Гейзерлер қалай пайда болады

Жер ешқашан толығымен тыныш болмайды — беті тыныш және қозғалмайтын болып көрінетін жерде де, тереңде көрінбейтін өмір қайнайды. Ыстық бастаулар, фумаролалар мен батпақты қазандар бұл жасырын белсенділікті еске салады, алайда олардың ешқайсысы гейзермен — ыстық суды және буды ондаған метр биіктікке мерзімді түрде лақтыратын табиғи фонтанмен — зрелищелілік жағынан теңесе алмайды. Гейзерлер планетаның тек бірнеше жерінде кездеседі, және олардың әрқайсысы ғалымдар XX ғасырда ғана толық шешкен принциптер бойынша жұмыс істейтін бірегей жүйені білдіреді. Бұл табиғи механизмнің қалай орналасқанын түсіну — планетамыздың геологиясындағы ең баурап алатын процестердің біріне қол жеткізу дегенді білдіреді.

Гейзер дегеніміз не және олар қайда кездеседі

Гейзер — суды және буды қысыммен мерзімді түрде лақтыратын арнайы типтегі ыстық бастау. Оны қарапайым термалды бастаудан ажырататын басты нәрсе — цикличность: гейзер үздіксіз ақпайды, белгілі бір кезеңмен «зарядталады» және «разрядталады», ол әртүрлі үлгілерде бірнеше минуттан бірнеше жылға дейін өзгереді.

Гейзерлер — табиғаттың сирек құбылысы. Олардың өмір сүруі үшін дүние жүзінің тек бірнеше аймағында ғана кездесетін өте арнайы жағдайлардың үйлесімі қажет:

• АҚШ-тағы Йеллоустон ұлттық паркі — планетадағы белгілі гейзерлердің шамамен жартысы болатын дүниедегі ең ірі гейзерлер жинағы;
• Исландия — барлық құбылысқа атын берген атышулы Үлкен Гейзирді қоса алғандағы маңыздылығы жағынан екінші аймақ;
• Ресейдің Камчатка түбегі — жүзден астам белсенді бастауы бар Гейзерлер алқабы;
• Жаңа Зеландия — көптеген бастаулары мен гейзерлері бар геотермалды белсенді ел;
• Чили мен Кения, онда гейзерлер едәуір сирек кездеседі.

«Гейзер» сөзінің өзі исландиялық «Geysir» атауынан шыққан — нақты бастаудың аты, ол өз кезегінде «Geysa» — «атыздату», «ағын болу» деген ескандинавиялық етістіктен атауын алды.

Гейзер пайда болуы үшін қажетті жағдайлар

Гейзер қалаған жерде пайда бола алмайды — ол бірнеше қатаң жағдайлардың бір мезгілде орындалуын талап етеді. Дәл осі себептен планетаның вулкандық белсенді аймақтарының басым бөлігінде ыстық бастаулар жеткілікті болса да бірде-бір гейзер жоқ.

Бұл табиғи фонтанның қалыптасуы үшін үш негізгі компонент қажет.

1. Жеткілікті қуаты бар жылу көзі — әдетте салыстырмалы түрде бетке жақын орналасқан магмалық ошақ немесе ыстық вулкандық жыныс. Жер асты жыныстарының температурасы суды қайнату үшін жеткілікті болуы, ал идеал жағдайда — одан да жоғары болуы тиіс. Йеллоустонда магма тек бірнеше шақырым тереңдікте жатады, бетке орасан зор жылу ағынын қамтамасыз етеді.
2. Жарықтар мен жыныс кеуектері арқылы жерге сіңетін жеткілікті мөлшердегі су. Негізгі көзді жылдар бойы бірте-бірте тереңге сіңетін жаңбыр мен еріген сулар болып табылады. Бір су молекуласының беттен гейзер каналына және кері жолы бірнеше жүзден бірнеше мың жылға дейін созылуы мүмкін.
3. Арнайы конфигурациядағы жер асты каналдары жүйесі — тек жарықтар ғана емес, судың уақытынан бұрын қайнап, сыртқа шықпауына кедергі жасайтын «тығын» немесе тарылуы бар жүйе. Бұл ең сирек және арнайы жағдай: белгілі бір геометриядағы, ыстық судың әсеріне төзімді жыныстан қаланған каналдар қажет. Дәл осі себептен гейзерлер геотермалды белсенді аймақтарда да өте сирек.

Аталған жағдайлардың кез келгенінің болмауы гейзердің пайда болуын мүмкін емес ете түседі — оның орнына қарапайым ыстық бастау, фумарола немесе батпақты қазан пайда болады.

Атқылау механизмі қалай жұмыс істейді

Гейзердің жұмыс принципі таңғажайып сәйкес. Мәні «қысым астындағы сұйықтықтың қызып кетуі» деп аталатын физикалық құбылысда жатыр — су белгілі жағдайларда бу болып айналмастан қайнау нүктесінен едәуір жоғары қызуға мүмкіндік береді.

Жердің бетіндегі қалыпты жағдайларда су жүз Цельсий градусында қайнайды. Алайда жоғарылатылған қысымда қайнау нүктесі артады — дәл осы принцип бойынша асхана қысым плитасы жұмыс істейді. Жер астындағы бірнеше жүз метр тереңдікте жоғарыдағы судың қысымы сұйықтықты парға айналмастан 120, 150 және тіпті 200 градусқа дейін қыздыруға мүмкіндік береді.

Атқылау циклі бірнеше кезектес фазаны қамтиды.

1. Толтыру фазасы алдыңғы атқылаудан кейін бірден басталады. Суық жер асты сулары бірте-бірте каналдар жүйесін толтырып, бір мезгілде қоршаған ыстық жыныстардан қызады. Бұл процесс баяу жүреді — жүйенің көлемі мен қыздыру қарқындылығына байланысты ол бірнеше минуттан бірнеше жылға дейін созылады.
2. Қызып кету фазасы каналдағы судың төменгі қабаттары сыни температураға — жүз градустан едәуір жоғары — жеткенде басталады. Оларға қайнауға жоғарыдағы су бағанасының қысымы кедергі жасайды — су неғұрлым терең орналасса, оның үстіндегі сұйықтық бағанасы соғұрлым биік және қысым соғұрлым жоғары. Жүйе жарылыс тәрізді разрядқа дайын тұрақсыз тепе-теңдік күйінде тұрады.
3. Іске қосу сәті, әдетте, каналдың жоғарғы бөлігіндегі қысымның аздап азаюымен байланысты — мысалы, аз мөлшерде судың буланып кетуінен немесе жай сыни температураға жетуден. Қысым сәл азайысымен төменгі бөліктегі қызып кеткен су лезде бу болып айналып, көлемі жүздеген есе артады. Бұл жарылыс тәрізді өту жоғарыдағы су бағанасын сыртқа орасан зор күшпен итереді.
4. Атқылау фазасы қызып кеткен су қоры таусылмайынша бірнеше секундтан бірнеше минутқа дейін жалғасады. Лақтыру биіктігі жүйенің тереңдігіне, судың температурасына және каналдың көлеміне байланысты. Йеллоустондағы ең ірі белсенді гейзер «Стимбоут» суды 90 метрге дейін биіктікке лақтырады.
5. Суу мен қайта зарядталу фазасы атқылау аяқталғаннан кейін лезде басталады. Каналға жаңа суық су түсіп, жаңа қыздыру циклін бастайды. Дәл осы фазаның ұзақтығы нақты гейзердің атқылаулар арасындағы аралығын анықтайды.

Атқылаудан кейін қызып кеткен жүйе іс жүзінде қысымды толығымен тастайды, және цикл бастапқыдан қайтадан басталады.

Кремний диоксидінің рөлі және гейзер каналдарының ерекшеліктері

Кез келген тау жынысы гейзер каналдарының қалыптасуына жарамайды — материалдардың басым бөлігі ыстық қышқылды судың әсерінен бұзылады. Нағыз гейзердің басты құрылыс материалы кремний диоксиді — «гейзерит» деп аталатын арнайы гидратталған нысанындағы кремнезем.

Гейзерит ыстық кремниялық судан каналдардың қабырғаларында шөгеді және бірте-бірте жүйені қоршаған жыныстардан оқшаулайтын берік, химиялық тұрақты «шұлық» жасайды. Бұл процесс мыңдаған жылдарды алады, алайда дәл ол гейзер каналын берік және герметикалық ете түседі. Гейзер кратерлерінің айналасындағы тән ақ және кілегей ағыстар — мыңдаған жылдық атқылаулар шөккен гейзерит.

Жер асты каналдарының құрылыс ерекшеліктері принципті маңызды. Идеалды гейзер каналының негізгі сипаттамалары арасынан мыналар ерекшеленеді:

• белгілі тереңдікте тарылу немесе «тығын» болуы, қысымды ұстап тұрып, судың төменгі қабаттарының уақытынан бұрын қайнауының алдын алады;
• каналдың жеткілікті ұзындығы — неғұрлым терең болса, төменгі бөліктегі қысым соғұрлым жоғары және су соғұрлым қызып кете алады;
• жүйенің көрші су қабаттарынан оқшаулануы — болмаса қысым үздіксіз теңеседі де жарылыс болмайды;
• жоғарғы бөліктің жеткілікті өткізу қабілеті, судың және будың ақылға қонымды уақытта сыртқа шығуына мүмкіндік береді.

Каналдың геометриясындағы ең аз өзгеріс — мысалы, жер сілкінісі немесе минералдардың шөгуінен — гейзердің мінез-құлқын мәңгілікке өзгертуі немесе оны толығымен сөндіруі мүмкін.

Неліктен кейбір гейзерлер тұрақты, ал басқалары болжанбайды

Гейзерлердің ең баурап алатын ерекшеліктерінің бірі — олардың тұрақтылығының әртүрлі дәрежесі. Йеллоустондағы атышулы «Сенімді қария» тарихи тұрғыдан кесте жасауға жеткілікті дәлдікпен әр 60-90 минут сайын атқылады. Басқа гейзерлер жылдар бойы ұйықтайды, содан кейін бірнеше күнге кенеттен оянады.

Тұрақтылық бірнеше факторлармен анықталады. Жүйенің көлемі — неғұрлым үлкен болса, соғұрлым ұзақ қыздыру және тиісінше атқылаулар арасындағы ұзағырақ аралық. Су ағынының тұрақтылығы мен жылу ағынының тұрақтылығы да рөл атқарады — бұл параметрлердегі кез келген тербелістер гейзердің тұрақсыз мінез-құлқына алып келеді. Соңында, сейсмикалық белсенділік гейзердің ырғағын лезде өзгерте алады: 1959 жылғы Йеллоустондағы ірі жер сілкінісінен кейін көптеген бастаулар режимін өзгертіп, кейбіреулері мәңгілікке сөнді.

Гейзерлер бір рет түсінілгеннен кейін таңқалдыруын тоқтатпайтын, керісінше механизмді білу жер асты фонтанының қаншалықты дәл және кездейсоқ емес екеніне деген таңданысты күшейтетін табиғат құбылыстарының бірі болып табылады. Бұл табиғи машиналар техникалық қызмет көрсетусіз мыңдаған жылдар бойы тек физика мен геологияның заңдарына ғана бағынып жұмыс істейді. Адамның іс-қимылы немесе жер асты жағдайларының өзгеруі нәтижесінде олардың жоғалуы кейбір табиғи кереметтердің нәзік тепе-теңдік шегінде өмір сүріп, мұқият қарым-қатынасты қажет ететінін еске салады.