Происхождение базальтовых столбов | Блог о природе

Происхождение базальтовых столбов

6

Базальтовые столбы

Интереснейшие природные образования представляют собой базальтовые столбы. Однако до сих пор мне не попадались публикации, убедительно раскрывающие механизмы возникновения этих геологических объектов.

Поэтому я и решил изложить свою версию происхождения этих чудес природы. Возможно, понимание этого явления позволит более правильно интерпретировать и другие подобные природные образования, а также эволюцию земной поверхности.

Согласно распространенному сегодня представлению, базальтовые столбы образовались после отвердения изверженной базальтовой лавы в результате образования сети трещин вследствие термической усадки лавы (начиная с поверхности) при остывании больших однородных объемов лавы от температуры отвердения до температуры окружающей среды. При этом в результате разрастания термотрещин от быстрее остывшей поверхности к центральным зонам более горячей (но уже затвердевшей) лавы образовались регулярные массивы плотно прилегающих друг к другу столбчатых отдельностей правильной призматической формы, разделенных трещинами термического происхождения, направленных, в основном, перпендикулярно поверхности массива (по градиенту температуры во время остывания массива).

Но при таком механизме образования трещин совершенно необъяснимо, почему эти призмы не столько перпендикулярны к поверхности массива, сколько параллельны друг другу. И базальтовые отдельности представляют собой именно призмы даже на выпуклых боковых почти вертикальных поверхностях границ массивов (и часто параллельны этим поверхностям). Хотя, казалось бы, термотрещины, распространяясь перпендикулярно поверхности, должны были бы образовать на выпуклых краях лавового массива клинообразные (пирамидальные), а не призматические отдельности. Более того, термотрещины должны были бы разрастаться от поверхности лавового массива к его центру не только от верхней и боковой, но и от нижней поверхности. Причем размеры (диаметры) отдельностей, образованных трещинами, растущими от верхней и от нижней поверхностей массива, могут существенно различаться – на этих поверхностях различны скорости отвода тепла и другие параметры. Так что трещины между отдельностями, распространяясь независимо сверху и снизу, при стыковке где-то внутри массива никак не могли совпасть друг с другом. Поэтому где-то ближе к нижней поверхности массива базальтовых столбов (скорость отвода тепла вниз меньше) верхние и нижние базальтовые столбы должны были бы состыковаться на ломаной поверхности, разделяющей верхние и нижние столбы. Ведь диаметры столбов выше и ниже этой поверхности, вообще говоря, должны быть различны.

На практике же мы наблюдаем не клиновидные отдельности, перпендикулярные поверхности базальтового массива, а цельные параллельные (чаще всего вертикальные) столбы протяженностью от нижней поверхности до верхней. Без ломаных горизонтальных разделительных поверхностей.

Столбчатые отдельности

Призмы столбчатых отдельностей в большинстве своем представляют собой правильные шестигранники. Но встречаются и неправильные (их шестиугольные сечения не являются правильными). А также другие многогранники (с числом граней от 3 до 8). Диаметр многогранников колеблется от 10 см до трех метров.

При ознакомлении с доступным материалом видим, что практически всегда столбы расположены вертикально, но иногда они подобны дровяной поленнице (горизонтальны или почти горизонтальны). Столбы, по большей части, прямые. Иногда они изогнуты согласованно друг с другом. Высота столбов колеблется от десятков сантиметров до сотен метров. Но как образовались эти отдельности почти правильной формы? Хорошо обоснованного ответа пока не было. Маловероятно (невероятно!), чтобы трещины в однородном объеме, ограниченном разнонаправленной поверхностью охлаждения при термической усадке отвердевшего лавового массива были такими регулярными (поскольку различаются условия на поверхности и не видно механизма согласования и регуляризации трещин). Тем более, что в природе встречаются регулярные базальтовые отдельности одинакового состава, но разных размеров. То есть, в соответствии с приведенным выше термотрещинным механизмом вместо высокого базальтового столба диаметром 3 метра мы должны были бы наблюдать в его объеме множество тонких столбиков, таких же в сечении, как и мелкие короткие столбики ( которые наблюдаются в той части этого же массива лавы, что имеет малые размеры по вертикали). Так должно было бы быть, поскольку развитие термотрещин при таком механизме начинается на поверхности и движется от поверхностей массива к его центральным зонам. А трещины, образующиеся на поверхности, еще не знают, какую глубину имеет массив в данном месте. И поэтому размеры ячеек сетки трещин (толщина столбов) должны быть всюду примерно одинаковыми независимо от толщины лавового слоя.

Попробуем предложить механизм образования столбчатых базальтовых отдельностей.

Хорошо известно, что в поле сил тяжести в больших объемах жидкого и газообразного вещества при наличии инверсной разности плотностей и температур (более высокая температура в более низких слоях) практически всегда неустойчивое инверсное равновесие с необходимостью нарушается и возникает конвекция. Она возникает и при передаче тепла из внутренних областей Солнца через его поверхность, и в глобальных тектонических процессах или просто при передаче тепла от дна кастрюли к поверхности воды в ней. По нашему мнению, конвективный перенос тепла играет решающую роль и в образовании базальтовых столбов. Посредством конвективного переноса тепло внутренних зон больших объемов жидкой лавы эффективно переносится к более холодной верхней поверхности. Так что температура лавы во всем слое конвекции уменьшается практически одновременно (в этом слое мал температурный градиент). В то же время в быстро образовавшейся на поверхности лавового массива твердой бесструктурной корке градиент температуры во много раз больше, т.е., твердая лавовая корка является неплохим теплоизолятором и препятствует слишком быстрому охлаждению лавового массива.

Образование базальтовых столбов (отдельностей в вулканической лаве) происходит в процессе отвердевания больших объемов остывающей жидкой лавы, подвергающейся в это время дифференциации вещества в ней вследствие конвекции в ходе остывания лавы. Дифференциация вещества начинается в еще совершенно жидкой лаве в результате возникновения и дальнейшего взаимного согласования тепловых конвекционных потоков в почти неподвижной остывающей лаве, образовавшей после извержения вулкана целые лавовые озера. Так что спонтанно возникшие конвекционные потоки за некоторое время (до отвердения лавы) взаимно согласуются в виде граничащих друг с другом конвекционных ячеек – почти правильных вертикальных шестигранников. Особенно в центральных зонах лавовых озер. Тогда как на краях этих озер отклонений от регулярности из-за влияния различных краевых неоднородностей гораздо больше. Согласование конвекционных потоков вследствие действия сил трения (вязкости) состоит в том, что на поверхностях соприкосновения (на границах конвекционных ячеек) потоки движутся в одном направлении, скажем, вниз.

В ходе медленного остывания сразу всей толщи лавового озера (медленного – потому что конвекционный слой накрыт мгновенно образовавшейся твердой поверхностной теплоизолирующей коркой; всей – благодаря конвективному выравниванию температуры по всей глубине слоя конвекции) происходит постепенное отвердевание различных веществ, составляющих лаву. Эта постепенность заключается в том, что отвердение различных составляющих лавовой смеси происходит не при какой-то одной определенной температуре (как это происходит с чистыми веществами; например, вода застывает и превращается в лед при температуре 0°C), а по мере остывания в достаточно широком интервале температур. Скажем, в интервале от 800°C до 600°C. Конкретные цифры не имеют существенного значения. Важно то, что температурный диапазон отвердения достаточно широк.

По поводу температур плавления и отвердения базальтовых лав нет надежных данных. Так, здесь приводится температура плавления базальта в 1500°C. В то же время, температура жидкой базальтовой лавы оценивается в 900°C ? 1100°C (ссылка). Здесь же, приводятся данные о температуре плавления некоторых составляющих лавы в 600°C ? 800°C. Но представляется несомненным, что температурный диапазон отвердения различных составляющих лавы широк.

Так что при постепенном остывании лавы более тугоплавкие вещества отвердевают раньше других. И это отвердение происходит в определенных местах согласованных конвекционных потоков – там, где температура несколько ниже. То есть, там, где конвекционный поток, отдав тепло и уменьшив свою температуру, опускается. Скажем, на стенках шестигранных тепловых конвекционных ячеек. Таким образом, вертикальные стенки ячеек (боковые поверхности базальтовых призм) уже отвердевают, а внутри призм еще некоторое время продолжается тепловая конвекция вплоть до полного отвердевания всех составляющих лавы. Иллюстрацией к этим словам может служить фотография вершин базальтовых столбов с просевшими центрами колонн, отвердевшими при остывании в последнюю очередь (фото). Глубину опускания лавы в центрах вершин базальтовых колонн по сравнению с их стенками (фото) можно было бы сопоставить с высотой колонн, коэффициентом температурного расширения и температурами начала и конца затвердевания лавы (при наличии необходимых исходных данных).

Так происходила дифференциация остывающей лавы по составу (по температурам плавления – отвердевания). Это различие составов и структуры базальта на стенках и в центре призматических столбов видно даже невооруженным взглядом на поперечном разрезе (сколе) любого базальтового столба. Для окончательного же подтверждения правильности предлагаемой гипотезы образования базальтовых столбов (или ее отвержения?) желательно и достаточно экспериментально определить различие температур отвердевания составов стенок и центральных (приосевых) зон базальтового столба. У меня возможностей такой экспериментальной проверки, к сожалению, нет.

После отвердения вещества конвекционных потоков – сформированных, но пока еще не проявленных трещинами базальтовых лавовых столбов (с различной микроструктурой и составом в центре и на стенках будущих отдельных столбов) – при достаточно высокой температуре (допустим, 600°C) начиналась заключительная фаза. Уже сформировавшиеся по структуре и составу, но еще не отделившиеся друг от друга столбы продолжали остывать до обычной температуры окружающей среды (около 0°C). При этом линейные размеры сечений уже твердых базальтовых столбов уменьшились в соответствии с коэффициентом температурного расширения базальта (примем его равным 0.00001/1°C согласно). Так что между базальтовыми столбами слегка уменьшившегося диаметра (в результате остывания уже твердых столбов от 600°C до 0°C) с неподвижно закрепленными верхом и низом (в прочном контакте с почти неизменными по размерам верхней и нижней коркой, уже имеющими более низкую температуру) на месте поверхностей пониженной прочности (зависящей от состава) образуются щели шириной приблизительно в 1/100 (точнее, 0.006) часть от диаметра столбов (если мы использовали правильные значения параметров). Поверхности пониженной прочности (превращающиеся в щели) совпадают с поверхностями затвердевших стенок конвекционных ячеек. И мы наблюдаем эти щели между базальтовыми столбами. Тогда как в быстро образовавшейся (без конвекции) сравнительно однородной базальтовой корке этих регулярных щелей (проходящих по образовавшимся неоднородностям) нет.

Дальнейшая эволюция базальтовых столбов определялась условиями, в которых они находились после отвердения. Массивы столбчатых отдельностей могли быть наклонены; частично или даже полностью разрушены.

А теперь обратимся к возможным вопросам.

А) почему различаются поперечные размеры столбов?

Б) как образуются искривленные базальтовые столбы?

В) как образуются горизонтальные столбы типа поленницы?

Все эти вопросы легко разрешаются в рамках нашей гипотезы.

А) поперечные размеры базальтовых столбов – остывших взаимно согласованных конвективных ячеек определяются вязкостью остывающей лавы (ее составом и температурой) и геометрическими размерами – в основном, глубиной лавового озера. Так, в больших объемах глубоких долго остывавших лавовых озер успевали образоваться конвекционные ячейки большого сечения. Поэтому и имеются в природе наряду с мелкими короткими столбиками базальтовые столбы огромной высоты и диаметра.

Б) обычно базальтовые столбы представляют собой массив прямых, параллельных, плотно упакованных, вертикально расположенных призм. Это означает, что при остывании лавового озера оно оставалось практически неподвижным. Однако неподвижность лавового озера в период его остывания от температуры отвердения самых тугоплавких составляющих лавы до ее полного отвердения могла быть нарушена. Например, неподвижная до того лава начинала двигаться либо в результате прорыва твердого берега лавового озера (дамбы из быстро отвердевшей лавовой корки), либо в результате попадания в озеро новой порции лавы, либо еще по какой-то причине. Поэтому слои лавового озера с уже установившимися в них строго вертикальными конвекционными потоками могли так или иначе сместиться. Так что медленные вязкие тепловые конвекционные потоки с уже произошедшей дифференциацией вещества по составу и по структуре могли оказаться уже не строго вертикальными, а достаточно причудливо изогнутыми. И если они отвердевали в таком положении при остывании, то мы и наблюдаем через миллионы лет изогнутые базальтовые столбы – застывшие конвекционные потоки.

В) что касается горизонтальных базальтовых столбов в «поленницах», то они могли образоваться несколькими способами. Но образование горизонтальных столбов менее вероятно, чем образование вертикальных столбов. Поэтому и встречаются такие «поленницы» гораздо реже массивов плотно упакованных вертикальных столбов.

Понятно, что установившиеся тепловые конвекционные потоки могут быть только строго вертикальными. Но если в короткий отрезок времени затвердевания потоков объем лавового озера (озерца) будет существенно деформирован, например, за счет поступления в лавовое озерцо новой большой порции лавы или за счет вытекания лавы из озера при прорыве его берега-дамбы, то установившиеся вертикальные потоки из вертикальных превратятся в наклонные и даже горизонтальные. Они наклонятся (будут стлаться почти горизонтально) подобно высокой траве при сильном ветре, или подобно водорослям в речной протоке (см. рис 2-a). Аналогичная деформация конвективных лавовых потоков (будущих наклонных базальтовых столбов) будет иметь место, если во время их отвердевания изменится наклон местности – склонов извергающегося вулкана (см. рис 2-б). В обоих этих случаях почти правильные шестигранные конвективные ячейки при наклоне будут с необходимостью деформированы, так что в направлении наклона толщина правильных до того шестигранников уменьшится, и базальтовые столбики в сечении будут уже не правильными, а сплющенными шестиугольниками. Кроме того, столбики в этом случае будут расположены не перпендикулярно, а под углом к поверхности массива.

Образование наклонных базальтовых столбов

Возможен еще один путь образования горизонтальных или почти горизонтальных базальтовых столбов из вертикальных конвективных ячеек – когда уже после затвердения (через день или через миллион лет после извержения) вертикальных столбов – правильных шестигранников массив этих столбов наклоняется вместе с участком земной коры, на котором они располагаются (см. рис 2–в). В этом случае базальтовые многогранники сохраняют свою правильность.

Так что изогнутые, а также горизонтально или наклонно расположенные базальтовые столбы указывают не на другой механизм их образования (отличный от дифференциации вещества лавы при конвекции), а на радикальные перемещения данного участка земной поверхности после формирования в нем вертикальных еще жидких конвекционных потоков – будущих столбов в остывающем лавовом озере. Или даже после полного отвердения массивов базальтовых столбов.


Если Вам понравилась статья, то Вы можете получать новые материалы shumilov.kiev.ua по RSS, присоединиться ко мне на твиттере, или можете просто получать обновления блога на e-mail: