Шлаки вулканические
ШЛАКИ ВУЛКАНИЧЕСКИЕ
Заполнители вулканического происхождения
Природные пористые заполнители вулканического происхождения представляют собой изверженные главным образом обломочные породы. В ряде случаев целесообразна перевозка их в другие районы и даже на большие расстояния, если это оправдано технико-экономнческим расчетом.
К пористым горным породам, используемым для получения заполнителей, относят пемзы, шлаки, туфы, а также пористые базальты и андезиты.
Пемза. Пемза — пористое стекло, образовавшееся в результате вспучивания и застывания магмы, выброшенной при извержении вулканов. Выход магмы из недр на поверхность сопровождался резким спадом давления. При этом растворенные в расплаве газы выделялись в виде пузырьков. Одновременное охлаждение привело к увеличению вязкости магмы, и она застыла в виде пористой породы губчатого или волокнистого строения от серовато-белого до коричневого цвета. Крупнейшие месторождения пемзы находятся в Армении. Имеется пемза на Северном Кавказе и Камчатке.
Пемза встречается преимущественно в виде залежей песка, Щебня и более крупных обломков. Производство пемзовых заполнителей состоит в разработке карьеров, дроблении и сортировке материалов.
В большинстве случаев пемза по химическому составу относиться к кислым породам и состоит в основном из стекла (содержание кристаллических минералов обычно менее 1%).
Размеры пор в пемзе от долей миллиметра до 3 мм, форма пор округлая или вытянутая. Пористость зерен достигает 85%. Насыпная плотность пемзового песка различных месторождений составляет 600... 1100 кг/м3, щебня — 400...900 кг/м3, плотность зерен — 0,5 ... 1,9 г/см3. Предел прочности пемзы при сжатии составляет 2,5 ... 40 МПа. Пемза имеет ячеистую структуру, и поэтому зависимость прочности от плотности приблизительно выражается уравнением квадратной параболы, т. е. формулой при п=2.
Наименее пористые, более тяжелые и прочные пемзы (их называют литоидными, т. е. камнеподобными) используют для получения легких конструкционных бетонов. В Закавказье из таких высокоэффективных бетонов сооружаются различные конструкции, в том числе перекрытия, мосты, гидротехнические сооружения.
Более легкие разновидности пемзы используют в качестве заполнителей для теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных легких бетонов.
Вулканические шлаки. Месторождения вулканических шлаков имеются в Армении, Грузии, на Камчатке и в других местах.
Вулканические шлаки образовались из жидкой магмы основного состава, выбрасываемой при бурном извержении в воздух. Песок, щебень, также крупные глыбы вулканического шлака (вулканические бомбы) перерабатываются в заполнители частичным дроблением и фракционированием.
Внешне вулканические шлаки похожи на топливные. Они имеют темную окраску от красноватой до черной. Структура крупнопористая, ноздреватая.
Насыпная плотность щебня 400... 850 кг/м3, песка 650... 1300 кг/м3. Вулканические шлаки используют в качестве заполнителей для легких бетонов различного назначения. О 6.1.3. Туфы и туфовые лавы. Вулканические туфы — это мелкопористые породы, образовавшиеся из вулканического пепла с различной степенью уплотнения и спекания, а туфовая лава — это быстро остывшая поризованиая лава, в которую попали вулканические пепел и песок. Наиболее значительные месторождения в Армении.
Туфы и туфовые лавы залегают массивами и используются для производства стеновых камней и крупных блоков. Образующиеся при разработке карьеров камнерезными машинами отходы (более 50% разрабатываемого объема камня) после дробления и сортировки дают щебень с насыпной плотностью 600 ... 800 кг/м3 и песок — 700... 1000 кг/м3, пригодные для легких бетонов. Туфы имеют зернистую структуру, туфовые лавы — переходную, иногда близкую к ячеистой.
Некоторые виды туфов недостаточно водостойки и морозостойки вследствие слабых связей между зернами в их структуре. Применение таких туфов в качестве заполнителей для бетона не допускается. Однако они могут быть использованы как сырье для получения высококачественного заполнителя.
*** Продукты вулканических изверженийПоясню несколько геологических терминов. Главным источником выброшенного материала на вулканах являются продукты взрывов и брызги лавы — «пирокластика» (от греческих пир — огонь и класис — разбивать). Застывшие в полете обрывки горячей лавы, большей частью падающие на склон вулкана в виде переполненных газовыми пузырьками обломков, обычно называют шлаками. Вулканические бомбы — куски лавы, выброшенные в раскаленном состоянии высоко в воздух, часто округленные в полете до сферической или веретеновидной формы. По величине вулканические бомбы могут быть от размера яблока до многотонных глыб. Небольшие кусочки лавы или обломки посторонних пород размером в несколько сантиметров названы лапиллями (от итальянского — камешки), тончайшие частицы лавы, рассеянные в результате быстрого расширения газов, — вулканическим пеплом или вулканической пылью. Термин «пепел», обычно применяемый для частиц лавы, может ввести в заблуждение, поскольку речь идет об обломках вулканического стекла, а не об остатках их сгорания. Сцементированные впоследствии обломки лав и пепла называют туфами.
К пирокластическому материалу относят также пемзу. Она образуется из лав с высоким содержанием кремнезема, содержащих так много газов, что еще при подъеме в пределах подводящего канала они сильно вспениваются. При достижении земной поверхности пемзовый материал, благодаря дальнейшему расширению газов, распадается на многочисленные обломки различных размеров – от солидных глыб пузырчатых горных пород до мельчайших обломков, состоящих из крошечных частиц разрушенных стенок газовых пузырей. Объемный вес пемзы настолько мал, что она плавает в воде и при подводных извержениях ее может быть так много, что корабли вынуждены пробиваться через эти скопления целыми днями.
Изучение Эолийских островов внесло значительный вклад в понимание механизмов извержений. Г. Меркалли, бывший руководителем вулканологической станции на Везувии и проводивший в 1889–1890 гг. исследования на острове Вулькано, выделил особый тип извержений — вулканский. Извержения начинаются с освобождения взрывным путем кратера и переходят в лавовые потоки. Известные вулканологи Г. Тазиев и Г. Макдональд кроме вулканского описывают лавовый стромболианский тип извержений. С этими типами проводится сравнение вулканических явлений других провинций, в том числе на территории России. Для вулканского характерно извержение вязких лав с большим количеством пирокластики, результата взрыва жерловой пробки. В основном это обломки более ранних вулканических пород, разогретых газами до красного каления. Извержения стромболианского типа характерны для открытых жерл, когда достаточно жидкая лава поднимается в выводном канале почти к поверхности. Если уровень магмы в канале высокий, то большое количество лавы выбрасывается в жидком состоянии и разбрызгивается вокруг жерла. Умеренные извержения стромболианского типа могут продолжаться годы, прерываясь периодами более мощной деятельности вулкана, когда раскаленные шлаки и бомбы выбрасываются на высоту тысячи метров и огромные черные клубы пепла поднимаются над вулканом.
Продукты вулканических извержений издавна используются человеком. Например, вулканическое стекло — обсидиан. При высокой вязкости кислого расплава в процессе охлаждения образуется черная или серая стекловатая порода. Подобно искусственному стеклу, она раскалывается при ударе на осколки с очень острыми краями, служившими многим первобытным народам сырьем для изготовления ножей, стрел и копий. Потоки обсидианов характерны для многих вулканических провинций, в том числе для Средиземноморья.
Сера отлагается в устьях фумарол, которыми вулканы «дышат» во время затухания извержений. Отложение серы может быть настолько масштабным, что организуется добыча этого сырья. В середине XIX века одна шотландская фирма получила концессию на разработку серы на Вулькано. Сейчас эти ярко-желтые агрегаты служат материалом для коллекций. Пемза с давних времен используется в различных областях. Самое знаменитое месторождение чистейшей пемзы — Монте-Пелато на острове Липари, где ее скопления большой мощности были образованы во время грандиозного извержения в VI веке. Пемза, добываемая в карьерах, используется для приготовления легкого бетона, как средство для шлифования, полировки и чистки, в бумажной промышленности и в других целях.
***Как рождаются вулканы?
Что собой представляют вулканы, где и как они рождаются? В древние времена люди не могли найти ответа па эти вопросы и поэтому создавались разные мифы и легенды. В самом деле, если вдруг из горы, казалось бы, без всякой на то причины, с грохотом, громом и непрестанным сверканием молний начинают вылетать в заоблачные высоты раскаленные камни — можно подумать всякое. Особенно часто такие события наблюдали на Липарских островах, расположенных вдоль Аппенинского полуострова. Подобные неистовства приписывали богу кузнечного дела, которого греки называли Гефестом.
Согласно же одному из древнеримских мифов, отверстия в конусовидных горах на островах Тирренского моря, откуда происходили частые извержения, являлись входом в жилище бога кузнечного дела, по-итальянски Вулкана. А один из островов, на котором чаще всего происходили извержения, получил название Вулькано. В дальнейшем подобные горы, где бы они ни находились, стали называть вулканами.А вот как объясняют образование вулканов ученые. По определению известного вулканолога В. И. Влодавца, вулканы — это геологические образования, возникающие в земной коре над каналами или трещинами, по которым из недр земли извергаются огненно-жидкие лавы, обломки раскаленных горных пород, пепел, горячие газы, пары. В общем виде под вулканом принято понимать конусовидную гору с несколько усеченной вершиной. На вершине такой горы находится чашеобразное углубление — кратер. Последний соединяется с подводящим каналом — жерлом, по которому на поверхность земли поступают вулканические продукты. Это наиболее распространенная, но не единственная форма вулканов.
Иногда вулканы возникают, казалось бы, в самых неожиданных местах. Так, 20 февраля 1943 г. в Мексике родился вулкан Парикутин. Вот как это произошло. Крестьянин Дионисий Пулидо, работая на своем поле, заметил маленькую трещину, из которой пробивалась струйка дыма. Он решил ее засыпать (полагая, что забыл потушить костер). Однако рядом с засыпанной появлялись другие трещины, и из них тоже просачивался дым. Что за наваждение! Одному ему уже не под силу было справиться, и он позвал соседей. Когда казалось, что работа подходит к концу, земля вдруг начала дрожать и из трещин стали вырываться не струйки, а мощные столбы дыма. Разумеется, всей компании пришлось поспешно уходить. А чуть позднее земля как бы расползлась и раздался взрыв необычайной силы. Затем началось извержение. Не прошло и суток, как на месте ровного поля возвышался вулканический конус, а извержение все продолжалось; через неделю конус вырос до 140 м.
Нечто подобное произошло и на Канарских островах (Атлантический океан). 18 ноября 1909 г. здесь возник вулканический центр Тенериф. В этот день фермер и его сын работали в поле. Вдруг почва под их ногами начала качаться, послышался шум. Спустя немного времени всего в 100 м от них земля треснула, кусты взлетели в воздух, а затем огромное количество пыли, песка и разных камней смешалось с паром и было поднято на высоту 90 м. Падавший песок был очень горяч. Вскоре появился и раскаленный материал. Но свидетели не стали дожидаться этого и что есть силы пустились наутек. Извержение продолжалось в течение десяти дней.
Столь же, как кажется, неожиданно, появляются вулканы в морях и океанах. В качестве примера можно сослаться на район Алеутской островной дуги, где часты подводные извержения. Здесь, в Беринговом море, в 1796 г. вследствие подводного извержения появился остров-вулкан Иоанна Богослова. Вулкан был частично размыт бушующими волнами моря, но последующие извержения восстановили его.
Совсем недавно, в 1963 г., тоже в результате подводного извержения близ южного берега Исландии возник остров-вулкан Сиуртсей с высотой конуса около 200 м. А спустя всего два года рядом с ним (расстояние не превышает и 500 м) появился новый остров-вулкан.
Или такое событие, как пробуждение вулкана Хель-гафелль в 1973 г. в Исландии, который находился в состоянии покоя 7 тыс. лет. Нечто подобное произошло и с вулканом Безымянный на Камчатке. Его считали давно, потухшим, он не подавал никаких признаков жизни. И вдруг вулкан проснулся в 1955 г., спустя многие сотни лет, а затем в 1956 г. произошло страшное катастрофическое извержение. То же самое случилось в 1973 г. и с вулканом Курильских островов Тятя, который считался почти потухшим.
Какие же причины вызывают извержение вулканов? Известно, что и земная кора, и расположенная ниже верхняя мантия находятся в твердом состоянии. Но лишь до поры, до времени. Если мы будем следовать в глубь Земли, то убедимся, что через каждые 33 м температура повышается на 1°С. Это так называемый геотермический градиент. Как показывают расчеты, на глубине нескольких десятков километров температура достигает такого уровня, при котором горные породы обычно плавятся. Однако с глубиной возрастает и давление, препятствующее плавлению. С течением времени различные подвижки в земной коре и верхней мантии (вертикальные передвижения блоков и т. д.) нарушают равновесие и тогда на больших глубинах твердое вещество переходит в расплав, создавая очаг. С помощью газа и пара расплав из этого очага устремляется к поверхности Земли — происходит извержение вулкана. Это одно из предположений о том, как образуется огненно-жидкий расплав.
Расплав этот называется магмой. Название было предложено еще в прошлом столетии немецким ученым Г. Розенбушем. По-гречески магма означает тесто. Название не очень точно отражает состояние вещества, поскольку она далеко не всегда похожа на тесто. В магме много газов и паров, ее вязкость имеет необычайно широкий диапазон — иногда это жидкая масса, иногда малоподвижная, иногда твердопластичная. Но тем не менее этот термин теперь общепризнан, хотя некоторая условность все же сохраняется.
Магма, поступающая на поверхность при извержении вулканов, далеко не однородна по составу. Главным показателем для определения состава является содержание в ней кремнезема. Если его не более 45—55%, магма считается основной. Наиболее типичные породы основной магмы — базальты. Если кремнезема содержится 55—65%, магма относится уже к среднему составу. Из такой магмы образуются горные породы, называемые андезитами. Магма, относящаяся к кислому ряду, содержит 65—75% кремнезема. Наиболее типичные породы ее — дациты и липариты. От состава магмы зависят характер вулканических продуктов, форма вулканических построек, тип извержений вулканов.
Коротко остановимся на том, где же находится «дом» магматического очага. Чтобы уяснить это, необходимо привести схему строения земного шара. Самая верхняя оболочка его — земная кора. Мощность ее в среднем около 50 км. На континентах она иногда выше, а в океанических впадинах снижается до нескольких километров. Следующая оболочка — верхняя мантия, мощность которой 900 км. До глубины 2900 км прослеживается нижняя мантия. Далее, от 2900 до 6300 км, т. е. до центра Земли, следует ядро. Иногда для наглядности в качестве модели строения Земли приводят очищенное яйцо. В таком случае самая верхняя пленочка его будет представлять земную кору, белок — мантию, а желток — ядро.
Информацию о строении Земли нам дают сейсмические волны (или волны землетрясений). Свойство этих волн таково, что при переходе из одной среды в другую они меняют скорость, причем эти изменения происходят скачкообразно. На глубине 50—60 км (по выходе за пределы земной коры) скорость прохождения волн увеличивается, указывая нам границу земной коры и верхней мантии. Она называется еще границей Мохоровичича, по имени югославского физика, открывшего ее. Далее, на глубине 2900 км, сейсмические волны попадают в такую среду, где они распространяться не могут; отсюда начинается ядро Земли. Поскольку ядро не пропускает сейсмические волны, предполагается, что оно находится в жидком состоянии (через жидкость волны не проходят).
Мантия, а точнее верхняя ее часть, и является той областью Земли, где образуются магматические очаги. Как известно, твердое вещество может плавиться лишь на глубине около 40 км, где температура поднимается примерно до 1200°С.
Однако многие ученые на основании изучения землетрясений и других данных считают, что эти глубины могут быть и значительнее — от 60 до 250 км. Подтверждается это исследованиями Г. С. Горшкова, а также данными Е. К. Мархинина и Д. С. Стратулы, полученными при изучений вулканов Курильской островной дуги.
Магматические очаги существуют не только в верхней мантии, но и в земной коре, причем вблизи поверхности, всего на глубине нескольких километров. Это так называемые периферические очаги. Данные о существовании близповерхностных очагов получены сотрудниками Института вулканологии М. И. Зубиным, С. Г. Балестой и другими при изучении Авачинского вулкана. Существование близповерхностных очагов подтверждается также исследованиями японских ученых.
Вблизи поверхности образуются иногда и крупные интрузивные или субвулканические интрузии. Существование их еще раз подтверждает предположение вулканологов о наличии магматических очагов на малых глубинах.
Какие же продукты поступают на поверхность Земли при извержении вулканов? В какой-то степени условно их можно разделить на газообразные, жидкие и твердые. Газы, пары воды и некоторых кислот, которыми на определенном этапе насыщена магма, являются тем подъемным рычагом, который перемещает расплав вначале ближе к поверхности, а затем и на поверхность. Когда путь к поверхности еще не проложен, расплав, пересыщенный газами и парами, силой проталкивается и преодолевает препятствие — происходит взрыв.
При взрывном (его еще называют эксплозивным) извержении выбрасываются твердые вулканические продукты, — куски раскаленной лавы или шлаки, пемза, вулканические бомбы, лапилли, песок и пепел.
Среди обломочного материала выделяются вулканические бомбы самой разнообразной формы и размеров. Они образуются из кусков лавы, поднятых на определенную высоту газами, которые интенсивно выделяются из раскаленного расплава. Однако не из всякого куска лавы может образоваться вулканическая бомба. Если расплав раскален, то оторвавшиеся от него и выброшенные в воздух куски не успевают остыть и, падая на поверхность земли, сплющиваются, деформируются и даже спекаются. Ясно, из такого расплава вулканической бомбы не получится. Но если обособляются куски из чуть остывшего расплава лавы, где уже имеется тоненькая корочка, то из них в воздухе создаются самые разнообразные по своей конфигурации бомбы. Нередко встречаются красивые винтообразно закрученные бомбы с плотной внешней оболочкой. Можно выделить удлиненно-вытянутые (веретенообразные) бомбы с утонченными концами и хорошо заметными следами вращательного движения. Бомбы округлосглаженные, шаровые или черепаховидные, с хорошо заметными следами трещин, также встречаются часто. Внешняя корка их довольно плотная, хотя они очень легкие благодаря большим внутренним полостям. Наблюдаются бомбы грушевидные, петлеобразно закрученные, в виде канатов, типа хлебной корки (напоминают растрескавшуюся корку хлеба), со следами волочения и некоторые другие.
Если же сделать поперечный разрез вулканической бомбы, то в ней хорошо заметна маломощная, но плотная внешняя корочка и более пористая середина. Изредка внутри бомбы имеются и крупные полости, измеряемые несколькими сантиметрами.
Окраска вулканических бомб разная, но большей частью коричневая, густо-коричневая, иногда черная, особенно у бомб с плотной и гладкой внешней корочкой.
Размеры бомб тоже разные — от 5—15 см до 1 м в диаметре, иногда больше; вес последних достигает нескольких тонн.
Необычайно богаты вариации форм лапилли, что означает по-итальянски — «камешки». Это также частицы раскаленной лавы, размер которых колеблется от 2 до 20 мм. Часть из них выбрасывается в твердо-пластичном состоянии, о чем свидетельствует их форма, без каких-либо следов деформации. Встречаются они в форме подковы, пальцеобразные и другие.
Весьма распространенными вулканическими продуктами являются песок и пепел. Размеры первых из них от 0,5 до 2,0 мм. Что же касается пепла, то это самый мелкий вулканический продукт, имеющий вид порошкообразной массы. При взрывных извержениях на поверхность Земли этого мелкодробленого вулканического продукта выбрасывается много кубических километров. Песок и пепел многометровым слоем покрывают не только склоны и подножие вулканов; мощные отложения их уничтожают большие лесные массивы и даже города.
Следует лишь оговориться, что ни песок, ни пепел не отвечают общепринятому понятию об этих продуктах, но эти названия прочно вошли в литературу и под ними понимаются вулканические образования, выброшенные на поверхность при взрывных извержениях.
Часто встречаются и такие вулканические продукты, как шлаки и пемза. Шлаки нередко выдаются на поверхность в больших объемах. Образуются они и на лавовых потоках. Но во всех случаях исходным материалом является основная лава, в которой содержится мало кремнезема и много железа. По внешнему облику вулканические шлаки подобны заводским, откуда и взято само название.
Пемза, или вулканическая пена, отличается от шлаков тем, что она получается из расплава кислого, т. е. насыщенного кремнеземом. Но о ней более подробно будет сказано в разделе о вулканических горных породах.
При взрывных извержениях более глубинные части расплава обедняются газами и парами. Теперь он (расплав) уже менее насыщен ими и поэтому относительно спокойно изливается на поверхность в виде лавовых потоков. Скорость передвижения лавовых потоков разная, от нескольких метров до нескольких десятков километров в час.
*** ШлакиПродукты химических и термических преобразований горных пород, образующиеся при сжигании.