Vulkanizmus a jeho důsledky I. Úvod David Buriánek Pouze pro potřebu výuky A. Magma směs roztavené horniny, krystalů a plynů ØŘecké slovo = plastický, tvarovatelný ØMagma má nižší hustotu než okolní horniny a proto stoupá k povrchu. ØSi, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, H, a O tvoří 99,9% hmotnostních procent většiny magmat. 1. Neexplozivní ØLáva se vylévá na povrch v podobě rozsáhlých lávových proudů nebo kup. ØCharakteristický je nízký obsah plynů a nízká viskozita magmatu (bazické až andezitové). ØLáva se vylévá na povrch jako lávové proudy a plyny se uvolňují ohnivými fontánami. ØPod vodou vznikají polštářové lávy (Pillow lavas). Ø 2. Explozivní ØJsou magmata s vysokým obsahem plynů a vysokou viskozitou (andezitové až ryolitové magma). ØBubliny plynů jsou drženy vysokou viskozitou magmatu pouze při vyšším tlaku při povrchu expandují – exploze a vznik pyroklastik. ØNad sopkou vznikne erupční pyroklastický sloupec, který stoupá až do výšky 45 km (eruption column). Ø •Magma může krystalovat odlišnou rychlostí což ovlivňuje strukturu a texturu horniny. •Výlevné (vulkanické): krystalizují na povrchu - rychle (volcanic or extrusive). •Hlubinné (plutonické): krystalizují pod povrchem - pomalu (intrusive or plutonic). Vznik magmatu •kolem 95% všech vulkanitů nachází na deskových rozhraních (Wyllie, 1971) •proto souvisí vznik většiny vulkanických hornin s deskovou tektoniku •vulkány které vznikají uvnitř oceánské nebo kontinentální desky mají zdroj v plášti (Christiansen, 1987) F:\USB\PDFvulkanologie\ppt\Igneous rocks and volcanism_soubory\voldist.jpg C:\Documents and Settings\Administrator\My Documents\Hawk\WWNorton\earth_ch6\EA F.06.03.png Fig 10-16b Vznik magmatu •bazalty vznikají parciálním tavením pláště •ryolity tavením kontinentální kůry nebo diferenciací bazaltové taveniny Brown and Mussett, A. E. (1993), The Inaccessible Earth: An Integrated View of Its Structure and Composition. Chapman & Hall/Kluwer. •V různých typech geotektonického prostředí je magma generováno odlišnými procesy a v různých hloubkových úrovních: 1.pro magmata derivovaná z pláště se zdroj nachází v hloubkách nad 50 km 2.u kontinentální riftů magma z pláště generuje tavení kůry 3.magma vázané na vulkanické oblouky je generováno ve střední hloubce (několik desítek km) 4.jako důsledek ztluštění kůry může vznikat magma v orogenních oblastech •Na složení výsledného magmatu se také podíly další procesy jako je diferenciace nebo asimilace. •Probíhají v magmatickém krbu a při výstupu taveniny k povrchu. C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\OBRPOM\www.science.ubc.ca\~geol202\images\rock_cycle\ign1.gif •Typy magmat 1.Bazaltové (1000-1200oC) - SiO2 45-55 wt%, vysoké obsahy Fe, Mg, Ca, nízké K, Na 2.Andezitové (800-1000oC) - SiO2 55-65 wt%, střední obsahy Fe, Mg, Ca, Na, K 3.Ryolitové (650-800oC) - SiO2 65-75%, nízké obsahy Fe, Mg, Ca, vysoké obsahy K, Na Sklovitá – sklo a jen ojedinělé vyrostlice Hemikrystalická - sklovitá základní hmota a lištovité krystaly živce Holokrystalická Porfyrický olivinický bazalt - “svrchní andezity” vulkanické struktury Santa Lucia (D0136), BSE snímek. Porfyrický andezity - Kostarika Porfyrický analcimit – Doupovské hory 1. Středooceánský rift (Mid-ocean Ridges) 2. Intrakontinentální rift (Intracontinental Rifts) 3. Ostrovní oblouk (Island Arcs) 4. Aktivní kontinentální okraj (Active Continental Margins) 5. Zaobloukový bazén (Back-arc Basins) 6. Vulkanické ostrovy (Ocean Island Basalts) 7. Různé intrakontinentální vulkanity (Miscellaneous Intra-Continental Activity = kimberlites, carbonatites, anorthosites) Fig 1-10 Geotektonická pozice magmatu SilverEarthModel F:\USB\PDFvulkanologie\ppt\Igneous rocks and volcanism_soubory\orimagma.jpg Fig 13-15 Perfit et al. (1994) Geology, 22, 375-379. Středooceánské rifty (bazalty typu MORB) Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Aktivní kontinentální okraj (Active Continental Margins) C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 17\FIg 17-23.jpg Wilson (1989) Igneous Petrogenesis, Allen Unwin/Kluwer. C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 16\Fig 16-1.jpg C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 16\Fig 16-17.jpg Ostrovní oblouky (Island Arcs) C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 16\Fig 16-2.jpg Vulkanické ostrovy (Ocean Island Basalts = OIB) Fig 14-1 Crough (1983) Ann. Rev. Earth Planet. Sci., 11, 165-193. hot spot & volcano formation Fig 15-3 Plató bazalty Etendeka a Paraná province (Tristan hot spot), Wilson (1989), Igneous Petrogenesis. Kluwer. •Plató bazalty (Continental flood basalts = CFB) vznikají nad plášťovým chocholem •Velké objemy magmatu: •Křídové plató bazalty Paraná více než 1000000 km2 •Křídové až eocenní plató bazalty Decan více než 1000000 km3 Fig 15-5 Hooper (1988a) The Columbia River Basalt. In J. D. Macdougall (ed.), Continental Flood Basalts. Kluwer. 1-34. •Nečastěji je magma generováno v několika geotektonických prostředích: 1) ostrovní oblouky (Island Arcs): souvisí se subdukcí a vznikají v kompresním režimu, intermediální až bazické horniny, magmatický krb ve střední hloubce 2) kontinentální oblouky (Continental Arcs): souvisí se subdukcí a vznikají v kompresním režimu, intermediální až kyselé horniny, magmatický krb ve střední hloubce 3) středooceánské rifty: vzniká v extenzním režimu a produkuje hlavně bazické vulkanity 4) plášťový chochol (mantle plume) souvisí s konvekčním pohybem v plášťových celách (Clague and Dalrymple, 1987) 5) kontinentální rifting (continental rifting): ztenčování litosféry (lithospheric thinning) je spojeno s extenzní tektonikou (Riecker, 1979 a Christiansen and McKee, 1978) Odhad množství magmatu generovaného v různých geotektonických prostředích (odhad je v kubických kilometrech za rok, Schmincke H-U, Vulkanismus) •Vulkány se vyskytují na hranicích litosférických desek, především na konvergentních deskových rozhraních. •Uvnitř litosférických desek jsou zastoupeny vulkány horkých skvrn a na riftových strukturách. •V prostředí středooceánských hřbetů (riftů) vzniká zhruba 63 % objemu magmatu produkovaného na zemském povrchu (Schmincke, 1982) •V prostředí vulkanických oblouků vzniká zhruba 26 %. •Během posledních 10 000 let bylo na zemském povrchu aktivních zhruba 1400 vulkánů. Velké erupce v nedávné minulosti Vztah mezi teplotou a viskozitou (Cas a Wright, 1987) B. Klasifikace produků vulkanické aktivity •Vulkanizmus zahrnuje řadu procesů při nichž magma pronikne až na zemský povrch: •explozívní = výbuch •efuzívní = výlev •1) produkty ztuhnutí lávy – výlevné horniny •2) produkty sopečných explozí - pyroklastické horniny a vulkanoklastické sedimenty •3) produkty postvulkanické činnosti - alterace •Průběh erupce, tvar, rozměry a stavba sopky závisí na složení lávy: Øfelsické magma – obsahuje hodně rozpuštěných plynů → explozivní erupce, vyvrhování velkého množství pyroklastik Ømafické magma → klidné erupce •Přítomnost nebo nepřítomnost pyroklastik ovlivňuje tvar výsledných vulkanických těles (např. stratovulkán a štítový vulkán). C:\Drawings-Images\Petrol-Geochem\IUGS-3.TIF 1) Produkty ztuhnutí lávy – výlevné horniny •vulkanické horniny se klasifikují na základě chemického složení (obsah hlavních oxidů ) nebo podle mineralogie (hlavně minerální složení vyrostlic) Hlavní výlevné horniny •bazalty: plagioklas An > 50, dále klinopyroxeny někdy orthopyroxeny, olivín může být přítomen i křemen nebo olivín či foidy •andezit: plagioklas An < 50, amfibol, klinopyroxeny někdy orthopyroxeny, biotit •trachyt: draselné živce > plagioklasy, klinopyroxeny někdy biotit •fonolit: alkalické živce + nefelín alkalický piroxen a amfibol •tefrit: plagioklas An > 50, foidy, pyroxen •bazanit: plagioklas An > 50, foidy, pyroxen, olivín C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\OBRPOM\www.geolab.unc.edu\Petunia\IgMetAtlas\plutonic-micro_7F\diabase .X.jpg F:\USB\PDFvulkanologie\ppt\Thin sections minerals & volcanic microtextures_soubory\rhyo_w_q_pl_bio_kfs.jpg Horniny s křemenem Horniny bez křemene Hlavní výlevné horniny •alkalické ryolity: alkalické živce + křemen, dále biotit, alkalické pyroxeny a amfiboly •ryolity: draselné živce > plagioklasy + křemen, biotit, muskovit, turmalín, granát, amfibol •dacity: draselné živce < plagioklasy, křemen, biotit, amfibol, muskovit img0406.jpg S. Hughes, Spring 2002 C:\Drawings-Images\Petrol-Geochem\TAS-diagram-med.tif TAS diagram (total alkalis vs. silica) LeBas et al., 1986. figure •Podle chemického složení můžeme vydělit několik základních trendů které indikují odlišný původ a vývoj magmatu (Carmichael et al., 1974): •toleitický (tholeiitic) •přechodný (transitional) •alkalicko draselný (alkalic, potassic) •vápenato-alkalický (calcalkalic) •Na základě normativních minerálů je možné klasifikovat tyto bazalty pomocí tetraedru ne-q-cpx-ol. •Je možné vydělit několik typů bazaltů :1) q normativní - tholeiite, 2) en normativní - hypersthenický basalt, 3) en+fo - olivinický tholeit, 4) fo - olivinický basalt, 5) ne - alkali basalt. •Modalní klasifikace se nemusí vždy shodovat s normativní ale: •Alkalické bazalty – vyrostlice olivínu a nemají opx, •Tholeitický bazalt - opx vyrostlice a neobsahují olivín •Olivinický tholeit - olivinové vyrostlice obklopené opx C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\novpred\moje\basalttetrahedron2.jpg C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\novpred\moje\basaltclass.jpg Subalkalický - q normativní basalt - tholeit Alkalický - ne normativní basalt - alkalický olivinový bazalt •Chování magmatu je výrazně ovlivněno viskozitou. •Viskozita je závislá na obsahu SiO2, fluid (H2O, CO2), na rychlosti krystalizace a obsahu krystalů. Význam fluidní fáze •snižuje viskozitu magmatu •ovlivňuje typ erupce •studium složení fluid umožňuje předpovědět kdy k erupci dojde Bazalt Andesit Ryolit Žíla andezitů obsahuje enklávu metasedimetů (D00012, Mongolsko) 2) Produkty sopečných explozí - pyroklastické horniny a vulkanoklastické sedimenty Materiál: vitrické tufy Sklo + pemza fragmenty hornin (lithické fragmenty) krystaly lithické tufy krystalové tufy •Pyroklastické horniny = vulkanický materiál vyvrhovaný ze sopečného jícnu v podobě fragmentů různé velikosti: popel, lapili, struska (tj. bazaltová pemza) bomby, balvany. •Jednoduchá klasifikační schémata jsou založená na složení materiálu nebo na velikosti. •Termín tefra je v poslední době obecně užívaný pro všechny nezpevněné pyroklastické horniny. Klasifikace a nomenklatura tufů na základě jejich složení (Schmid, 1981) Klasifikace vulkanického popela na základě jeho složení (Schmid, 1981) Poloha popelového tufu – poloha leží mezi dvěma proudy laharů (Nikaragua, Santa Lucia) •Pyroklastický materiál (tefra) mohou tvořit úlomky pevných hornin, ale většinou jde o dosud neutuhlé magma které chladne až během letu atmosférou a/nebo po dopadu •Často jde o směs několika komponent které se liší velikostí fragmentů: •1. sopečné (vulkanické) bomby •2. pemza kyselá pórovitá hornina •3. lapilli (sopečná struska, škvára), bývají většinou pórovité, struskovitého vzhledu, o velikosti udávané např. 2 až 64 mm, tj. menší než bomby, •4. vulkanický písek (v používané klasifikaci je řazen k vulkanickému popelu 2 - 0,04 mm) •5. popel, skládající se z pyroklastických částic menších než 0,04 mm Velikost fragmentů: popel (<2 mm) lapily (2-64 mm) bloky a bomby (>64 mm) tufy zpevněnélapily lapilové tufy tuf - brekcie pyroklastické brekcie nebo aglomeráty Klasifikace pyroklastických hornin (Fischer-Schminke, 1984) vulkanické bloky a balvany nad 250 mm vulkanické kameny a bomby 250 - 63 mm lapilli 63 - 2 mm vulkanický písek 2 - 0,063 mm vulkanický popel 0,063 - 0,004 mm velmi jemný vulkanický popel pod 0,004 mm Klasifikace pyroklastických hornin (Hejtman, 1977) Klasifikace pyroklastických hornin (Fischer-Schminke, 1984) Klasifikace pyroklastických sedimentů (Fischer-Schminke, 1984) •Zpevněná hornina tvořená tefrou je tuf. •Podle složení se rozeznává: Ølithický tuf (složený z horninových částic) Økrystalový tuf (složený z krystalů) Øvitrický neboli sklovitý tuf (složený ze sopečného skla). •Podle velikosti částic se někdy rozeznává: psamitický (pískový) , pelitický (popelový), lapillový tuf apod. •Termín sopečný aglomerátový tuf se používá pro smíšené horniny, obsahující jak nejhrubší, tak nejjemnější částice. •Tufy bývají nevrstevnaté i laminované, gradačně zvrstvené a také různých struktur: Ølitoklastické: mezi klasty převládají horninové úlomky Øvitroklastické (hyaloklastické): mezi klasty převládají sklovité úlomky Økrystaloklastické mezi klasty převládají úlomky krystalů (živce). •Tufogenní značí tufového původu: hornina obsahuje úlomky pyroklastik nebo tufů a případně produkty přeměn těchto hornin. Klasifikace vulkanoklastických hornin (horniny které obsahují méně než 10 % vulkanického materiálů klasifikujeme jako sedimenty (klasifikace BGS 1999) Tuf – Kostarika (lom Tajo La Pista) Tuf – Kostarika (lom Tajo La Pista) •1) pyroklasty •Fragmentované v důsledku vulkanické erupce. •Magmatické pyroklasty mají nepravidelné tvary s četnými bublinami drobné úlomky jsou střípkovité. Běžný je podíl skla v základní hmotě pyroklastů. •Xenolitické pyroklasty jsou ostrohranné úlomky které nevznikly tuhnutím lávy během erupce. •2) autoklasty •Fragmentované v důsledku pohybu částečně ztuhlé lávy. •Autoklasty jsou ostrohranné, mohou být často pórovité ale ne v mikroměřítku. •3) hyaloklasty •Fragmentované v důsledku šokového zchlazení lávy na kontaktu s vodou. •Hyaloklasty jsou ostrohranné a obsahují vysoký podíl skla. •4) epiklasty •Fragmentované v důsledku zvětrávání a eroze láv a zpevněných pyroklastik. •Klasty bývají v důsledku transportu zaoblené. •Epiklastika jsou většinou polymiktní (tvořená fragmenty různých vulkanických hornin). Typy klastů v pyroklastických horninách •Struska (Scoria) •vesikulární (napěněná) skelná lávová hornina bazaltového nebo andesitického složení •je vyvrhovaná ze sopečného jícnu během explozivní erupce •napěnění je výsledkem úniku plynů z magmatu během erupce (má vyšší hustotu než voda) •barva je šedá až černá a výrazně závisí na obsahu železa •někdy bývá na povrchu oxidovaná (červená barva) Cerro Negro (Nikaragua) Vulkanický popel (Volcanic ash) SEM image: volcanic ash, glass shards SEM image: volcanic ash, glass shards Volcanic ash, Brokeoff Volcano, California •jde o úlomky skla krystalů nebo pemzy o velikosti < 2 mm (a) automorfní krystaly jsou často obklopené sklem a rozlámané (b) úlomky skla tvořily původně obal bublin někdy jde o trojné body mezi několika bublinami •bubliny vznikly při erupci při expanzi plynu v magmatu •na některých úlomcích je parné rozpouštění kyselo podzemní vodou (c) drobné pemzové úlomky s oválnými dutinami po plynech expandujících v magmatu během erupce b c a Vulkanické lapily (Volcanic lapilli) •jde o úlomky skelných hornin nebo pemzy o velikosti 2-64 mm •bubliny vznikly při erupci při expanzi plynu v magmatu •tvar u větší lapil může ovlivnit transport atmosférou velmi často však jde o ostrohranné úlomky Písčité lapily obklopují vulkanickou bombu (Mongolsko) Lapily (Etna, ) Volcanic bombs erupted by Mauna Kea Volcano, Hawai`i Vulkanické bomby (Bomb) •vulkanické bomby jsou fragmenty lávy vyvržené v plastickém stavu z vulkánu •Jsou v průměru větší než 64 mm •Často mají aerodynamický tvar vzniklý během letu These basaltic lava bombs were erupted by Mauna Kea Volcano, Hawai`i. Photograph by J.P. Lockwood on July 10, 1982 Písčité lapily obklopují vulkanickou bombu (Mongolsko) vulkanická bomba (Mongolsko) Breadcrust bomb erupted by Mount St. Helens, Washington This dacite breadcrust bomb (about 15 cm in diameter) was erupted from the lava dome at Mount St. Helens, Washington. Photograph by D.W. Wieprecht in March 1997 Vulkanická bomba s chlebovou kůrkou (Breadcrust bomb) •praskliny na povrchu se podobají těm na chlebovému bochníku •tyto trhliny vznikají při prudkém schlazení •povrch je studený a křehký •střed ještě horký a expanduje v důsledku zvětšení bublin plynů Photo: Pele's tears with U.S. dime for scale Slzy Pelé (Pele's tears) •kousky roztavené lávy z fontán tuhnou rychle •vznikají tak malé sklovité kapky Assorted shapes of Pele's tears collected a few kilometers downwind from Mauna Ulu from along the Hilina Pali Road on Kilauea Volcano, Hawai`i. U.S. dime for scale in lower right. Photograph by J.D. Griggs in November 1984 Photo: pele's hair on surface of lava flow at Kilauea Volcano, Hawai`i •někdy vznikají podobným způsobem vlasy (Pele's hair) •mají v průměru méně než 0,5 mm a jsou až 2 m dlouhé Hundreds of strands of Pele's hair intertwined on the surface of a pahoehoe flow at Kilauea Volcano, Hawai`i. The glass strands were erupted from Mauna Ulu, a shield that formed on the east rift of Kilauea between 1969 and 1974. Photograph by D.W. Peterson on 27 March 1984 Dacitová vulkanická bomba s chlebovou kůrkou (Vulkánou) bazaltová vulkanická bomba neogenní vulkanizmus (Boaco, Nikaragua) Photo: reticulite erupted from Kilauea Volcano, Hawai`i •Retikulit (Reticulite) •je to vlastně bazaltová pemza, bubliny vytváří strukturu podobnou včelímu plástu •vznikl napěněním lávy v lávových fontánách •láva z velké části zchladla jako sklo •narozdíl od pemzy neplave na vodě protože bubliny jsou propojené (95-99% pórů) Reticulite erupted from Kilauea Volcano, Hawai`i. Photograph by J.D. Griggs •Pemza (Pumice) •vysoce pórovitá kyselá nebo intermediální láva •tvořena hlavně vulk. sklem •vznikla při explozi vulkánu •plave na vodě a má sférické nebo oválné póry •Klasifikace vulkanoklastických je založena na (Fisher a Schmincke, 1984): 1.zrnitosti 2.způsobu fragmentace a typů fragmentů 3.příměsi nevulkanických komponent •Pokud není možné přesně určit genezi tak použijeme obecný termín vulkanoklastika (Fisher, 1961). Klasifikace pyroklastickách hornin s cizorodou příměsí Tephra erupted from Mount St. Helens volcano on 18 May 1980 Tephra erupted by Mount St. Helens on 18 May 1980 ranging in size from ash (left 2 piles) to lapilli (right 2 piles) D. Wieprecht. •Pyroklastika vznikají během vulkanické exploze a mohou být monomiktní i polymiktní (v případě freatomagmatické erupce). •Autoklastika vznikají rozlámáním lávového proudu a jsou monomiktní přičemž petrografie klastů odpovídá lávě ze které jsou odvozená. Jemnozrnná pyroklastika (popel), erupce před 2120±120 (Nikaragua, Acahualinca) Epiklastické sedimenty •horniny jejichž součástí jsou úlomky vzniklé zvětráváním a erozí •většina materiálu je produktem staršího vulkanizmu •přítomná zrna zaoblená až polozaoblená •sklo není přítomno je totiž obvykle rozloženo •matrix je nejčastěji jíl nebo karbonát •terigení materiál je nečastěji tvořen zrny křemenného prachu • Písčité epiklastické sedimenty s klasty pemzy, Boaco (D118) Písčité epiklastické sedimenty, Boaco (D184) Epiklastický sediment - konglomerát tvořený zaoblenými až ostrohrannými úlomky ignimbritů (Permské vulkanity, Mongolsko) Tufitický pískovec – Fsp, Bt, Qtz (Mongolsko H0588) Tufitický prachovec místy s většími vulk. klasty – Fsp, Bt, Qtz (Mongolsko O0341) •nezpevněná pyroklastika bývají často přemísťována a míšena se sedimentárním materiálem •jemnější sopečný popel může být větrem unášen desítky i stovky kilometrů •činí-li jeho podíl 25-75 (10 až 50) %, hornina se nazývá tufit (tufity vznikají zvláště při podmořských explozích) •často se v názvu navíc zdůrazňuje zrnitost horniny •sediment s vulkanickou příměsí používáme pokud převládá sedimentární materiál (například pískovec s vulkanickou příměsí = méně než 25% vulkanického materiálů) Vulkanoklastické sedimenty a tufity Vulkanoklastický sediment (Mongolsko D0900) Vulkanoklastický sediment (Mongolsko D0671) Klasifikace pyroklastik a vulkanoklastických sedimentárních hornin (horniny které obsahují méně než 10 % vulkanického materiálů klasifikujeme jako sedimenty (klasifikace BGS 1999) Tufitický konglomerát – Kostarika (lom Tajo La Pista) Klasifikace pyroklastik a vulkanoklastických sedimentárních hornin (horniny které obsahují méně než 10 % vulkanického materiálů klasifikujeme jako sedimenty (klasifikace BGS 1999) Vulkanoklastický sedimenty – poloha leží mezi dvěma proudy laharů (Nikaragua, Santa Lucia) • Použitá literatura •řada prezentací volně dostupná na internetu •Strahler, A. (1999): Introducing Physical Geography. Wiley, New York •Karásek, J. (2001): Základy obecné geomorfologie. Přírodovědecká fakulta MU, Brno, 216 s. •Demek, J. (1987): Obecná geomorfologie. Academia, Praha, 476 s. •http://www.geology.cz/aplikace/encyklopedie •http://www.geology.sdsu.edu/how_volcanoes_work/ •http://volcanoes.usgs.gov/ •http://en.wikipedia.org/ •http://volcano.und.nodak.edu •http://www.sopky.cz/ •