Вулканични езера; Вулканични явления; Вулканизъм и общество; ESKP тематични специални

Вулканичните езера са огледала на вулканизма, който някога ги е породил и който може да се променя и днес. Организмите, които могат да се справят с понякога екстремните условия, биха могли да станат ценни и в други контексти като селското стопанство или биодобива. Отделянето на много активни вулканични езера в частност може да бъде система за ранно предупреждение за опасностите, произтичащи от вулканите.

Текст: Jana Kandarr, Платформа за знания за Земната система | ESKP

Технически преглед: проф. Д-р Дмитрий Руве, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Bologna, Италия.

От всички известни повърхностни води на земята, вулканичните езера показват най-голям диапазон от стойности на pH.
Кратерните езера и езерата, богати на въглероден диоксид, изискват особено строг мониторинг по отношение на техните опасности.
За наблюдение на вулканите, промените в цвета на вулканичните езера и наличието и морфологията на серните глобули могат да бъдат прост инструмент.
Има надежда, че някои бактерии от вулканични езера могат да стимулират растежа на растенията при екстремен абиотичен стрес. При определени обстоятелства тези бактерии са полезни за растения, които процъфтяват другаде в кисели, замърсени с тежки метали почви или които трябва да издържат на силен топлинен стрес.

Вулканичните езера с техните понякога неестествени акварели и висококонтрастни минерални находища са очарователни. Някои от тях са необичайно дълбоки или водата им е изключително кисела и практически лишена от живот, при някои от тях цианобактериите или водораслите се размножават широко - в зависимост от това колко тясна е връзката между вулканичната система и подпочвата. Такива езера могат да предоставят представа за хидротермалните системи и по този начин да имат голяма стойност при наблюдението на вулканите и прогнозирането на опасностите. Те могат да свидетелстват за вулканична дейност - някои от които отдавна са утихнали. Някои от тях трудно могат да бъдат разграничени от конвенционалните водни тела по отношение на тяхната химия или биология на водата. Ако обаче в земната кора все още има връзка с камерите с магма, те на практика никога не са стабилни системи.

Вулканичните езера могат да изчезнат отново, да се отлеят, температурите на водата и химическият им състав могат да бъдат подложени на големи колебания и стойността на рН в някои случаи може да варира значително. По принцип трябва да се съберат няколко неща, за да се създаде активно вулканично езеро: дъното на езерото трябва да бъде запечатано, така че водата да не се просмуква директно, метеорологичните валежи трябва да бъдат възможно най-обилни, а подадената топлина само ограничена, така че езерната вода да не се изпари напълно. След това вулканичните течности добавят към обема на езерото.

Моно езеро в Калифорния, СЪЕДИНЕНИ ЩАТИ. Natronsee е алкален (pH 10) и особено солен. Големи количества натрий се разтварят във водата му. Езерото е известно най-вече с варовиковите отлагания от туф, които образуват скулптурни образувания.
Снимка: imago images/Райнер Мирау

Съществуват различни начини за класифициране на вулканичните езера - според химични или физични характеристики или също така по отношение на техния генезис. Те са съставени подробно в монографията „Вулканични езера“ (Rouwet et al., 2015). Учените се ориентират по четири основни въпроса, които се отнасят до образуването на езерата. Следователно е от съществено значение да се знае дали езерото е образувано при едно изригване, напр. е моногенен. Това би означавало, че от събитието влиянието на вулканизма върху езерната вода е минимално или дори не съществува. Ако, от друга страна, върху полигенетичен вулкан възниква езерен басейн, много различни събития и източници на магма може да са допринесли за неговото формиране или да продължават да го правят.

Друг критерий осветява временната връзка между вулканизма и образуването на езерото, т.е.въпросът: възникна ли езерото скоро или дълго след вулканично изригване? Смята се, че езерата на Калдера са възникнали дълго след срутването на магмена камера и произтичащата от това депресия (геолог.: "Депресия"), която след това се превръща в езерен басейн. Езерата в кратерите на върха на активните вулкани, от друга страна, възникват "скоро" след изригване на вулкан. Това също зависи от местоположението на вулканичното езеро спрямо вулканичния отвор. Езерото непосредствено ли е над или до активен комин? Всички тези аспекти в крайна сметка определят колко силно вулканизмът, химията на водата и температурата на водата си влияят (Christenson et al., 2015). Тази обща система за класификация помага да се свърже с по-класическите подходи на химическата и физическата класификация на вулканичните езера.

Според такива класификации една категория включва например кратерни езера, които възникват над отвора на полигенетичен вулкан. Кратерните езера обикновено са разположени във вътрешността на кратера на вулканичния връх, могат да бъдат много дълбоки или много ценни за обема на водата, което може да се дължи на колебанията в кондензацията на течности, изпаренията на повърхността, приноса на дъждовна вода от изтичането или преливането от езерото (Varekamp et al., 2015). Друга категория се формира от калдерни езера, например езерото Болсена в Италия, което подобно на много калдерни езера почти няма приток или излив. Те се наричат ендореични басейни в геонауките, тъй като нямат дренаж в морето.

По-голямата част от вулканичните езера лежат в маари, които също се наричат маарни диатреми. Maars обикновено са свидетели на едно фреатомагматично огнище. Това, което остава след това, е на практика почти идеално кръгла „дупка“ в земята, тъй като едно изригване не е могло да образува голям вулканичен конус. Когато подземният воден слой (водоносен хоризонт) пресича кратера на маар, се създава езеро от маар. Диатремите пробиват повърхността на земята, създавайки стръмна обърната форма на конус. Понякога техните погребани брекчирани структури съдържат минерали като диаманти. Кратерите на Маар обикновено са с диаметър по-малък от два километра. Примери за маар или езера на маар са Laacher See, Ulmener Maar, Синьото езеро в Австралия или езерото Aci Gölü близо до Карапинар в Турция.

Геотермалните езера са разположени във вулканично активна среда, в която фреатичните изригвания са образували кратери, които впоследствие са били запълнени от доста малки езера. Някои езера запълват тектонски депресии, причинени от лавови полета или вулканични отлагания, които задържат вода или засягат местната хидрология на притока или изтичането на вода. Осем процента от естествените язовири в света могат да бъдат проследени до вулканизма (Costa & Schuster, 1988). Има и някои вулканични езера, които се създават, когато новоактивен и по този начин горещ вулканичен отвор топи снега във вече съществуващ кратер. Това се случи например при вулкана Чигинагак в Аляска през 2005 г.

Има и други начини за класифициране на вулканичните езера, например според тяхната химия на водата или водния баланс. Ако фокусът е върху вулканичната дейност и опасността, е подходящо подразделяне на "активни езера на кратери", "латентни езера на кратер" и "богати на въглероден диоксид езера". Всяка класификация е предизвикателство, тъй като разнообразието е голямо и на някои места геоложките структури в дъното на езерото не са добре познати. Езерата също често са уникални по отношение на вулканичната активност под земята, заобикалящата ги скала и специфичните им климатични условия. Следователно всяко езеро има свои собствени характеристики и трябва да се разглежда индивидуално, докато се опитваме да научим повече и да разкрием тайните, които пазят вулканичните езера.

Кратерното езеро, калдерно езеро, се намира на височина от 1883 метра в Орегон (САЩ). Хранено от дъжд и сняг и без никакви отводнения, кратерното езеро е дълбоко 589 метра, най-дълбокото в САЩ и седмото по дълбочина в света.
Изображението е направено от член на екипажа на Експедиция 52. Надпис от Andi Hollier, Hx5, JETS Contract в NASA-JSC. Обсерватория на Земята от Наса

Rouwet, D., Christenson, B., Tassi, F. & Vandemeulebrouck, J. (Eds.). (2015). Вулканични езера. Берлин/Хайделберг: Спрингер. doi: 10.1007/978-3-642-36833-2

El Chichón, Мексико (записано през март 2007 г.)
Кратерното езеро El Chichón е със средна температура (30 ° C) и атмосферните условия са тропически, т.е. влажността и температурата на околната среда са високи, което от своя страна води до практически невидими дегазации и изпарения.

Снимка: Дмитрий Руует

Кава Ижен, Индонезия (записано през септември 2014 г.)
Кратерното езеро Kawah Ijen е най-голямата естествена, кисела повърхностна вода на земята. Водата на езерото е с интензивен тюркоазен цвят и до голяма степен лишена от живот. Досега не са открити бактерии или еукариоти.

Снимка: Дмитрий Руует

Сяра също се добива в кратера Ижен, което е тежко и трудоемко занимание.

Снимка: imago images/ZUMA Press

Поас, Коста Рика (април 2007 г.)
Laguna Caliente (горе на снимката) е изключително киселинен със стойност на рН около -1. Някои кисели вулканични езера, като това вулканично езеро, са наситено сиви, тъй като дънните утайки се раздвижват от възходящи (конвективни) течения. Киселинното езеро е наситено с елементарна сяра. В горещите езера течната сяра може да се отлага на дъното на езерото.

Снимка: Дмитрий Руует

Кратерното езеро Руапеху, Нова Зеландия (март 2019 г.)
В допълнение към незабавните експлозии на газ, внезапната кондензация на парната фаза води до драстичен спад на налягането, до кипене и след това до хидротермална експлозия. Този ефект е най-важен при силно активни кратерни езера като Руапеху в Нова Зеландия. Lahars се случват, когато експлозиите принуждават водата над ръба на кратера.

Снимка: Дмитрий Руует

Езерото Ньос, Камерун (снимка, направена през март 2016 г.).
През 1986 г. езерото Nyos пусна облак CO2 в атмосферата, убивайки 1700 души и 3500 животни в околните градове и села. След това инженерите инсталираха тръбна система, за да изпускат газа от езерото. Тръбата с дължина 200 метра виси на сала и позволява на богатата на газ вода да излиза от дъното на езерото на повърхността по контролиран начин.

Снимка: Дмитрий Руует

Езерото Киву Руанда, Демократична република Конго
Вулканичното езеро е едно от богати на въглероден диоксид езера. Опасността от огнища на газове, които потенциално се натрупват във водния стълб в продължение на десетилетия или векове, може да бъде предотвратена само чрез изкуствено и контролирано дегазиране на водния слой на почвата. Но за богати на видове езера като езерото Киву, това решение би имало сериозни екологични последици.

Лагуна Куйкоча, Еквадор
Въглеродният диоксид се повишава стабилно в Laguna Cuicocha. Вулканичните течности до голяма степен са загубили своите най-реактивни компоненти като халогени и сяра в това езеро.

Какви водни цветове могат да ни кажат за вулканичните езера

Разнообразието от водни цветове, които вулканичните езера могат да покажат, е особено поразително. Тъмносините често са вулканични езера, които не водят много живот, които са биологично непродуктивни поради липса на хранителни вещества. Пример за това е езерото Кратер, което е и езеро на калдера, в Орегон. С дълбочина 589 метра това е най-дълбокото езеро в САЩ и седмото по дълбочина в света. Кратерното езеро се захранва изключително от валежи, почти няма приток или излив и изглежда тъмносиньо.

Езерата, които получават хранителни вещества от някакъв естествен или антропогенен източник, изглеждат зеленикавосини. От една страна, водосборният басейн и наторяването на околните земеделски площи играят основна роля. От друга страна, геотермалните извори с богата на минерали вода могат да бъдат друг източник на хранителни вещества. Необичайно силен зелен цвят може да показва изобилие от зелени водорасли, докато забележимо червено е свързано с голямото размножаване на червените водорасли. Ако много органичен материал се разложи, езерото обикновено изглежда кафеникаво, тъй като при разграждането на листата и други растителни или животински материали се образуват органични киселини.

По принцип биологичните процеси във вулканичните езера не се различават много от тези в езерата с невулканичен произход. Въпреки това, поради химията в активните езера, цветовете могат да се различават: Езерата с геотермални извори или вулканични хранителни вещества (от скалата) често съдържат фосфор, който след това също опложда. Разликата в този случай се дължи повече на необичайния произход на хранителните вещества. От друга страна, желязото и сярата могат да бъдат разтворени във водата. В зависимост от това кое желязо се съдържа, езерото може да изглежда наситено зелено за двувалентно желязо (Fe 2+) или лилаво-кафяво или оранжево-червено за тривалентно желязо (Fe 3+). В допълнение, вещества с определени типични цветове могат да се утаяват или да се носят във вода (напр. Гипсов шпат, мантов меч, гетит или ферихидрит). Когато езерото Вуи, което принадлежи към вулкана Амбае (Вануату в южната част на Тихия океан), се превръща в червено в рамките на няколко дни през 2006 г., това по-късно се свързва с утаяването на ярозит, сулфат и хематит, железен оксид (Бани ал., 2009).

Особено зрелищни са тюркоазените и кремообразни бели езера, като едно от трите кратерни езера на вулкана Кели Муту в Индонезия или най-голямото кисело кратерно езеро в света на Кава Ижен, което може да се намери и в Индонезия. Допълнителни примери са Laguna Caliente в Поас в Коста Рика или кратерното езеро Yugama при вулкана Кусацу-Ширане в Япония. Тук, на повърхността на водата, се носят фино разпределени сярни сфери (сфери). Ако такива частици доминират напълно, езерото изглежда много синьо и се превръща в тюркоазено-зеленикаво, когато сярните частици намаляват и се смесват със зелената сянка на железните йони. Геотермалните басейни, богати на силициев диоксид, също имат тенденция да имат много специфичен син цвят поради разсейването на светлината от малки колоиди (Ohsawa et al., 2010). Наблюденията на промени в цвета или присъствието и морфологията на серните глобули могат да бъдат прост инструмент за наблюдение на вулканичната активност. Например внезапните промени в цвета могат да отразяват промяна в дегазацията на сярните газове (вж. Напр. Езерото Юдамари в Япония).

Враждебна среда

Ако имаме работа с вулканично езеро, което не е свързано с изпускане на газове от камерите на магмата, то то едва ли се различава от невулканичните езера - освен факта, че може да няма вливания и изтичания. На английски се говори за „неутрално разредени вулканични езера“. Тогава температурите на водата са огледало на метеорологичните условия и (ако има такива) на притоците. Химията на водата зависи от околната скала, потоците и реките, които преминават през нея или се оттичат в езерото и валежите от минерали.

Ако езерата все още са в контакт със системи за дегазация на магма, нещата стоят по различен начин. Тогава състоянието на дегазиращата магма и вида на заобикалящата ги скала определят изключително много веществата във водата, температурите на водата и степента на киселинност (рН стойност). От всички известни повърхностни води на земята, вулканичните езера показват най-голям диапазон от стойности на pH. РН на езерната вода може да бъде извън диапазона, който е бил произволно зададен между 0 (киселинен) и 14 (алкален) (Pecoraino et al., 2015). Например, най-киселите езера, които покриват силно активни вулкани, могат дори да имат вода със стойности на рН под нулата.