1.1 Условия, причины, механизм возникновения

Если мы попытаемся определить точно, что мы, собственно, понимаем под словами «природная катастрофа», тo сразу же окажется, что тут далеко не все ясно. Под природной катастрофой мы обычно понимаем какое-то неожиданное, страшное по своим последствиям для человека нарушение нормального хода природных явлений (см. рис. 1 в приложении 1). Но такое «обычное» понимание неверно хотя бы потому, что способствует формированию неправильного, фаталистического отношения к катастрофам. Если это срыв нормального хода природных процессов, срыв неожиданный и неотвратимый, то нет смысла что-то предпринимать заранее: приготовимся сегодня здесь, а ударит послезавтра совсем в другом месте... Но внимательное изучение различных природных явлений показывает, что «нормальный геофизический процесс включает в себя различного рода быстрые вариации, отклонения, срывы» Матошко И.В. Жизненные ресурсы Земли. 2-е изд. Минск, 2009. С. 78. .

Рассмотрим механизм возникновения вулканического извержения. Планета Земля (рис. 2 в приложении 2) состоит из следующих основных частей (считая от центра): твердого внутреннего ядра; жидкого основного ядра; твердой слабопластичной мантии (в ней выделяют более пассивную нижнюю мантию, менее однородную и более активную верхнюю мантию и переходный к литосфере разогретый и размягченный слой -- астеносферу), твердой литосферы (верхний ее слой толщиной 5-15 км под океанами и 25-70 км на континентах называется земной корой); прерывистой жидкой гидросферы (океаны, моря, озера, реки; к гидросфере обычно относят плавающий лед и ледниковый и снежный покров); газовой атмосферы (состоящей из тропосферы и стратосферы); наконец, магнитосферы, состоящей в основном из заряженных частиц в сильноразреженном состоянии. Далее идет космическое пространство См.: Влодавец В.И. Вулканы мира. 2-е изд. М., 2007. С. 19-20. .

Во всех оболочках Земли идут процессы, так или иначе влияющие на тонкий пограничный слой между земной корой, гидросферой и тропосферой, в котором развиваются жизнь и техническая деятельность человечества. Правда, не все эти процессы уже открыты и изучены.

Внутреннее ядро считается стабильным, процессы в нем неизвестны. Правда, существуют предположения, что внутреннее ядро с веками может менять свое положение, слегка «болтаясь» в жидком основном ядре, и это вызывает различные медленные возмущения природных процессов в Земле См. там же. .

Основное ядро не пропускает поперечные сейсмические волны, зато его электропроводность высока. В проводящей жидкой среде основного ядра циркулируют круговые электрические токи. Эти кольцевые токи создают внешнее магнитное поле Земли.

Ядро Земли не обладает сверхпроводимостью, поэтому существует какой-то механизм, поддерживающий круговую циркуляцию токов. Работа этого механизма самовозбуждения («земное динамо») еще не вполне ясна, но известно, что время от времени он портится, система токов распадается, дробясь на отдельные части, пока не устанавливается вновь в противоположном направлении. В эти периоды земное магнитное поле ослабевает в несколько раз, магнитные полюса спиралями «гуляют» по Земле, пока наконец снова не успокаиваются, поменявшись местами. Этот процесс геомагнитной инверсии длится тысячи лет. «Слабеющее магнитное поле не может в это время служить броней от космического излучения, потоки заряженных частиц солнечного и космического происхождения устремляются к поверхности Земли, при этом сильно меняются условия прохождения радиоволн, а все живое испытывает сильное радиационное воздействие» Муранов А.П. Волшебный и грозный мир природы. 2-е изд. М., 2004. С. 90. . В исторический период такие катастрофы не происходили, и пока нет указаний на возможность геомагнитной инверсии в близком будущем.

Активные процессы идут на границе ядра и нижней мантии, однако они имеют значение лишь для процесса развития Земли в целом. Процессы на этой границе и в самой нижней мантии, которые порождали бы природные катастрофы, нам не известны.

В верхней мантии происходит медленное, но активное перемещение твердого, пластичного вещества. Скорость этих процессов несколько сантиметров в год. Даже этого достаточно для сильного воздействия мантии на вышележащие слои. В самой мантии на глубинах от 70--90 до 600--650 км в отдельных местах Земли неоднородности и механические напряжения настолько велики, что там возникают очаги глубоких землетрясений, иногда очень мощных. Те из них, которые лежат на глубине от 300 до 70 км, иногда приводят к тяжелым последствиям на поверхности Земли, т.е. вызывают стихийные бедствия См.: Алексеев Н.А. Стихийные явления в природе. 2-е изд. М., 2008. С. 56. .

Астеносфера сильно разогрета за счет выделения больших количеств тепла от радиоактивного распада неустойчивых изотопов, рассеянных в ее толще. Местами температура в астеносфере почти достигает точки плавления и при небольших снижениях давления породы плавятся, образуя глубинные магматические очаги -- источник вулканических извержений. Находящаяся под большим давлением магма по трещинам просачивается наверх, образуя вторичные магматические резервуары на глубине нескольких километров.

Извержение вулкана связано с поднимающимися с больших глубин расплавленными лавами Лава от магмы отличается тем, что не содержит газов, они улетучиваются при извержении.. Возникновение таких расплавов вызвано переходом твердых горных пород в жидкое состояние, а это значит -- увеличение их объема на 5-10%. Изменение объема вследствие развивающегося в жидком расплаве гидростатического давления вызывает подъем вверх этого расплава. Проникновение расплава на дневную поверхность зависит от прочности и монолитности земной коры. Если последняя расчленена разломами, то происходят относительно спокойные извержения, иногда сопровождающиеся ее фонтанированием (извержения гавайского типа).

Но расплав может оказаться в обстановке, затрудняющей его подъем на земную поверхность. В этом случае расплав затвердевает на глубине, образуя крупный гранитный массив, или вызывает проплавление расположенных над ним горных пород.

По мнению Дж. Форхугена, определяющим является количество газов в лаве См. об этом: Болт Б.А., Хорн У.Л., Макдоналд Г.А. и др. Геологические стихии: землетрясения, цунами, извержения вулканов, лавины, оползни, наводнения. 2-е изд. М., 2008. С. 45.. При высоком давлении вода и газы находятся в магме в растворенном состоянии. Когда с приближением к земной поверхности давление начинает падать, вода переходит в газообразное состояние. Богатая газами лава как бы «вскипает» от накапливающихся в ней пузырьков (как газированная вода в бутылке). Когда газовых пузырьков становится много, они соединяются друг с другом и лава оказывается раздробленной на мельчайшие частицы. Начавшаяся кристаллизация лавы увеличивает давление паров воды. Возрастание давления паров в такой газовой камере приводит в конечном счете к взрыву, разрушающему закрывающие ее сверху пласты горных пород. Скопившаяся в недрах газовая эмульсия еще жидкой лавы выбрасывается в атмосферу, мельчайшие пузырьки тотчас застывают и в виде вулканического пепла разносятся по воздуху, а затем падают обратно на землю.

Начальное давление взрыва может достигать 1500-3000 атмосфер (извержение вулкана Безымянного) См.: Резанов И.А. Великие катастрофы в истории Земли. 2-е изд. М., 2004. С. 67-68. . Такое огромное давление создается, вероятно, в результате цепных реакций, развивающихся в газовой фазе. При этих реакциях происходит выделение тепла, и, таким образом, извержение приобретает характер теплового взрыва. После взрыва обычно наступает обрушение кровли подземной полости, откуда была выброшена эмульсия магмы. Возникшая воронкообразная впадина с изрезанными краями стала именоваться кальдерой (в переводе с португальского -- котел). Впервые этот термин применительно к вулканам употребил 150 лет назад известный немецкий ученый-геолог Л. фон Бух. Он так назвал огромный вулканический кратер на острове Пальме Канарского архипелага. Вот что писал Л. фон Бух об этом кратере: «Перед путешественником открывается бездна во всем ее величии. Едва ли где-нибудь в другом месте можно найти такую же ужасную пропасть. Середина кальдеры достигает 2257 футов в высоту; еще много выше находится подножие крутых скал, которые дают обрывы более чем в 4000 футов. Где же можно видеть что-либо подобное? Где величественные скалы окружают такую котловину?» Цит. по: Лучицкий И. В. Основы палеовулканологии. 2-е изд. М., 2000. С. 102. .

С тех пор кальдерами стали именовать и все крупные отрицательные формы вулканического рельефа.

X. Вильяме разделяет кальдеры на четыре главные группы: 1) взрывные; 2) образующиеся вследствие обрушения; 3) смещенные от взрыва и обрушения; 4) эрозионные. Наиболее распространена вторая группа, куда относятся кальдеры вулканов Кракатау, Катмай, Килауэа См.: Кукал З. Природные катастрофы. 2-е изд. М., 2005. С. 52. .

Эксплозивная (взрывная) кальдера образуется в результате взрыва. Примером может служить возникновение в 1888 г. кальдеры вулкана Бандая в Японии. После тысячелетнего перерыва в течение минуты произошло до 20 взрывов. Было выброшено более 1 км³ породы. Вершина и значительная часть северного склона вулкана были разрушены, возникла подковообразная впадина площадью 3,5 км². Внутри образовавшегося амфитеатра обнаружилось испускающее пары жерло вулкана в виде трещины, через которую поступал раскаленный материал.

Тот факт, что взрывные извержения Кракатау или Санторина неоднократно происходили на одном и том же месте (в пределах одной кальдеры), свидетельствует, что под таким вулканом длительное время работает один и тот же подводящий канал. В его верхней части, по-видимому, на сравнительно небольшой глубине (1-2 км) происходила концентрация газовых пузырьков. В конечном счете общее накопление внутренних напряжений в расплаве и в его газовой фазе приводит к взрыву, тем более сильному, чем большие напряжения накопились за период относительного покоя.

В лавах, газах, водах термальных вулканических источников содержится много различных химических веществ: сера, бром, бор, литий, йод, борная кислота, металлы и их соли, радиоактивные вещества и редкоземельные элементы. В отложениях древних вулканов находят руды металлов -- золота, серебра, ртути, олова, меди.

Но еще большую беду, причем в глобальном масштабе, может нанести почти не изученное грозное явление природы, тоже связанное с вулканической деятельностью планеты. Это описал известный французский вулканолог Г. Тазиев, посетивший многие вулканы мира и в течение ряда лет занимающийся изучением вулканической деятельности на земном шаре: «Всеми силами я стараюсь пробудить у читателей страх перед потухшими вулканами. Однако есть еще более грозное явление: ингимбритовые потоки. Только одно-единственное и относительно умеренное излияние ингимбригов зафиксировано в нашем летоисчислении, но и оно распространилось на 30 км при ширине 5 км и 200-метровой толщине ингимбритового слоя...» Тазиев Г. Когда Земля дрожит. 2-е изд. М., 2003. С. 90..

Тазиев имеет в виду взрыв и извержение вулкана Катмай на Аляске в 1912 г. Но в истории Земли были катаклизмы значительно более грандиозные, чем этот. Мощные толщи ингимбритов обнаружены в Японии, Индонезии, США, Италии, в странах Центральной и Южной Америки, причем в первых двух из перечисленных выше стран эти отложения являются более молодыми.

Исследования районов, где бушевали потоки ингимбритов, заставляют вулканологов предполагать, что процесс извержения лав происходит под колоссальным внутренним давлением земных недр. Магма буквально выплескивалась из внезапно образовавшихся трещин и отверстий в земной коре, причем огненные потоки расплавленных пород с большой скоростью распространялись вокруг, покрывая обширные участки земной поверхности мощными покровами лавы. От них практически спастись было невозможно.

Г. Тазиев отмечает, что при современном росте населения и скученности его в отдельных областях катастрофы могут принимать глобальный характер... Потоки ингимбритов потенциально угрожают всему живущему на Земле. «Подобно гигантской мине, -- пишет ученый, -- скрытой в недрах Земли, ингимбриты угрожают обширным областям нашей планеты, в том числе и районам, считающимся застрахованными от опасности вулканических извержений...» Там же. С. 95..

Вот только остается неизвестным, когда потоки ингимбритов станут реальной угрозой для населения земного шара -- через сто, тысячу лет? Забьет ли один гигантский поток лавы, или миру станет угрожать сразу несколько таких очагов? Это научные предположения ученого, достоверно пока еще не подтвержденные.

Вулканы не только разрушители, но и созидатели. На поверхности Земли ими созданы многие горы, плато, равнины, острова. С течением времени на поверхности лавовых покровов образуется слой почвы, обладающей большой плодородностью. Поэтому в таких районах издавна селились люди, несмотря на то, что соседство с грозными вулканами часто ничего доброго не предвещало. Созидательная работа происходит и в недрах земли. Магма, не найдя выхода на земную поверхность, заполняет пустоты и трещины и, остывая, образует глубинные, или интрузивные горные породы (граниты, сиениты, диориты, габбро). Камень туф - дар вулканов, масса, выброшенная из земных недр и спрессованная самой природой. Туф -- прекрасный строительный материал: прочен, легок, декоративен, легко обрабатывается, хорошо защищает жителей от жары и сырости. Но главное качество -- то, что он дешев и его так много, что можно построить тысячи больших городов Павлов А.П. Вулканы, землетрясения, моря и реки. М., 1948. С. 20-21..

Итак, в основе природных катастроф лежат закономерные геофизические процессы, в ходе которых время от времени при существенном участии ряда случайных факторов создаются заметные отклонения от среднего состояния среды Неймайр М. отмечал, что «среда -- это именно то, что любит вести себя «в среднем». См.: Неймайр М. Вулканы и землетрясения. СПб., 1902. С. 18. . Эти отклонения -- будем называть их экстремальными геофизическими ситуациями (ЭГС) -- и являются первым необходимым (но еще не достаточным!) условием возникновения природной катастрофы.