Табиғи гейзерлер қалай жұмыс істейді

Жер қойнауында орасан зор жылу энергиясы сақталған. Бұл энергияның бір бөлігі планетаның қалыптасу кезеңінен қалған жылу болса, тағы бір бөлігі мантиядағы радиоактивті элементтердің үздіксіз ыдырауынан пайда болады. Көптеген аймақтарда бұл энергия жасырын күйде қалып, тек жанартаулық белсенділік немесе ыстық бұлақтар арқылы ғана байқалады. Бірақ Жердің кейбір сирек аймақтарында геологиялық жағдайлар ерекше үйлесім тапқанда жер астындағы жылу табиғаттың ең әсерлі құбылыстарының бірін тудырады — мезгіл-мезгіл атқылайтын гейзер. Бу мен қайнаған судың жер астынан гүрілдеп атқылап, кейде ондаған метр биіктікке көтерілуі әлемнің санаулы ғана жерлерінде байқалады: Йеллоустон, Камчатка, Исландия, Жаңа Зеландия және Чили. Бұл табиғи механизм қалай жұмыс істейтінін түсіну үшін адам қолымен жасалмаған күрделі термодинамикалық жүйеге үңілу қажет.

Гейзерлердің пайда болуына қажетті геологиялық жағдайлар

Гейзерлер кездейсоқ пайда болмайды. Олардың қалыптасуы үшін бір мезгілде бірнеше ерекше геологиялық шарттар орындалуы тиіс. Мұндай жағдайлардың бір жерде қатар кездесуі өте сирек. Сондықтан бүкіл Жер шарында шамамен мыңға жуық ғана белсенді гейзер бар, ал гейзерге ұқсас ыстық бұлақтар мен фумаролдар ондаған мыңға жетеді.

Гейзердің пайда болуы үшін келесі факторлардың жиынтығы қажет:

• магмалық ошаққа немесе жанартаулық белсенді аймаққа жақын орналасу жер астындағы суды өте жоғары температураға дейін қыздыратын тұрақты жылу көзін қамтамасыз етеді;
• жер асты су қабаттарының болуы — жаңбыр суы немесе еріген қармен толықтырылатын табиғи су қоймалары — жүйенің жұмыс істеуі үшін қажетті суды береді;
• жер астындағы арнаның ерекше геометриясы — тар, бұралмалы, әртүрлі тереңдіктегі қуыстардан тұратын құрылым — қысымның жиналуына мүмкіндік береді;
• арна қабырғаларының салыстырмалы герметикалығы кремний қосылыстары мен басқа минералдардың шөгінділері арқылы қалыптасады және бу мен судың жан-жаққа таралуына жол бермейді;
• жер қыртысының салыстырмалы тұрақтылығы гейзердің ұзақ уақыт жұмыс істеуіне мүмкіндік береді, бірақ жер сілкіністері кейде олардың жұмыс режимін өзгертіп немесе толық тоқтатып жібереді.

Йеллоустон үстірті осы шарттардың бәрі орындалған аймақтың айқын мысалы болып саналады. Оның астында әлемдегі ең ірі жанартаулық жүйелердің бірі орналасқан. Бұл жүйе бес жүзден астам гейзерді қоректендіреді, яғни Жердегі барлық белсенді гейзерлердің жартысынан астамы дәл осы жерде орналасқан.

Атқылаудың физикалық механизмі

Гейзердің жұмысын түсіну үшін оның ішіндегі судың қарапайым шәйнектегі судан неге өзгеше әрекет ететінін түсіну керек. Негізгі физикалық принцип қарапайым: судың қайнау температурасы қысымға байланысты өзгереді. Қалыпты атмосфералық қысымда су 100 °C-та қайнайды. Бірақ қысым артқан сайын қайнау температурасы да жоғарылайды. Бірнеше жүз метр тереңдікте су 200–300 °C температурада да сұйық күйінде қалуы мүмкін.

Гейзердің жұмыс циклі бірнеше кезеңнен тұрады.

1. Толтыру кезеңі алдыңғы атқылаудан кейін басталады. Бос қалған арнаға жер асты сулары біртіндеп толады. Су тау жыныстарының жарықтары арқылы өтіп, қызған аймақтарға қарай төмен ағады. Бұл процесс бірнеше минуттан бірнеше сағатқа дейін созылуы мүмкін және атқылаулар арасындағы уақытты анықтайды.
2. Қыздыру кезеңі — циклдің ең ұзақ бөлігі. Арнадағы су қызған тау жыныстарымен жанасқанда төменгі қабаттар тез қызады. Олар қайнауға тиіс температураға жетеді, бірақ үстіндегі су бағанының қысымы олардың қайнауына жол бермейді. Осылайша өте тұрақсыз жағдай қалыптасады: су қатты қызып тұрғанымен, қысымның әсерінен сұйық күйінде сақталады.
3. Іске қосу кезеңі арнаның жоғарғы қабатындағы су атмосфералық қысымдағы қайнау нүктесіне жеткен кезде басталады. Аз ғана бу пайда болғанның өзі жүйедегі қысымды аздап төмендетеді. Бұл төменгі қабаттағы қызып тұрған судың бірден қайнауына жеткілікті. Нәтижесінде су буға айналып, қысым күрт өсіп, бүкіл жүйені жоғары қарай итереді.
4. Атқылау кезеңі ең қысқа әрі ең әсерлі кезең болып табылады. Қайнаған су мен будың қоспасы үлкен жылдамдықпен арна арқылы жоғары көтеріліп, жер бетіне атқылайды. Атқылау биіктігі судың температурасына, резервуар тереңдігіне және арна геометриясына байланысты болады. Йеллоустондағы әйгілі «Old Faithful» гейзері суды 40–55 метрге дейін көтереді. Ал сол парктегі Steamboat гейзері кейде 90 метрге дейін атқылайды.

Резервуар толық босап қалғаннан кейін қысым төмендейді, атқылау тоқтайды және жүйе қайтадан толтыру кезеңіне өтеді.

Гейзер алаңдарының геохимиясы

Гейзер жүйесінде айналатын су жай ғана су емес. Ол көптеген еріген минералдарға бай және химиялық тұрғыдан өте белсенді. Мыңдаған жылдар бойы гейзерлер түзген минералдық шөгінділердің өзі ғылыми зерттеулер үшін маңызды объект болып табылады.

Гейзер алаңдарында ең жиі кездесетін минерал — кремний диоксиді немесе опал. Ыстық су оны жер астындағы жыныстардан ерітіп алып, жер бетіне шығарады. Су салқындаған кезде бұл зат шөгіндіге айналып, гейзерит немесе синтер деп аталатын ақ және сұр түсті қабаттарды қалыптастырады. «Old Faithful» гейзерінің конусы дәл осындай минералдық қабаттардан түзілген.

Гейзер алаңдарының геохимиясы бірнеше ерекше құбылысты қалыптастырады:

• термофильді микроорганизмдер — бактериялар мен археялар — ыстық бұлақтардың айналасында түрлі түсті қабаттар түзеді және судың температурасына байланысты сары, қызғылт немесе қызыл түстер пайда болады;
• жер астындағы химиялық реакциялар кезінде бөлінетін күкіртсутек гейзер алаңдарына тән ерекше иіс тудырады және суды қышқылдандырады;
• мышьяк, бор және басқа элементтердің ерітінділері көптеген организмдер үшін уытты орта жасайды, бірақ экстремофил микроорганизмдер дәл осы ортада жақсы тіршілік етеді;
• кейбір аймақтарда кальций карбонатының шөгуі травертин террасаларын түзеді, мысалы Йеллоустондағы Мамонт ыстық бұлақтары.

Осындай термофильді организмдерді зерттеу биотехнология үшін өте маңызды болды. Дәл осындай ортадан термотұрақты Taq ДНҚ-полимераза ферменті табылды. Бұл фермент қазіргі молекулалық диагностикадағы полимеразалық тізбекті реакцияның негізі болып табылады.

Әлемдегі әйгілі гейзерлер және олардың жойылу қаупі

Гейзерлер Жер бетінде өте біркелкі таралмаған. Негізгі гейзер алаңдары бірнеше аймақта ғана шоғырланған. Әрбір аймақтың өз ерекшелігі бар, бірақ олардың барлығы бір маңызды қасиетпен бірігеді — геологиялық тепе-теңдік өте нәзік.

Әлемдегі ең белгілі гейзер аймақтары мыналар:

1. Йеллоустон ұлттық паркіндегі «Old Faithful» гейзері әлемдегі ең танымал гейзер болып саналады. Ол 44-тен 125 минутқа дейінгі аралықта атқылайды. Жыл сайын оны шамамен үш миллион турист тамашалайды.
2. Камчаткадағы Гейзерлер аңғары — Еуразиядағы ең ірі гейзер алаңы. Мұнда ұзындығы шамамен алты километр болатын аңғар ішінде 90-ға жуық белсенді гейзер бар. Бұл аймақ ЮНЕСКО дүниежүзілік мұра тізіміне енгізілген.
3. Исландия гейзерлер мен ыстық бұлақтардың жылуын энергия өндіру мен тұрғын үйлерді жылыту үшін кеңінен пайдаланады. «Гейзер» сөзінің өзі исландиялық «Geysir» атауынан шыққан.
4. Чилидегі Атакама шөліндегі Эль-Татио гейзер алаңы теңіз деңгейінен 4200 метр биіктікте орналасқан. Мұндай биіктікте ауа қысымы төмен болғандықтан су шамамен 86 °C-та қайнайды.

Гейзерлерге қауіп төндіретін факторлар да бар:

• геотермалдық суды өнеркәсіп пен жылыту үшін шамадан тыс пайдалану жер астындағы қысымды төмендетіп, гейзерлердің жұмысын тоқтатуы мүмкін;
• туризм кейде гейзер арналарын тиындармен немесе қоқыспен бітеп, жүйенің табиғи жұмысын бұзады;
• жер сілкіністері жаңа гейзерлердің пайда болуына да, бұрынғы гейзерлердің жойылуына да себеп болуы мүмкін;
• климаттың өзгеруі жер асты су жүйесіне әсер етуі ықтимал.

Гейзерлер — геология, гидрология және термодинамика тоғысындағы ерекше табиғи құбылыс. Олар адам жасаған ең күрделі техникалық құрылғылар сияқты дәл физикалық заңдарға бағынады. Олардың сиректігі мен нәзіктігі әрбір гейзерді ерекше табиғи құндылыққа айналдырады. Ғылым олардың жұмыс істеу механизмін зерттеуді жалғастыруда. Заманауи компьютерлік модельдер гейзер арналарын дәл зерттеуге мүмкіндік берді. Осындай зерттеулер тек бір табиғи құбылысты түсінуді ғана емес, бүкіл планетамыздың геологиялық процестерін тереңірек тануға көмектеседі.