Пинатубо (VEI 6) на Филиппинах высвободило в общей сложности 18 ± 4 Тг SO 2. Такие крупные извержения VEI 6 редки и случаются только раз в 50–100 лет. В результате извержения 2010 г. на вулкане Эйяфьятлайокудль (VEI 4) в Исландии было выброшено 5,1 тг CO 2. VEI 4 извержения происходят примерно раз в год.
Для сравнения, в результате деятельности человека по сжиганию ископаемого топлива и производству цемента в 2015 году в атмосферу было выброшено 36 300 тг CO 2. Следовательно, количество CO 2, выделяемое в результате деятельности человека, в 600 раз превышает количество CO 2, выделяемое в настоящее время вулканами. Некоторые недавние оценки выбросов CO 2 вулканов выше, чем у Fischer et al (2019); оценка Бертона и др. (2013) 540 тг CO 2 / год, а оценка Werner et al. (2019) 220-300 тг CO 2 / год с учетом диффузных выбросов CO 2 из вулканических регионов. Даже с учетом самой высокой оценки выбросов вулканического CO 2 в 540 тг CO 2 / год, текущие выбросы CO 2 в результате деятельности человека составляют 36,300 тг CO 2 / год в 67 раз больше.
Вулканические газы собирались и анализировались еще в 1790 году Сципионе Брейслаком в Италии. Состав вулканических газов зависит от движения магмы внутри вулкана. Поэтому внезапные изменения в составе газа часто предвещают смену вулканической активности. Соответственно, большая часть мониторинга опасности вулканов включает регулярное измерение газовых выбросов. Например, увеличение содержания CO 2 в газах на Стромболи было приписано нагнетанию свежей богатой летучими веществами магмы на глубину внутри системы.
Вулканические газы могут быть обнаружены (измерены на месте) или взяты пробы для дальнейшего анализа. Обнаружение вулканического газа может быть:
двуокись 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 излучаемого SO 2. Многокомпонентная система газоанализатора (Multi-GAS) также используется для дистанционного измерения CO 2, SO 2 и H 2 С. 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 поток SO 2.
Непосредственный отбор проб вулканического газа часто выполняется методом, включающим откачанную колбу с едким раствором, впервые примененным Робертом Бунзеном (1811-1899) и позже усовершенствованный немецким химиком (1937–1997), получивший название бутылки 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 на трубках с твердым адсорбентом.
Методы анализа проб газа включают газовую хроматографию с обнаружением теплопроводности (TCD), пламенно-ионизационным обнаружением (FID) и масс-спектрометрия (ГХ-МС) для газов и различные влажные химические методы для растворенных веществ (например, ацидиметрическое титрование растворенного CO 2 и ионная хроматография для сульфата, хлорида, фторида ). Следы металлов, микроорганизмов и изотопов обычно определяют различными масс-спектрометрическими методами.
Некоторые составляющие вулканических газов могут показывать очень ранние признаки изменения условий на глубине, что делает их мощным инструментом для предсказания неминуемых волнений. При использовании вместе с данными мониторинга сейсмичности и деформации, корреляционный мониторинг приобретает 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 значительно продвинулись вперед. В рамках проекта Deep Earth Carbon Degassation Project для непрерывного мониторинга 9 вулканов используется дистанционное зондирование Multi-GAS.
Вулканические газы были непосредственной причиной примерно 3% всех смертей людей, связанных с вулканами, в период с 1900 по 1986 год. Некоторые вулканические газы убивают из-за кислотной коррозии ; другие убивают удушьем. Некоторые вулканические газы, включая диоксид серы, хлористый водород, сероводород и фтористый водород, реагируют с другими атмосферными частицами с образованием аэрозолей.
.
