Lacuri vulcanice; Fenomene vulcanice; Vulcanismul și societatea; ESKP cu temă specială

Lacurile vulcanice sunt oglinzi ale vulcanismului care a dat naștere odată și care s-ar putea să se schimbe și astăzi. Organismele care pot face față condițiilor uneori extreme ar putea deveni valoroase și în alte contexte, cum ar fi agricultura sau bio-mineritul. Pentru pericolele emise de vulcani, degajarea lacurilor vulcanice foarte active, în special, poate fi un sistem de avertizare timpurie.

Text: Jana Kandarr, Platformă de cunoaștere a sistemului Pământ | ESKP

Examen tehnic: Prof. Dr. Dmitri Rouwet, Istituto Nazionale di Geofisica și Vulcanologia, Sezione di Bologna, Italia.

  • Dintre toate apele de suprafață cunoscute de pe pământ, lacurile vulcanice prezintă cea mai mare gamă de valori ale pH-ului.
  • Lacurile craterelor și lacurile bogate în dioxid de carbon necesită o monitorizare deosebit de atentă în ceea ce privește pericolele lor.
  • Pentru monitorizarea vulcanilor, schimbările de culoare din lacurile vulcanice și prezența și morfologia globulelor de sulf pot fi un instrument simplu.
  • Există speranța că unele bacterii din lacurile vulcanice pot promova creșterea plantelor sub stres abiotic extrem. În anumite circumstanțe, aceste bacterii sunt utile pentru plantele care prosperă în altă parte în soluri acide, contaminate cu metale grele sau care trebuie să suporte un stres termic sever.

Lacurile vulcanice cu acuarele lor uneori nenaturale și depozitele minerale contrastante sunt fascinante. Unele dintre ele sunt neobișnuit de adânci sau apa lor este extrem de acidă și practic lipsită de viață, în unele dintre ele cianobacteriile sau algele se înmulțesc - în funcție de cât de strânsă este legătura dintre sistemul vulcanic și subsol. Astfel de lacuri pot oferi informații despre sistemele hidrotermale și, prin urmare, pot avea o mare valoare în monitorizarea vulcanilor și în predicția pericolelor. Ei pot depune mărturie despre activitatea vulcanică - dintre care unele s-au calmat de mult. Unele dintre ele cu greu pot fi distinse de corpurile convenționale de apă în ceea ce privește chimia sau biologia apei. Cu toate acestea, dacă există încă o legătură cu camerele de magmă din scoarța terestră, atunci acestea nu sunt practic niciodată sisteme stabile.

Lacurile vulcanice pot dispărea din nou, pot curge, temperatura apei și compoziția lor chimică pot fi supuse unor fluctuații mari, iar valoarea pH-ului poate varia în unele cazuri semnificativ. Practic, câteva lucruri trebuie să se unească pentru a crea un lac vulcanic activ: fundul lacului trebuie să fie etanșat, astfel încât apa să nu se scurgă direct, precipitațiile meteorologice trebuie să fie cât mai abundente posibil și aportul de căldură trebuie să fie limitat, astfel încât apa lacului să nu se evapore complet. Fluidele vulcanice se adaugă apoi la volumul lacului.

vulcanice

Lacul Mono din California, STATELE UNITE. Natrinele este alcalin (pH 10) și în special sărat. Cantități mari de sodiu sunt dizolvate în apa sa. Lacul este cel mai bine cunoscut pentru depozitele de calcar din tuf care formează formațiuni asemănătoare sculpturii.
Foto: imagini imago/Rainer Mirau

Există diferite moduri de clasificare a lacurilor vulcanice - în funcție de caracteristicile chimice sau fizice sau, de asemenea, în ceea ce privește geneza lor. Acestea sunt compilate în detaliu în monografia „Lacurile vulcanice” (Rouwet și colab., 2015). Oamenii de știință se orientează către patru întrebări centrale, care privesc formarea lacurilor. Pe de o parte, este deci esențial să știm dacă un lac a fost format într-o singură erupție, de ex. este monogen. Asta ar însemna că, de la eveniment, influența vulcanismului asupra apei lacului a fost minimă sau chiar inexistentă. Dacă, pe de altă parte, un bazin lacustre apare pe un vulcan poligenetic, multe evenimente și surse de magmă diferite ar fi putut contribui la formarea acestuia sau continuă să facă acest lucru.

Un alt criteriu luminează legătura temporală dintre vulcanism și formarea lacului, adică întrebarea: a apărut lacul la scurt sau mult timp după o erupție vulcanică? Se crede că lacurile caldei au apărut cu mult timp după prăbușirea unei camere de magmă și depresiunea rezultată (geolog.: „Depresie”), care apoi devine un bazin lacustre. Pe de altă parte, lacurile din craterele de vârf ale vulcanilor activi apar „la scurt timp” după o erupție vulcanică. Depinde, de asemenea, de localizarea lacului vulcanic în raport cu orificiul de evacuare vulcanic. Lacul este situat direct deasupra unui orificiu activ sau lângă el? Toate aceste aspecte determină în cele din urmă cât de puternic se influențează vulcanismul, chimia apei și temperatura apei (Christenson și colab., 2015). Acest sistem generic de clasificare ajută la conectarea la abordările mai clasice ale clasificărilor chimice și fizice ale lacurilor vulcanice.

Conform unor astfel de clasificări, o categorie include, de exemplu, lacurile de crater care apar peste orificiul unui vulcan poligenetic. Lacurile craterului sunt situate de obicei în interiorul craterului vulcanic de vârf, pot fi foarte adânci sau foarte valoroase în volumul de apă, care poate fi atribuit fluctuațiilor de condensare lichidă, evaporării la suprafață, contribuțiilor apei de ploaie din scurgeri sau revărsărilor din lac (Varekamp și colab., 2015). O altă categorie este formată din lacurile caldera, de exemplu Lacul Bolsena din Italia, care, la fel ca multe lacuri caldera, are aproape nici un flux de intrare sau ieșire. Acestea sunt numite bazine endoreice în geoștiințe, deoarece nu au drenaj în mare.

Marea majoritate a lacurilor vulcanice se află în maars, care sunt, de asemenea, numite diatreme maar. Maars sunt de obicei martori la un singur focar freatomagmatic. Ceea ce rămâne după aceea este practic o „gaură” aproape perfect circulară în pământ, întrucât o singură erupție nu a putut forma un con vulcanic mare. Când stratul purtător de apă subterană (acvifer) intersectează craterul maar, se creează un lac maar. Diatremele străpung suprafața pământului și creează o formă abruptă de con inversat. Uneori structurile breciate îngropate conțin minerale precum diamantele. Craterele Maar au de obicei mai puțin de doi kilometri în diametru. Exemple de maars sau lacuri maar sunt Laacher See, Ulmener Maar, Blue Lake din Australia sau Aci Gölü Lake lângă Karapınar din Turcia.

Lacurile geotermale sunt situate într-un mediu vulcanic activ, în care erupțiile freatice au format cratere care au fost ulterior umplute de lacuri destul de mici. Unele lacuri umple depresiuni tectonice cauzate de câmpuri de lavă sau depozite vulcanice care captează apă sau afectează hidrologia locală a intrării sau ieșirii apei. Opt la sută din lacurile din lume înlăturate în mod natural pot fi urmărite până la vulcanism (Costa & Schuster, 1988). Există, de asemenea, unele lacuri vulcanice care sunt create atunci când un nou ventilator vulcanic activ și astfel fierbinte topeste zăpada în interiorul unui crater deja existent. Acest lucru s-a întâmplat, de exemplu, la vulcanul Chiginagak din Alaska în 2005.

Există și alte modalități de clasificare a lacurilor vulcanice, de exemplu în funcție de chimia apei sau de echilibrul apei. Dacă accentul este pus pe activitatea și pericolul vulcanic, este adecvată o subdiviziune în „lacuri de crater active”, „lacuri de crater latente” și „lacuri bogate în dioxid de carbon”. Orice clasificare este o provocare, deoarece diversitatea este mare și structurile geologice de pe fundul lacului nu sunt bine cunoscute în unele locuri. Lacurile sunt, de asemenea, deseori unice în ceea ce privește activitatea vulcanică subterană, roca din jur și condițiile climatice specifice. Prin urmare, fiecare lac are propriile sale caracteristici și ar trebui să fie luate în considerare individual, pe măsură ce încercăm să aflăm mai multe și să descoperim secretele pe care le dețin lacurile vulcanice.

Lacul Crater, un lac caldera, este situat la o altitudine de 1.883 metri în Oregon (SUA). Alimentat de ploaie și zăpadă și fără drenuri, lacul craterului are o adâncime de 589 metri, cel mai adânc din Statele Unite și al șaptelea cel mai adânc din lume.
Imaginea a fost făcută de un membru al echipajului Expedition 52. Subtitrare de Andi Hollier, Hx5, Contract JETS la NASA-JSC. Observatorul Pământului NASA

Rouwet, D., Christenson, B., Tassi, F. & Vandemeulebrouck, J. (Eds.). (2015). Lacurile Vulcanice. Berlin/Heidelberg: Springer. doi: 10.1007/978-3-642-36833-2

El Chichón, Mexic (înregistrat în martie 2007)
Lacul craterului El Chichón are o temperatură medie (30 ° C), iar condițiile atmosferice sunt tropicale, adică umiditatea și temperatura ambiantă sunt ridicate, ceea ce la rândul său duce la degazare și evaporare practic invizibile.

Foto: Dmitri Rouwet

Kawah Ijen, Indonezia (înregistrată în septembrie 2014)
Lacul craterului Kawah Ijen este cea mai mare apă de suprafață naturală și acidă de pe pământ. Apa lacului are o culoare turcoaz intensă și în mare parte lipsită de viață. Până în prezent, nu au fost găsite bacterii sau eucariote.

Foto: Dmitri Rouwet

Sulful este exploatat și în craterul Ijen, o activitate grea și intensivă în muncă.

Foto: imagini imago/ZUMA Press

Poas, Costa Rica (aprilie 2007)
Laguna Caliente (de mai sus în imagine) este extrem de acidă, cu o valoare a pH-ului de aproximativ -1. Unele lacuri vulcanice acide, cum ar fi acest lac vulcanic, sunt de un gri cenușiu, deoarece sedimentele de fund sunt învârtite de curenți ascendenți (convectivi). Lacul acid este saturat cu sulf elementar. În lacurile fierbinți, sulful lichid poate fi depus pe fundul lacului.

Foto: Dmitri Rouwet

Lacul craterului Ruapehu, Noua Zeelandă (martie 2019)
În plus față de exploziile imediate de gaze, condensarea bruscă a fazei de vapori duce la o scădere drastică a presiunii, la fierbere și apoi la o explozie hidrotermală. Acest efect este cel mai semnificativ în lacurile de crater foarte active, cum ar fi Ruapehu din Noua Zeelandă. Laharurile apar atunci când exploziile forțează apa peste marginea craterului.

Foto: Dmitri Rouwet

Lacul Nyos, Camerun (fotografie făcută în martie 2016).
În 1986, lacul Nyos a eliberat în atmosferă un nor de CO2, ucigând 1.700 de oameni și 3.500 de animale în orașele și satele din jur. După aceea, inginerii au instalat un sistem de conducte pentru a elibera gazul din lac. Țeava lungă de 200 de metri atârnă pe plută și lasă apa bogată în gaz să iasă de pe fundul lacului la suprafață într-un mod controlat.

Foto: Dmitri Rouwet

Lacul Kivu Rwanda, Republica Democrată Congo
Lacul vulcanic este unul dintre lacuri bogate în dioxid de carbon. Pericolul izbucnirii gazelor, care s-au acumulat în coloana de apă de-a lungul deceniilor sau secolelor, ar putea fi evitat doar prin degazarea artificială și controlată a stratului de apă din sol. Dar pentru lacurile bogate în specii precum Lacul Kivu, această soluție ar avea probabil consecințe ecologice grave.

Laguna Cuicocha, Ecuador
Dioxidul de carbon crește constant în Laguna Cuicocha. Fluidele vulcanice și-au pierdut în mare parte componentele cele mai reactive, cum ar fi halogenii și sulful din acest lac.

Ce culori de apă ne pot spune despre lacurile vulcanice

Varietatea culorilor de apă pe care le pot prezenta lacurile vulcanice este deosebit de izbitoare. Lacurile vulcanice care nu conțin multă viață, care sunt biologic neproductive din cauza lipsei de substanțe nutritive sunt adesea albastru închis. Un exemplu în acest sens este Lacul Crater, care este și un lac caldera, în Oregon. La 589 metri adâncime, este cel mai adânc lac din Statele Unite și al șaptelea cel mai adânc din lume. Lacul Crater este alimentat exclusiv de precipitații, nu are apariții sau ieșiri și apare albastru intens.

Lacurile care primesc substanțe nutritive dintr-un fel de sursă naturală sau antropică par albastru-verzui. Pe de o parte, bazinul hidrografic și fertilizarea zonelor agricole înconjurătoare joacă un rol major. Pe de altă parte, izvoarele geotermale cu apă bogată în minerale pot fi o altă sursă de nutrienți. O culoare verde neobișnuit de puternică poate indica o abundență de alge verzi, în timp ce un roșu vizibil este legat de multiplicarea puternică a algelor roșii. Dacă o mulțime de material organic se descompune, un lac apare de obicei maroniu, deoarece acizii organici se formează atunci când frunzele și alte materiale vegetale sau animale sunt descompuse.

Practic, procesele biologice din lacurile vulcanice nu diferă cu mult de cele din lacurile de origine non-vulcanică. Cu toate acestea, datorită chimiei din lacurile active, culorile pot diferi: Lacurile cu izvoare geotermale sau substanțe nutritive vulcanice (din rocă) conțin adesea fosfor, care apoi se fertilizează. Diferența în acest caz se datorează mai mult originii neobișnuite a nutrienților. Pe de altă parte, fierul și sulful pot fi dizolvate în apă. În funcție de fierul conținut, lacul poate apărea apoi verde închis pentru fierul bivalent (Fe 2+) sau violet-maro sau portocaliu-roșu pentru fierul trivalent (Fe 3+). În plus, substanțele cu anumite culori tipice pot precipita sau pluti în apă (de exemplu, gips gâscă, sabie manit, goethit sau ferrihidrit). Când Lacul Voui, care aparține vulcanului Ambae (Vanuatu în Pacificul de Sud), a devenit roșu sângele în câteva zile în 2006, acest lucru a fost ulterior legat de precipitarea jarozitului, a sulfatului și a hematitului, a oxidului de fier (Bani et. al., 2009).

Lacurile alb-turcoaz-crem sunt deosebit de spectaculoase, cum ar fi unul dintre cele trei lacuri de crater ale vulcanului Keli Mutu din Indonezia sau cel mai mare lac de crater acid din lume pe Kawah Ijen, care se găsește și în Indonezia. Laguna Caliente de la Poás din Costa Rica sau lacul craterului Yugama de la vulcanul Kusatsu-Shirane din Japonia sunt alte exemple. Sferele de sulf fin distribuite (sferule) plutesc aici la suprafața apei. Dacă astfel de particule domină complet, un lac apare foarte albastru și devine turcoaz-verzui când particulele de sulf scad și se amestecă cu nuanța verde a ionilor de fier. Bazinele geotermale bogate în dioxid de siliciu tind, de asemenea, să aibă o culoare albastră foarte specifică datorită împrăștierii luminii de către coloizi mici (Ohsawa și colab., 2010). Observațiile schimbărilor de culoare sau prezența și morfologia globulelor de sulf pot fi un instrument simplu pentru monitorizarea activității vulcanice. De exemplu, schimbările bruște de culoare pot reflecta o modificare a degazării gazelor cu sulf (a se vedea, de exemplu, lacul Yudamari din Japonia).

Un mediu ostil

Dacă avem de-a face cu un lac vulcanic care nu este conectat la degajarea din camerele de magmă, atunci acesta diferă cu greu de lacurile non-vulcanice - în afară de faptul că este posibil să nu existe intrări și ieșiri. În limba engleză se vorbește despre „lacuri vulcanice diluate neutre”. Temperaturile apei sunt apoi o oglindă a condițiilor meteorologice și (dacă sunt disponibile) ale afluenților. Chimia apei depinde de roca din jur, de cursurile și râurile care trec prin ea sau se scurge în lac și de precipitarea mineralelor.

Dacă lacurile sunt încă conectate la sistemele de magmă de degazare, lucrurile stau diferit. Starea magmei degazante și tipul de rocă înconjurătoare determină apoi imens despre substanțele din apă, temperaturile apei și gradul de aciditate (valoarea pH-ului). Dintre toate apele de suprafață cunoscute de pe pământ, lacurile vulcanice prezintă cea mai mare gamă de valori ale pH-ului. PH-ul apei lacului poate fi în afara intervalului care a fost stabilit în mod arbitrar între 0 (acid) și 14 (alcalin) (Pecoraino și colab., 2015). De exemplu, cele mai acide lacuri care acoperă vulcani foarte activi pot avea chiar apă cu un pH sub zero.