Sopečné jazerá; Vulkanické javy; Vulkanizmus a spoločnosť; Špeciálne s tematikou ESKP

Sopečné jazerá sú zrkadlami vulkanizmu, ktorý ich kedysi vytvoril a ktoré sa dnes ešte môžu meniť. Organizmy, ktoré zvládnu niekedy extrémne podmienky, by sa mohli stať cennými aj v iných kontextoch, ako je poľnohospodárstvo alebo biologická ťažba. Najmä odplyňovanie veľmi aktívnych sopečných jazier môže predstavovať systém včasného varovania pred nebezpečenstvami vychádzajúcimi zo sopiek.

Text: Jana Kandarr, znalostná platforma systému Earth | ESKP

Odborná skúška: Prof. Dr. Dmitri Rouwet, Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Sezione di Bologna, Taliansko.

  • Zo všetkých známych povrchových vôd na zemi vykazujú sopečné jazerá najväčší rozsah hodnôt pH.
  • Kráterové jazerá a jazerá bohaté na oxid uhličitý si vyžadujú obzvlášť dôsledné sledovanie, pokiaľ ide o ich nebezpečenstvo.
  • Na sledovanie sopiek môžu byť jednoduchým nástrojom zmeny sfarbenia sopečných jazier a prítomnosť a morfológia sírnych guľôčok.
  • Existuje nádej, že niektoré baktérie zo sopečných jazier môžu podporovať rast rastlín pri extrémnom abiotickom strese. Za určitých okolností sú tieto baktérie užitočné pre rastliny, ktorým sa darí inde v kyslých pôdach kontaminovaných ťažkými kovmi alebo ktoré musia znášať silný tepelný stres.

Sopečné jazerá s ich niekedy neprirodzenými vodnými farbami a kontrastnými ložiskami minerálov sú fascinujúce. Niektoré z nich sú neobvykle hlboké alebo ich voda je extrémne kyslá a prakticky bez života. V niektorých z nich sa množia sinice alebo riasy - podľa toho, aké úzke je spojenie medzi sopečným systémom a podpovrchovým povrchom. Takéto jazerá môžu poskytnúť pohľad na hydrotermálne systémy, a preto majú veľkú hodnotu pri monitorovaní sopiek a predpovedaní nebezpečenstva. Môžu svedčiť o sopečnej činnosti - niektoré z nich už dávno ustúpili. Niektoré z nich možno len ťažko odlíšiť od konvenčných vodných útvarov z hľadiska chemizmu alebo biológie vody. Ak však v zemskej kôre stále existuje spojenie s magmatickými komorami, potom to nikdy nie sú stabilné systémy.

Sopečné jazerá môžu opäť zmiznúť, odtekať, ich teploty vody a chemické zloženie môžu podliehať veľkým výkyvom a hodnota pH sa môže v niektorých prípadoch výrazne líšiť. V zásade musí dôjsť k spojeniu niekoľkých vecí, aby sa vytvorilo aktívne vulkanické jazero: dno jazera musí byť utesnené, aby voda priamo neunikala, musia byť čo najviac výdatné meteorologické zrážky a musí byť obmedzený tepelný príkon, aby sa voda z jazera úplne neodparovala. Sopečné tekutiny potom zvyšujú objem jazera.

sopečné

Mono Lake v Kalifornii, SPOJENÉ ŠTÁTY. Natronsee je zásadité (pH 10) a obzvlášť slané. Veľké množstvo sodíka sa rozpustí v jeho vode. Jazero je známe predovšetkým tufovými vápencovými usadeninami, ktoré vytvárajú sochové útvary.
Foto: imago obrázky/Rainer Mirau

Existujú rôzne spôsoby klasifikácie vulkanických jazier - podľa chemických alebo fyzikálnych charakteristík alebo tiež s ohľadom na ich vznik. Podrobne sú zhrnuté v monografii „Volcanic Lakes“ (Rouwet et al., 2015). Vedci sa orientujú na štyri ústredné otázky, ktoré sa týkajú formovania jazier. Na jednej strane je preto nevyhnutné vedieť, či sa jazero vytvorilo v jednej erupcii, teda či je napríklad monogénne. To by znamenalo, že za určitých okolností bol vplyv vulkanizmu na vodu jazera od udalosti minimálny alebo dokonca žiadny. Ak na druhej strane povodie jazera vzniká na polygenetickej sopke, mohlo k jeho vzniku prispieť alebo v ňom môže pokračovať veľa rôznych udalostí a zdrojov magmy.

Ďalšie kritérium osvetľuje časovú súvislosť medzi vulkanizmom a vznikom jazera, t. J. Otázka: vzniklo jazero krátko alebo dlho po výbuchu sopky? Jazerá Caldera sa pravdepodobne vytvorili dlho po zrútení magmatickej komory a následnej depresii (geologickej: „depresia“), ktorá sa potom stáva povodím jazera. Jazerá v kráteroch vrcholov aktívnych sopiek naopak vznikajú „krátko“ po výbuchu sopky. Závisí to aj od umiestnenia vulkanického jazera vo vzťahu k sopečnému prieduchu. Je jazero priamo nad alebo vedľa aktívneho komína? Všetky tieto aspekty nakoniec určujú, ako silno sa navzájom ovplyvňujú vulkanizmus, chémia vody a teplota vody (Christenson et al., 2015). Tento generický klasifikačný systém pomáha nadviazať na klasickejšie prístupy chemických a fyzikálnych klasifikácií vulkanických jazier.

Podľa takýchto klasifikácií patrí do jednej kategórie napríklad kráterové jazerá, ktoré vznikajú nad prieduchom polygenetickej sopky. Kráterové jazerá sa zvyčajne nachádzajú vo vnútri kráteru sopečného vrcholu, môžu byť veľmi hlboké alebo veľmi cenné z hľadiska objemu vody, čo možno pripísať kolísaniu kondenzácie kvapaliny, odparovaniu na povrchu, prispievaniu dažďovej vody z priesaku alebo pretečeniu z jazera (Varekamp a kol., 2015). Ďalšiu kategóriu tvoria jazerá s kalderou, napríklad jazero Bolsena v Taliansku, ktoré ako všetky jazerá s kalderou takmer nemá prítok ani odtok. V geovedách sa im hovorí endoreálne povodia, pretože nemajú odtok do mora.

Prevažná väčšina vulkanických jazier leží v maaroch, ktoré sa tiež nazývajú maarské diatremy. Maars sú zvyčajne svedkami jedného phreatomagmatického ohniska. To, čo zostane po tom, je prakticky takmer dokonale kruhová „diera“ v zemi, pretože jediná erupcia nedokázala vytvoriť veľký sopečný kužeľ. Keď vrstva podzemnej vody (zvodnená vrstva) pretína kráter Maar, vytvorí sa jazero Maar. Diatremy prerážajú povrch Zeme a vytvárajú strmý tvar obráteného kužeľa. Niekedy ich zakopané brekciovité štruktúry obsahujú minerály, ako napríklad diamanty. Krátery Maar majú zvyčajne priemer menej ako dva kilometre. Príklady maarov alebo maarských jazier sú Laacher See, Ulmener Maar, Modré jazero v Austrálii alebo jazero Aci Gölü neďaleko tureckého Karapınaru.

Geotermálne jazerá sa nachádzajú v vulkanicky aktívnom prostredí, v ktorom freatické erupcie vytvorili krátery, ktoré boli následne naplnené pomerne malými jazerami. Niektoré jazerá vypĺňajú tektonické depresie spôsobené lávovými poľami alebo vulkanickými usadeninami, ktoré zadržiavajú vodu alebo ovplyvňujú miestnu hydrológiu prítoku alebo odtoku vody. Osem percent prirodzene prehradených jazier na svete možno vysledovať až k vulkanizmu (Costa & Schuster, 1988). Existujú aj niektoré vulkanické jazerá, ktoré vznikajú, keď novo aktívny a tým horúci vulkanický prieduch topí sneh vo vnútri už existujúceho krátera. Stalo sa tak napríklad v roku 2005 na sopke Chiginagak na Aljaške.

Existujú aj iné spôsoby, ako klasifikovať vulkanické jazerá, napríklad podľa ich chemizmu vody alebo vodnej bilancie. Ak sa primárne berie do úvahy sopečná činnosť a nebezpečenstvo, je vhodné rozdelenie na „aktívne kráterové jazerá“, „spiace kráterové jazerá“ a „jazerá bohaté na oxid uhličitý“. Akákoľvek klasifikácia je výzvou, pretože rozmanitosť je veľká a geologické stavby na dne jazera nie sú na niektorých miestach známe. Jazerá sú tiež často jedinečné z hľadiska sopečnej činnosti v podzemí, okolitej horniny a špecifických klimatických podmienok. Každé jazero má preto svoje vlastné charakteristiky a malo by sa o ňom uvažovať individuálne, pretože sa snažíme dozvedieť viac a odhaliť tajomstvá sopečných jazier.

Crater Lake, jazero kaldery, sa nachádza v nadmorskej výške 1 883 metrov v Oregone (USA). Živené dažďom a snehom a bez odtokov je kráterové jazero hlboké 589 metrov, najhlbšie v USA a siedme najhlbšie na svete.
Záber urobil člen posádky Expedície 52. Titul Andi Hollier, Hx5, JETS Contract at NASA-JSC. Observatórium na Zemi Nasa

Rouwet, D., Christenson, B., Tassi, F. & Vandemeulebrouck, J. (Eds.). (2015). Sopečné jazerá. Berlín/Heidelberg: Springer. doi: 10,1007/978-3-642-36833-2

El Chichón, Mexiko (zaznamenané v marci 2007)
Kráterové jazero El Chichón má strednú teplotu (30 ° C) a atmosférické podmienky sú tropické, to znamená, že vlhkosť a teplota okolia sú vysoké, čo vedie k prakticky neviditeľnému odplyneniu a odpareniu.

Foto: Dmitri Rouwet

Kawah Ijen, Indonézia (zaznamenané v septembri 2014)
Kráterové jazero Kawah Ijen je najväčšou prírodnou, kyslou povrchovou vodou na zemi. Voda jazera má intenzívnu tyrkysovú farbu a je takmer bez života. Doteraz neboli nájdené žiadne baktérie ani eukaryoty.

Foto: Dmitri Rouwet

Síra sa tiež ťaží v kráteri Ijen, čo je ťažká a prácna činnosť.

Foto: imago obrázky/ZUMA Press

Poas, Kostarika (apríl 2007)
Laguna Caliente (hore na obrázku) je extrémne kyslá s hodnotou pH asi -1. Niektoré kyslé sopečné jazerá, ako napríklad toto sopečné jazero, sú sýto šedé, pretože spodné sedimenty sú rozvírené stúpajúcimi (konvekčnými) prúdmi. Kyslé jazero je nasýtené elementárnou sírou. V horúcich jazerách sa môže kvapalná síra ukladať na dne jazera.

Foto: Dmitri Rouwet

Kráterové jazero Ruapehu, Nový Zéland (marec 2019)
Okrem okamžitých výbuchov plynu vedie náhla kondenzácia plynnej fázy k drastickému poklesu tlaku, k varu a nakoniec k hydrotermálnemu výbuchu. Tento efekt je najvýznamnejší vo vysoko aktívnych kráterových jazerách, ako je napríklad Ruapehu na Novom Zélande. Lahary nastávajú, keď výbuchy nútia vodu cez okraj krátera.

Foto: Dmitri Rouwet

Jazero Nyos, Kamerun (fotografia nasnímaná v marci 2016).
V roku 1986 jazero Nyos vypustilo do atmosféry mrak CO2, pričom v okolitých mestách a dedinách zabilo 1 700 ľudí a 3 500 zvierat. Potom inžinieri nainštalovali potrubný systém na vypúšťanie plynu z jazera. 200 metrov dlhá rúra visí na plti a umožňuje riadenému úniku vody bohatej na plyn z dna jazera na hladinu.

Foto: Dmitri Rouwet

Jazero Kivu Rwanda, Konžská demokratická republika
Sopečné jazero je jedným z jazerá bohaté na oxid uhličitý. Nebezpečenstvo ohnísk plynov, ktoré sa potenciálne hromadili vo vodnom stĺpci v priebehu desaťročí alebo storočí, bolo možné odvrátiť iba umelým a riadeným odplyňovaním vrstvy pôdnej vody. Ale pre druhovo bohaté jazerá, ako je jazero Kivu, by toto riešenie malo vážne ekologické následky.

Laguna Cuicocha, Ekvádor
Oxid uhličitý v Laguna Cuicocha stabilne stúpa. Sopečné tekutiny v tomto jazere stratili do veľkej miery svoje najreaktívnejšie zložky, ako sú halogény a síra.

Aké farby vody nám môžu povedať o sopečných jazerách

Obzvlášť pozoruhodná je rozmanitosť vodných farieb, ktoré môžu vulkanické jazerá vykazovať. Tmavomodré sú často vulkanické jazerá, ktoré neudržia veľa života a ktoré sú biologicky neproduktívne z dôvodu nedostatku živín. Príkladom toho je jazero Crater Lake, ktoré je tiež jazerom kaldery v Oregone. S hĺbkou 589 metrov je najhlbším jazerom v Spojených štátoch a siedmym najhlbším na svete. Kráterové jazero je napájané výhradne zrážkami, takmer nemá žiadny prítok ani odtok a javí sa ako tmavomodré.

Jazerá, ktoré prijímajú živiny z nejakého druhu prírodného alebo antropogénneho zdroja, sa javia ako zeleno-modré. Na jednej strane hrá hlavnú úlohu povodie a hnojenie okolitých poľnohospodárskych oblastí. Na druhej strane môžu byť ďalším zdrojom živín geotermálne pramene s vodou bohatou na minerály. Neobvykle výrazná zelená farba môže naznačovať množstvo zelených rias, zatiaľ čo nápadná červená súvisí s vysokým množením červených rias. Ak sa veľa organického materiálu rozpadne, jazero sa zvyčajne javí ako hnedasté, pretože pri rozklade listov a iného rastlinného alebo živočíšneho materiálu vznikajú organické kyseliny.

Biologické procesy v sopečných jazerách sa v zásade veľmi nelíšia od biologických procesov v jazerách nevulkanického pôvodu. Vďaka chémii v aktívnych jazerách sa však farby môžu líšiť: Jazerá s geotermálnymi prameňmi alebo sopečnými živinami (zo skaly) často obsahujú fosfor, ktorý potom tiež hnojí. Rozdiel v tomto prípade spočíva skôr v neobvyklom pôvode výživných látok. Na druhej strane sa vo vode môže rozpustiť železo a síra. Podľa toho, ktoré železo obsahuje, môže mať potom jazero tmavozelenú farbu pre dvojmocné železo (Fe 2+) alebo fialovohnedé alebo oranžovo červené pre trojmocné železo (Fe 3+). Látky s určitými typickými farbami sa navyše môžu vyzrážať alebo vznášať sa vo vode (napr. Sadrový spar, manit meča, goethit alebo ferrihydrit). Keď sa v roku 2006 jazero Voui, ktoré patrí k sopke Ambae (Vanuatu v južnom Pacifiku), v priebehu niekoľkých dní zmenilo na krvavo červené, neskôr to súvisí so zrážaním jarositu, síranu a hematitu, oxidu železa (Bani et al., 2009).

Obzvlášť veľkolepé sú tyrkysové a krémovo biele jazerá, ako napríklad jedno z troch kráterových jazier sopky Keli Mutu v Indonézii alebo najväčšie kyslé kráterové jazero na svete na ostrove Kawah Ijen, ktoré nájdete aj v Indonézii. Ďalším príkladom je Laguna Caliente at Poás v Kostarike alebo kráterové jazero Yugama pri sopke Kusatsu-Shirane v Japonsku. Na povrchu vody tu plávajú jemne rozptýlené sírne gule (guľôčky). Ak také častice úplne dominujú, jazero sa javí ako veľmi modré a stáva sa tyrkysovo zelenkavé, keď sa častice síry zmenšujú a miešajú so zeleným odtieňom iónov železa. Geotermálne bazény, ktoré sú bohaté na oxid kremičitý, tiež majú tendenciu mať veľmi špecifickú modrú farbu v dôsledku rozptylu svetla malými koloidmi (Ohsawa et al., 2010). Pozorovanie farebných zmien alebo prítomnosti a morfológie guľôčok síry môže byť jednoduchým nástrojom na sledovanie vulkanickej činnosti. Napríklad náhle zmeny farby môžu odrážať zmenu v odplyňovaní sírnych plynov (pozri napr. Jazero Yudamari v Japonsku).

Nepriateľské prostredie

Pokiaľ máme do činenia so sopečným jazerom, ktoré nie je spojené s odplynením z magmatických komôr, potom sa takmer nelíši od ne vulkanických jazier - okrem toho, že tu nemusí byť žiadny prítok a odtok. V angličtine sa hovorí o „neutrálnych zriedených sopečných jazerách“. Teploty vody sú potom zrkadlom poveternostných podmienok a (ak sú k dispozícii) prítokov. Chémia vody závisí od okolitej horniny, potokov a riek, ktoré ňou pretekajú alebo odtekajú do jazera, a od zrážania minerálov.

Ak sú jazerá stále pripojené k odplyňovacím magmatickým systémom, môže to byť inak. Stav odplyňovacej magmy a typ okolitej horniny potom nesmierne určujú látky vo vode, teploty vody a stupeň kyslosti (hodnota pH). Zo všetkých známych povrchových vôd na zemi vykazujú sopečné jazerá najväčší rozsah hodnôt pH. PH vody v jazere môže byť mimo rozsahu, ktorý bol ľubovoľne nastavený medzi 0 (kyslé) ​​a 14 (alkalické) (Pecoraino et al., 2015). Napríklad najkyslejšie jazerá, ktoré pokrývajú vysoko aktívne sopky, môžu mať dokonca vodu s pH pod nulou.