Trochę teorii
Wulkanizm
Wulkanizm to termin oznaczający procesy związane z wydostawaniem się na powierzchnię Ziemi lawy, gazów wulkanicznych i materiału piroklastycznego.
Przejawem wulkanizmu jest powstawanie i aktywność wulkanów, występowanie ekshalacji i tworzenie się skał wulkanicznych. Proces ten ma wpływ na powstawanie charakterystycznych form rzeźby terenu.
Jak wiesz z klasy 1, geneza wulkanizmu jest bezpośrednio związana z procesami subdukcji, spreadingu i aktywnością hot spotów, a ich skutki mają ogromny wpływ na krajobraz, klimat i życie ludzi w strefach aktywnej tektoniki. Skutki wulkanizmu to przede wszystkim zagrożenia dla ludzi i środowiska, takie jak katastrofalne wybuchy powodujące zniszczenia, utratę życia, powodzie błotne (lahary), wyrzuty popiołów ograniczające dostęp do powietrza i światła oraz zmiany klimatyczne związane z emisją gazów i pyłu do atmosfery.
Wielkość erupcji wulkanicznej
Wskaźnikiem rozmiarów (wielkości) erupcji najczęściej jest ilość produktów erupcji wyrażona ilością wyemitowanego materiału piroklastycznegomateriału piroklastycznego lub lawy. W celu określenia tych ilości przeprowadzić badania terenowe i określić przestrzenny ich zasięg i grubości warstw materiału piroklastycznego lub potoków lawy. Znając te parametry, można oszacować objętość tych produktów wulkanicznych. Obecnie stosuje się skalę VEI (ang. Volcanic Explosivity Index, wskaźnik eksplozyjności wulkanicznej). Skala ta składa się z 9 stopni: od 0 do 8. Erupcje najsłabsze (VEI = 0–1) mają zwykle charakter efuzyjny z wyrzutem bardzo małej ilości materiału piroklastycznego. Każdy następny stopień skali powyżej 1 odpowiada wyrzutowi 10‑krotnie większej objętości tego materiału. Największe erupcje (VEI = 8) mają zwykle charakter eksplozywny i powodują wyrzut ogromnej ilości materiału. Skala ta bierze także pod uwagę wysokość słupa popiołów. Towarzyszy im często rozerwanie górnej części stożka (pod wpływem wzrostu ciśnienia wynikającego z nagromadzenia się tam magmy i innych produktów wulkanicznych) i powstania kalderykaldery. Może ona powstać także na skutek zapadnięcia się stropu komory magmowej.
VEI | Objętość materiału piroklastycznego [kmIndeks górny 33] | Wysokość pióropusza | Globalna częstość występowania |
|---|---|---|---|
0 1 2 3 4 5 6 7 8 | > 0,000001 > 0,00001 > 0,001 > 0,01 > 0,1 > 1 > 10 > 100 > 1000 | < 0,1 0,1‑1 1‑5 3‑15 10‑25 > 25 > 25 > 25 > 25 | codziennie codziennie co tydzień co roku ~ co 10 lat ~ co 50 lat ~ co 100 lat ~ co 1000 lat ~ co 10 000‑100 000 lat |
Indeks górny M. Awdankiewcz, Największe erupcje wulkaniczne na Ziemi, „Kosmos” 2011, t. 60, nr 3–4, s. 292–293. Materiał wykorzystany na podstawie art. 29 ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych (prawo cytatu) Indeks górny koniecM. Awdankiewcz, Największe erupcje wulkaniczne na Ziemi, „Kosmos” 2011, t. 60, nr 3–4, s. 292–293. Materiał wykorzystany na podstawie art. 29 ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych (prawo cytatu)
Wadą skali VEI jest porównywalność wielkości erupcji jedynie w odniesieniu do ich eksplozywności. Nawet bardzo duże wylewy lawy podczas erupcji efuzywnycherupcji efuzywnych, którym towarzyszy zwykle niewielki wyrzut materiału piroklastycznego, będą odznaczały się niskimi wartościami wskaźnika VEI. Należy także dodać, że materiał piroklastyczny charakteryzuje się dużą porowatością, natomiast lawy mają bardziej zbitą strukturę. Żeby porównać rozmiary erupcji eksplozywnycherupcji eksplozywnych i efuzyjnych, wykorzystuje się wskaźnik DRE (z ang. Dense Rock Equivalent, odpowiednik litej skały). Wartość DRE jest obliczana na podstawie objętości i porowatości produktów erupcji i dzięki temu związana jest z pierwotną objętością wyrzuconej magmy. Naukowcy zbadali, że objętość materiału piroklastycznego jest około 2 do 3 razy większa od objętości magmy, z której powstała, natomiast objętości potoków lawowych są podobne do pierwotnej objętości magmy.
Z uwagi na zmienną gęstość produktów erupcji oblicza się magnitudę erupcji. Wyznacza się ją na podstawie masy magmy wyemitowanej podczas wybuchu wulkanu:
magnituda = (masa wyemitowanej magmy, w kg) - 7
Podczas erupcji pewnego wulkanu masę wyemitowanej magmy określono na 10Indeks górny 99 t. Oblicz magnitudę erupcji.
Istnieje jeszcze inny parametr dotyczący wielkości erupcji - intensywność. Określa on tempo erupcji, czyli masę magmy wydobywającej się z wulkanu w jednostce czasu:
intensywność = logIndeks dolny 1010(tempo erupcji magmy, w kg/s) + 3
Z pewnego wulkanu podczas erupcji wydobywała się magma z prędkością 1000 kg/s. Oblicz intensywność erupcji.
Przeanalizuj poniższą tabelę, a następnie porównaj największe erupcje wulkaniczne pod względem objętości materiału piroklastycznego, objętości magmy, VEI i intensywności. Oceń konieczność stosowania różnych parametrów podczas porównywania erupcji eksplozyjnych (eksplozywnych) i efuzyjnych (efuzywnych).
Erupcja | Objętość materiału piroklastycznego | Objętość | VEI | Intensywność |
|---|---|---|---|---|
→ ERUPCJE EKSPLOZYWNE | ||||
Tambora, Indonezja, 1815 r. | 160 | 50 | 7 | 11,4 |
Novarupta, Alaska, 1912 r. | 28 | 12 | 6 | 11,0 |
Krakatau, Indonezja, 1883 r. | 20 | 10 | 6 | 10,7 |
Santa Maria, Gwatemala, 1902 r. | 20 | 8,6 | 6 | 11,2 |
Pinatubo, Filipiny, 1991 r. | 11 | 5 | 6 | 11,6 |
→ ERUPCJE EFUZYJNE | ||||
Laki, Islandia, 1783 r. | 0,9 | 15 | 4 | 10,4 |
Indeks górny M. Awdankiewcz, Największe erupcje wulkaniczne na Ziemi, „Kosmos” 2011, t. 60, nr 3–4, s. 292–293. Materiał wykorzystany na podstawie art. 29 ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych (prawo cytatu) Indeks górny koniecM. Awdankiewcz, Największe erupcje wulkaniczne na Ziemi, „Kosmos” 2011, t. 60, nr 3–4, s. 292–293. Materiał wykorzystany na podstawie art. 29 ustawy o prawie autorskim i prawach pokrewnych (prawo cytatu)
Wybrane najsilniejsze erupcje wulkaniczne ze względu na wybuch w dziejach świata - grafika interaktywna na skali czasu
Niebezpieczne leje krasowe
Leje są formami charakterystycznymi dla krajobrazów krasowych. Mają kolisty lub owalny zarys i zwykle występują w skupiskach. Najczęściej spotykanymi lejami są te o łagodnie nachylonych zboczach i średnicy do kilkudziesięciu metrów. Ich występowanie urozmaica krajobraz, zwykle nie stanowiąc zagrożenia. Jednak w niektórych miejscach na Ziemi mogą tworzyć się megaleje krasowe, których średnica oraz głębokość osiągają nawet po kilkaset metrów. Ich nagłe pojawienie się może mieć katastrofalne skutki i zaliczane jest do geozagrożeń.
Powstanie lejów krasowych
Powstawanie lejków krasowych jest związane z szeregiem procesów, które mogą występować samodzielnie, najczęściej jednak obserwuje się ich współdziałanie. W zależności od rodzaju procesów, leje krasowe mogą powstawać powoli lub mieć charakter zjawisk dynamicznych.
Występowanie lejów krasowych
Leje obserwowane są na powierzchniach zbudowanych ze skał węglanowych, gipsowych lub siarczanowych (wapień, dolomit, gips czy halit). Od rodzaju tych skał zależy tempo formowania się oraz rozmiary lejów. Te tworzące się na gipsach czy halicie powstają szybciej, ale są zwykle mniej trwałe niż ich odpowiedniki utworzone na wapieniach. Istotnymi czynnikami odpowiedzialnymi za tworzenie się lejów są warunki hydrometeorologiczne. Wyjątkowo duże formy spotykane są w strefach klimatów tropikalnych oraz wszystkich miejscach cechujących się wysokimi opadami. Nagłe pojawienie się lejów krasowych może być również wynikiem uwarunkowań hydrogeologicznych. Gwałtowne podwyższenie lub obniżenie zwierciadła wód gruntowych może zaburzyć przepływ wód podziemnych i zainicjować powstawanie lejów w nowych miejscach. Przykładem takiego procesu było uaktywnienie się lejów krasowych na wybrzeżach Morza Martwego po obniżeniu się poziomu wód tego jeziora.
Występowanie skał krasowiejących jest bardzo powszechne, dlatego leje występują w wielu regionach świata. Są jednak takie miejsca, gdzie formy te powstają wyjątkowo często lub wyróżniają się swoimi rozmiarami. Spektakularne formy występują w Brazylii, Wenezueli, Belize, Meksyku, Stanach Zjednoczonych, a także w Indonezji, Chinach czy Japonii.
Jednym z krajów najbardziej narażonych na występowanie lejów krasowych są Stany Zjednoczone. Ze względu na budowę geologiczną ponad 20% powierzchni tego państwa cechuje się warunkami sprzyjającymi powstawaniu tych form. Wśród zagrożonych stanów jest m.in. Floryda. Leje krasowe mogą powodować zagrożenia, dlatego ich formowanie się podlega tam stałemu monitoringowi służb geologicznych. Dzięki temu mieszkańcy oraz władze miast i hrabstw mogą ograniczać zabudowę na niektórych terenach, zapobiegając w ten sposób potencjalnym szkodom.
Trzęsienia ziemi
Co to są trzęsienia ziemi?
Najogólniej trzęsieniami ziemi nazywamy krótkotrwały wstrząs ośrodka skalnego, którego źródło pochodzi z głębi Ziemi lub rzadziej - z jej powierzchni. Do wystąpienia trzęsienia ziemi może przyczynić się nagła erupcja wulkanu lub ruchy konwekcyjne w astenosferze. Niekiedy trzęsienia są wywołane zapadaniem się komór magmowych pod wulkanem, zawaleniem jaskiń lub przez tąpnięcia. Jednak najczęstszą przyczyną wstrząsów sejsmicznych jest gwałtowne przemieszczenie się mas skalnych w skorupie ziemskiej w wyniku rozładowania nagromadzonych naprężeń. Na ogół do tego zjawiska dochodzi na granicach płyt litosfery w strefie subdukcji. Trzęsienia ziemi składają się z wielu uderzeń o zróżnicowanej sile następujących jedno po drugim. Uderzenie z dołu wywołane przez sprężystą falę jest odpowiedzialne za odczuwalne przez nas wstrząsy na powierzchni ziemi. Uderzenie proste (promień sejsmiczny tworzy z powierzchnią kąt prosty lub do niego zbliżony) skutkuje podrzuceniem przedmiotów ku górze, a przy uderzeniu ukośnym przeważnie przesuwają się przedmioty (np. obserwowane jest kołysanie się bloków).
Ogniskiem lub hipocentrum nazywamy obszar, z którego nastąpiło uwolnienie energii i rozchodzenie się fal sejsmicznych. Miejsce, gdzie fale sejsmiczne docierają najszybciej, a wstrząsy są najsilniejsze, znajduje się bezpośrednio nad ogniskiem – nosi ono nazwę epicentrum.
Ze względu na głębokość ogniska trzęsienia ziemi wyróżniamy:
trzęsienia płytkie – 70 km
trzęsienia pośrednie – 70–300 km
trzęsienia głębokie – 300–700 km
Czas i siła trzęsień ziemi
Najczęściej trzęsienia ziemi trwają jedynie kilka sekund. Bywa jednak, że rozpoczęte na jakimś obszarze zjawisko ciągnie się z przerwami przez kilka dni, a nawet lat. Dobrym przykładem jest tu trzęsienie ziemi w Ałma‑Acie, które rozpoczęło się 28 maja 1887 roku, a zakończyło po około 3 latach. W tym czasie odnotowano kilkaset uderzeń.
W momencie trzęsienia ziemi w krótkim czasie wyzwalana jest niezwykle duża ilość energii. W przypadku dużych wstrząsów wielkość ta może być porównywalna z wybuchem tysięcy ton ładunków atomowych. Oszacowano, że w przypadku trzęsienia ziemi w Ałma‑Acie z 1911 roku, ilość wyzwolonej energii była tak duża, że aby ją wytworzyć, elektrownia o mocy 450 tysięcy kilowatów musiałaby pracować bez przerwy przez 325 lat.
Energię trzęsień ziemi mierzymy przy pomocy sejsmografów i wyrażamy w stopniach magnitudy. Parametr ten został opracowany w 1935 roku przez Charlesa Richtera, który stworzył także skalę magnitud, nazwaną później skalą Richtera. Każde kolejne stopnie magnitudy pociągają za sobą 31‑krotny wzrost ilości wyzwalanej energii. W późniejszym czasie zmodyfikowano pojęcie magnitudy i sposób jej obliczania. Aktualnie do jej wyznaczenia wykorzystywanych jest szereg danych z zapisu wstrząsów, takich jak odległość od epicentrum, głębokość ogniska, amplituda drgań cząstek gruntu czy częstotliwości fali sprężystej. Ponadto wykorzystywane są informacje z różnego typu fal i wartości momentu sejsmicznego. Dokonano odpowiedniej kalibracji wielkości magnitudy, dzięki czemu najczęściej spotykane trzęsienia ziemi mogą być porównywalne ze skalą Richtera.
W Europie do opisu i określenia skutku trzęsień ziemi wykorzystujemy najczęściej 12‑stopniową skalę intensywności, tzw. Europejską Skalę Makrosejsmiczną.
Geograficzne rozmieszczenie trzęsień ziemi
Występowanie trzęsień ziemi na naszej planecie jest przestrzennie bardzo nierównomierne. Praktycznie nie obserwuje się ich w środkowej części Oceanu Spokojnego (poza Hawajami), a także na obszarze starych platform kontynentów (w Kanadzie, Brazylii, Europie Wschodniej, Australii). Głównymi obszarami ich występowania są tereny fałdowań alpejskich i współczesnych geosynklin.
Duża część epicentrów trzęsień ziemi skoncentrowana jest w pasie pacyficznym, gdzie oswobodzeniu ulega około 80% energii sejsmicznej Ziemi. Obszar ten rozciąga się od Wysp Aleuckich, a dalej biegnie wzdłuż zachodnich wybrzeży Ameryki Północnej, Środkowej i Południowej, aż do Południowych Szetlandów. W pasie tym najbardziej niszczycielskie trzęsienia ziemi występują w rejonie Alaski i Meksyku. Andy również charakteryzują się dużą sejsmicznością z charakterystycznym rozmieszczeniem ognisk związanych z wybrzeżem (40‑60 km) i dnem oceanu (100‑200 km).
Zdecydowanie mniej sejsmicznym rejonem jest pas europejsko‑azjatycki, w którego skład wchodzi obszar śródziemnomorski, Kaukaz, Pamir, Tienszan, Himalaje, łańcuchy górskie w Mjanmie (Birmie) i w Chinach, a w Rosji okolice Bajkału i dorzecze Amuru.
Wyróżniamy także drugorzędne pasy sejsmiczne, do których zaliczamy: pas atlantycki, pas indyjski, znajdujący się w zachodniej części Oceanu Indyjskiego, a także pas wschodnioafrykański.
Generalnie występowanie trzęsień związane jest z obszarami, gdzie w skorupie ziemskiej występują uskoki, pęknięcia, liczne kontrasty rzeźby (wysokie góry sąsiadują z głębokimi rowami oceanicznymi), na linii kontaktów różnorodnych struktur geologicznych oraz na terenach intensywnych ruchów tektonicznych. Wynika to z położenia tych obszarów w sąsiedztwie granic płyt litosfery, w strefach subdukcji, gdzie trzęsienia są spowodowane podsuwaniem się jednej płyty pod drugą, bądź w strefach spreadingu.
Geograficzne następstwa trzęsień ziemi
Skutki trzęsień ziemi obejmują pęknięcia i uskoki, osuwiska, zniszczenia budynków, uszkodzenia infrastruktury transportowej i energetycznej oraz zmiany topograficzne terenu, takie jak podnoszenie się lub opadanie powierzchni. Ponadto silne trzęsienia mogą wywołać pożary, powodzie, a w przypadku trzęsień podwodnych – tsunami, co dodatkowo zwiększa zagrożenia dla ludzi i środowiska.
Ze względu na wielką ilość energii, która zostaje uwolniona podczas trzęsień ziemi, często ich następstwem są istotne przekształcenia geograficzne. Odnosi się to przede wszystkim do deformacji skorupy ziemskiej, zwłaszcza na obszarach, na których zalegają skały luźne (lessy, aluwia). W Kenii w 1928 roku w następstwie trzęsienia ziemi powstało pęknięcie o długości 25 km, a pionowe przesunięcia mas sięgały 3 metrów. W dniu 28 października 1891 roku powstała szczelina w poprzek wyspy Honsiu o długości 160 km. Jednocześnie powierzchnia ziemi na północny‑wschód od szczeliny obniżyła się i przesunęła w kierunku poziomym o 6 metrów. Trzęsienie ziemi w Japonii z dnia 1 września 1923 roku spowodowało zwiększenie głębokości zatoki Sagami w części południowej o 100 metrów, a w części północnej nastąpiło wypłycenie o około 200 metrów. W tym czasie brzegi zatoki przesunęły się zaledwie o 1,5 metra.
Najsilniejsze trzęsienia ziemi
Według wielu badaczy najsilniejsze trzęsienie ziemi, jakie zarejestrowano na naszej planecie, miało miejsce 22 maja 1960 roku w południowym Chile. Siłę trzęsienia oszacowano na 9,5 magnitudy. Następstwem wstrząsów były liczne osuwiska i tsunami, którego fale przemierzyły niemal cały Pacyfik, uderzając w Hawaje. Łączna liczba ofiar kataklizmu (trzęsienia i fal tsunami) wyniosła 1 655 osób. Szacowane straty materialne sięgnęły ponad 660 mln dolarów.
Na naszej planecie odnotowano ponadto jeszcze trzy trzęsienia ziemi, których magnituda była większa od 9. Najstarszym z nich było trzęsienie ziemi na Alasce (zwane również trzęsieniem wielkopiątkowym lub wielkim trzęsieniem alaskim) w 1964 roku. Jego siła wyniosła około 9,2 magnitudy. Ze względu na niewielką gęstość zaludnienia tego obszaru, śmierć poniosło 131 osób. Bardzo dużej deformacji uległa jednak powierzchnia terenu, która miejscami została wypiętrzona lub obniżona o kilka metrów. Pewne mniejsze lub większe skutki trzęsienia ziemi odczuwalne były nie tylko w rejonie epicentrum, ale i na całej planecie.
Bardzo tragiczne w skutkach było trzęsienie ziemi, które miało miejsce u wybrzeży Sumatry 26 grudnia 2004 roku. Jego siłę oceniono na 9,1‑9,3 magnitudy. Najbardziej katastrofalna w skutkach była fala tsunami, która powstała w następstwie wstrząsów. Niemal całkowitemu zniszczeniu uległy tereny nadmorskie 14 krajów położonych nad Oceanem Indyjskim (m.in. Sri Lanka, Indie, Tajlandia), a śmierć poniosło od 230 do 280 tysięcy osób.
11 marca 2011 roku miało miejsce najsilniejsze trzęsieni ziemi w dziejach Japonii (od czasu rejestracji wstrząsów w 1900 roku). Jego siłę oceniono na 9,0‑9,1 magnitudy. Epicentrum trzęsienia znajdowało się około 70 kilometrów na wschód od półwyspu Oshiko (na Pacyfiku), a jego hipocentrum uplasowało się na głębokości około 30 kilometrów. Następstwem trzęsienia ziemi były olbrzymie fale tsunami, których wysokość w prefekturze Iwate oszacowano na ponad 40 metrów. Fale wdarły się w głąb lądu na odległość 10 kilometrów. W wyniku trzęsienia ziemi i fal tsunami śmierć poniosło około 16 tysięcy osób, a największa wyspa Japonii przesunęła się o 240 cm na wschód. Jednym z poważniejszych skutków tej katastrofy było także skażenie środowiska naturalnego wywołane awarią elektrowni atomowej w Fukushimie.
