Vulkáni tavak; Vulkáni jelenségek; Vulkanizmus és társadalom; ESKP témájú speciális

A vulkanikus tavak annak a vulkanizmusnak a tükrei, amely egykor őket idézte elő, és amely ma is változhat. Azok a szervezetek, amelyek képesek megbirkózni az olykor szélsőséges körülmények között, más összefüggésekben is értékesek lehetnek, például a mezőgazdaságban vagy a biobányászatban. A vulkánok által okozott veszélyek esetén különösen az igen aktív vulkáni tavak kipufogása lehet korai figyelmeztető rendszer.

Szöveg: Jana Kandarr, Earth System Knowledge Platform | ESKP

Műszaki vizsga: Prof. Dr. Dmitri Rouwet, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Bologna, Olaszország.

  • A föld összes ismert felszíni vize közül a vulkáni tavak mutatják a legnagyobb pH-tartományt.
  • A kráter tavak és a szén-dioxidban gazdag tavak különösen szoros megfigyelést igényelnek veszélyeik szempontjából.
  • A vulkanikus tavak színváltozása, valamint a kéngömbök jelenléte és morfológiája egyszerű eszköz lehet a vulkánok megfigyelésére.
  • Van remény, hogy a vulkanikus tavakból származó baktériumok elősegíthetik a növények növekedését szélsőséges abiotikus stressz alatt. Bizonyos körülmények között ezek a baktériumok hasznosak olyan növények számára, amelyek savas, nehézfémekkel szennyezett talajban másutt fejlődnek, vagy súlyos hőterhelést kell elszenvedniük.

A vulkanikus tavak néha természetellenes akvarelljeikkel és nagy kontrasztú ásványi lerakódásaival lenyűgözőek. Némelyikük szokatlanul mély, vagy vize rendkívül savas és gyakorlatilag életmentes, némelyikben a cianobaktériumok vagy az algák elszaporodnak - attól függően, hogy milyen szoros a kapcsolat a vulkanikus rendszer és a felszín között. Az ilyen tavak betekintést nyújthatnak a hidrotermális rendszerekbe, és így nagy értéket képviselhetnek a vulkánok megfigyelésében és a veszélyek előrejelzésében. Tanúskodhatnak a vulkáni tevékenységről - amelyek némelyike ​​már régen alábbhagyott. Ezek egy részét vízkémiai vagy biológiai szempontból alig lehet megkülönböztetni a hagyományos víztestektől. Ha azonban még mindig van kapcsolat a földkéregben található magmakamrákkal, akkor ezek gyakorlatilag soha nem stabil rendszerek.

A vulkáni tavak ismét eltűnhetnek, elfolyhatnak, vízhőmérsékletük és kémiai összetételük nagy ingadozásoknak lehet kitéve, és a pH-érték bizonyos esetekben jelentősen változhat. Alapvetően néhány dolognak össze kell jönnie egy aktív vulkanikus tó létrehozásához: a tó fenekét le kell zárni, hogy a víz ne szivárogjon el közvetlenül, a meteorológiai csapadéknak minél nagyobbnak kell lennie, és a hőbevitel csak korlátozott legyen, hogy a tó vize ne párologjon el teljesen. Ezután a vulkanikus folyadékok hozzáadódnak a tó térfogatához.

vulkanizmus

Mono-tó Kaliforniában, EGYESÜLT ÁLLAMOK. A Natronsee lúgos (pH 10) és különösen sós. Vízében nagy mennyiségű nátrium oldódik. A tó leginkább a tufamészkő lerakódásokról ismert, amelyek szoborszerű képződményeket alkotnak.
Fotó: imago images/Rainer Mirau

A vulkanikus tavak osztályozásának különféle módjai vannak - kémiai vagy fizikai jellemzők szerint, vagy származásuk szempontjából is. Részletesen összeállítják őket a „Vulkanikus tavak” című monográfiában (Rouwet et al., 2015). A tudósok négy központi kérdésre orientálódnak, amelyek a tavak kialakulására vonatkoznak. Egyrészt ezért elengedhetetlen tudni, hogy egy tó egyetlen kitörés során jött-e létre, azaz például monogén-e. Ez azt jelentené, hogy az esemény óta a vulkanizmus hatása a tó vizére minimális, vagy akár nem is volt. Ha viszont egy poligenetikus vulkánon egy tómedence keletkezik, sokféle esemény és magmaforrás járulhatott hozzá a kialakulásához, vagy folytatja.

Egy másik kritérium rávilágít a vulkanizmus és a tó kialakulásának időbeli kapcsolatára, vagyis arra a kérdésre: vajon a vulkánkitörés után nem sokkal vagy jóval létrejött-e a tó? Úgy gondolják, hogy a kaldera-tavak jóval a magmakamra összeomlása és az ebből eredő mélyedés (geológiai: "Depresszió") után keletkeztek, amely aztán tómedencévé válik. Az aktív vulkánok csúcskrátereinek tavai viszont "röviddel" a vulkánkitörés után keletkeznek. Ez attól is függ, hogy a vulkáni tó a vulkáni szellőzőhöz viszonyítva hol helyezkedik el. A tó közvetlenül egy aktív szellőző felett helyezkedik el, vagy mellette? Mindezek a szempontok végső soron meghatározzák, hogy a vulkanizmus, a vízkémia és a víz hőmérséklete mennyire befolyásolja egymást (Christenson és mtsai, 2015). Ez az általános osztályozási rendszer segít összekapcsolódni a vulkanikus tavak kémiai és fizikai osztályozásának klasszikusabb megközelítéseivel.

Az ilyen osztályozások szerint az egyik kategóriába tartoznak például a kráter tavak, amelyek egy poligénes vulkán szellőzője fölött keletkeznek. A kráter tavak általában a vulkanikus csúcs kráter belsejében helyezkednek el, nagyon mélyek vagy nagyon értékesek lehetnek a vízmennyiségben, ami a folyadék kondenzációjának ingadozásának, a felszínen történő párolgásnak, az esővíz hozzájárulásának a szivárgásból vagy a tóból való túlfolyásoknak tudható be (Varekamp et al., 2015). Egy másik kategóriát a kaldera-tavak alkotnak, például az olaszországi Bolsena-tó, amely sok kaldera-tóhoz hasonlóan alig rendelkezik be- vagy kiáramlással. A geotudományokban endorheikus medencéknek hívják őket, mert nincsenek vízelvezetésük a tengerbe.

A vulkanikus tavak túlnyomó többsége maarokban fekszik, amelyeket maar diatrémáknak is neveznek. Maars általában egyetlen phreatomagmatikus járvány tanúja. Ami ezután megmarad, az szinte tökéletesen kör alakú „lyuk” a földben, mivel egyetlen kitörés nem volt képes nagy vulkáni kúpot alkotni. Amikor a talajvizet tartalmazó réteg (víztartó réteg) keresztezi a maar-krátert, maar-tó jön létre. A diagramok áttörik a föld felszínét, és meredek fordított kúp alakot hoznak létre. Néha eltemetett breccied szerkezeteik tartalmaznak ásványi anyagokat, például gyémántokat. A Maar-kráterek átmérője általában kevesebb, mint két kilométer. Maars vagy maar tavak például a Laacher See, az Ulmener Maar, az ausztráliai Blue Lake vagy a török ​​Karapınar közelében található Aci Gölü tó.

A geotermikus tavak vulkanikusan aktív környezetben helyezkednek el, amelyben a freatikus kitörésekből kráterek keletkeztek, amelyeket később meglehetősen kicsi tavak töltöttek meg. Egyes tavak kitöltik azokat a tektonikai mélyedéseket, amelyeket a láva mezők vagy vulkanikus lerakódások okoznak, amelyek vizet tartanak, vagy befolyásolják a víz be- vagy kiáramlásának helyi hidrológiáját. A világ természetesen gátolt tavainak nyolc százaléka a vulkanizmusra vezethető vissza (Costa & Schuster, 1988). Vannak olyan vulkáni tavak is, amelyek akkor keletkeznek, amikor egy újonnan aktív és így forró vulkáni szellőző megolvasztja a havat egy már meglévő kráter belsejében. Ez történt például az alaszkai Chiginagak vulkánnál 2005-ben.

A vulkáni tavak osztályozására más módszerek is léteznek, például vízkémia vagy vízháztartás szerint. Ha elsősorban a vulkanikus aktivitást és veszélyt vesszük figyelembe, akkor az "aktív kráter tavak", "alvó kráter tavak" és "szén-dioxidban gazdag tavak" felosztása megfelelő. Bármely besorolás kihívást jelent, mert a sokféleség nagy, és a tó fenekén található geológiai struktúrák helyenként nem ismertek. A tavak gyakran egyedülállóak a föld alatti vulkanikus aktivitás, a környező kőzet és a különleges éghajlati viszonyok tekintetében is. Ezért minden tónak megvan a maga sajátossága, ezért külön-külön kell őket figyelembe venni, amikor megpróbálunk többet megismerni és feltárni a vulkanikus tavak rejtelmeit.

A kráter-tó, egy kaldera-tó, 1883 méter magasságban található Oregonban (USA). Eső és hó táplálja, vízelvezetés nélkül, a kráter-tó 589 méter mély, a legmélyebb az Egyesült Államokban és a világ hetedik legmélyebb.
A képet az Expedition 52 legénységének egyik tagja készítette. Andi Hollier, Hx5, JETS Contract felirata a NASA-JSC-nél. Nasa Föld Obszervatórium

Rouwet, D., Christenson, B., Tassi, F. és Vandemeulebrouck, J. (szerk.). (2015). Vulkanikus tavak. Berlin/Heidelberg: Springer. doi: 10.1007/978-3-642-36833-2

El Chichón, Mexikó (2007. március)
Az El Chichón-kráter-tó közepes hőmérsékletű (30 ° C), a légköri viszonyok pedig trópusiak, vagyis magas a páratartalom és a környezeti hőmérséklet, ami viszont gyakorlatilag láthatatlan gázmentesítéshez és párolgáshoz vezet.

Fotó: Dmitri Rouwet

Kawah Ijen, Indonézia (felvétel: 2014. szeptember)
A Kawah Ijen kráter-tó a legnagyobb természetes, savas felszíni víz a földön. A tó vize intenzív türkiz színű és nagyrészt életmenttelen. Eddig nem találtak baktériumokat vagy eukariótákat.

Fotó: Dmitri Rouwet

A ként az Ijen-kráterben is bányászzák, amely nehéz és munkaigényes tevékenység.

Fotó: imago images/ZUMA Press

Poas, Costa Rica (2007. április)
A Laguna Caliente (a fenti képen) rendkívül savas, pH-értéke körülbelül -1. Néhány savas vulkáni tó, mint például ez a vulkanikus tó, mélyszürke, mivel az alsó üledékeket a növekvő (konvektív) áramok kavarják fel. A savas tó elemi kénnel telített. Forró tavakban a folyékony kén lerakódhat a tó fenekén.

Fotó: Dmitri Rouwet

Ruapehu kráter-tó, Új-Zéland (2019 március)
Az azonnali gázrobbanások mellett a gőzfázis hirtelen kondenzációja drasztikus nyomáseséshez, forráshoz, majd végül hidroterm robbanáshoz vezet. Ez a hatás a legaktívabb olyan kráter tavakban van, mint az új-zélandi Ruapehu. Lahar akkor fordul elő, amikor a robbanások a vizet a kráter peremére kényszerítik.

Fotó: Dmitri Rouwet

Nyos-tó, Kamerun (a fotó 2016 márciusában készült).
1986-ban a Nyos-tó CO2-felhőt bocsátott a légkörbe, 1700 ember és 3500 állat halt meg a környező városokban és falvakban. Ezt követően a mérnökök csőrendszert telepítettek, hogy a gázt kiengedjék a tóból. A 200 méter hosszú cső a tutajon lóg, és szabályozott módon engedi a gázban gazdag vizet a tó fenekéről a felszínre.

Fotó: Dmitri Rouwet

Kivu-tó Ruanda, Kongói Demokratikus Köztársaság
A vulkanikus tó az egyik szén-dioxidban gazdag tavak. A vízkitörésekben évtizedek vagy évszázadok alatt potenciálisan felhalmozódott gázkitörések veszélyét csak a talaj vízrétegének mesterséges és ellenőrzött gáztalanításával lehetett elhárítani. De a fajokban gazdag tavak, például a Kivu-tó esetében ez a megoldás súlyos ökológiai következményekkel járna.

Laguna Cuicocha, Ecuador
A szén-dioxid folyamatosan emelkedik a Laguna Cuicocha-ban. A vulkanikus folyadékok nagyrészt elvesztették a leginkább reaktív komponenseiket, például a halogéneket és a ként ebben a tóban.

Milyen vízszínek árulhatnak el minket a vulkanikus tavakról

Különösen szembetűnő a vulkanikus tavak különböző színű színei. A vulkanikus tavak, amelyek nem sok életet élnek, és amelyek biológiailag nem termelnek a tápanyagok hiánya miatt, gyakran sötétkékek. Erre példa az oregoni Kráter-tó, amely szintén kaldera-tó. 589 méter mélyen ez az Egyesült Államok legmélyebb tava, a világ hetedik legmélyebb tava. A Kráter-tavat kizárólag csapadék táplálja, alig van be- vagy kiáramlása, és mélykéknek tűnik.

A tavak, amelyek valamilyen természetes vagy antropogén forrásból kapnak tápanyagot, zöldeskéknek tűnnek. Egyrészt a vízgyűjtő terület és a környező mezőgazdasági területek trágyázása játszik nagy szerepet. Másrészt az ásványi anyagokban gazdag vízzel ellátott geotermikus források további tápanyagforrások lehetnek. A szokatlanul erős zöld szín a zöld algák bőségére utalhat, míg a szembetűnő vörös a vörös algák magas szaporodásával függ össze. Ha sok szerves anyag lebomlik, a tó általában barnásnak tűnik, mivel a levelek és egyéb növényi vagy állati anyagok lebontásakor szerves savak keletkeznek.

Alapvetően a vulkáni tavak biológiai folyamata nem sokban különbözik a nem vulkanikus eredetű tavakétól. Az aktív tavakban található kémia miatt azonban a színek eltérhetnek: A geotermikus forrásokkal rendelkező tavak vagy vulkáni tápanyagok (a kőzetből származnak) gyakran tartalmaznak foszfort, amely aztán megtermékenyül is. A különbség ebben az esetben inkább a tápanyagok szokatlan eredetének köszönhető. Másrészt a vas és a kén feloldódhat a vízben. Attól függően, hogy melyik vas van benne, a tó ekkor mélyzöldnek tűnhet a kétértékű vas (Fe 2+) esetében, vagy lila-barna vagy narancsvörös a háromértékű vas esetében (Fe 3+). Ezenkívül bizonyos tipikus színű anyagok kicsapódhatnak vagy lebeghetnek a vízben (pl. Gipszspár, kard-mannit, goethit vagy ferrihidrit). Amikor az Ambae vulkánhoz tartozó Voui-tó (Vanuatu a Csendes-óceán déli részén) 2006-ban néhány napon belül vérvörös lett, ez később a jarosit, a szulfát és a hematit, a vas-oxid (Bani et al., 2009).

Különösen látványosak a türkiz-krém-fehér tavak, mint például az indonéziai Keli Mutu vulkán három krátertava közül az egyik, vagy a világ legnagyobb savas krátertava az Indonéziában is található Kawah Ijenen. A Laguna Caliente a Costa Rica-i Poáson vagy a Yugama kráter-tó a japán Kusatsu-Shirane vulkánnál. Finoman eloszló kéngömbök (gömbök) lebegnek itt a víz felszínén. Ha az ilyen részecskék teljesen dominálnak, egy tó nagyon kéknek tűnik és türkiz-zöldes színűvé válik, amikor a kénrészecskék csökkennek és összekeverednek a vasionok zöld árnyalatával. A szilícium-dioxidban gazdag geotermikus medencéknek szintén nagyon specifikus kék színük van a fény apró kolloidok általi szétszóródása miatt (Ohsawa et al., 2010). A színváltozások megfigyelése vagy a kéngömbök jelenléte és morfológiája egyszerű eszköz lehet a vulkanikus aktivitás monitorozásában. Például a hirtelen színváltozások tükrözhetik a kéngázok gáztalanításának változását (lásd pl. A Yudamari-tavat Japánban).

Ellenséges környezet

Ha olyan vulkanikus tóval van dolgunk, amely nem kapcsolódik a magmakamrákból történő gázmentesítéshez, akkor ez alig különbözik a nem vulkanikus tavaktól - eltekintve attól, hogy nem lehet be- és kiáramlás. Angolul a "semleges híg vulkáni tavakról" beszélünk. A víz hőmérséklete ekkor tükrözi az időjárási viszonyokat és (ha van ilyen) a mellékfolyókat. A víz kémiája függ a környező kőzettől, a rajta átfolyó vagy a tóba ömlő patakoktól és folyóktól, valamint az ásványi anyagok csapadékától.

Ha a tavak továbbra is kapcsolódnak a gáztalanító magma rendszerekhez, akkor a dolgok másként alakulnak. A gáztalanító magma állapota és a környező kőzet típusa ezután rendkívül meghatározza a vízben lévő anyagokat, a víz hőmérsékletét és a savasság mértékét (pH-érték). A föld összes ismert felszíni vize közül a vulkáni tavak mutatják a legnagyobb pH-tartományt. A tó vizének pH-ja kívül eshet azon a tartományon, amelyet önkényesen 0 (savas) és 14 (lúgos) között állítottak be (Pecoraino et al., 2015). Például a legaktívabb tavakban, amelyek nagyon aktív vulkánokat borítanak, akár nulla alatti pH-értékű víz is lehet.