Систематика пирокластических пород опирается в первую очередь на размерность содержащихся в них обломков. Этот принцип сохраняется и в общесоюзной и в международных классификациях. Однако существует полное несоответствие в шкале размеров, применяемой у нас и за рубежом.
В нашей стране принята десятеричная шкала, в которой основные подразделения ограничены преимущественно числами, кратными десяти или отвечающими половине очередного десятка. На том же принципе подразделения размеров основана у нас соответствующая шкала для обломочных осадочных пород. Впрочем, пока еще строгое соответствие той и другой отечественной шкалы тоже не достигнуто и они нуждаются в дальнейших уточнениях в целях сохранения единообразия подходов к классификации.
На западе для тех и других пород широко применяется шкала, предложенная еще в 1922 г. Вентворсом и сохраняющаяся в первоначальном виде посейчас. В этой шкале приняты границы, отвечающие ряду цифр, следующих порядку геометрической прогрессии (256, 64, 32, 4, 2, 1 1/4, 1/16, 1/256). Такие градации приняты и в зарубежной систематике обломочных осадочных пород. Таким образом, совместить эту размерность с нашей очень трудно.
В нашей стране попыткой найти единый подход к систематике обломочных осадочных и пирокластических пород является схема, предложенная автором в 1971 г., в рамках которой были проведены сопоставления с систематикой пирокластических пород Вентворса и Вильямса. В этой схеме по размеру обломков выделены три группы пород: пирокластические (в отличие от лавовых) вулканические брекчии (более 100 мм), туфолапиллиты (100—10 мм) и туфы (менее 10 мм). В отечественной шкале осадочных пород это отвечает границам валуны — галька (100 мм) и галька — гравий (10 мм).
В используемой зарубежными исследователями систематике вулканические брекчии, включающие глыбовые и бомбовые обломки, а также соответствующей размерности агломераты и агглютинаты первоначально были ограничены пределом 32 мм, а лапилли — рамками 32—4 мм. Однако позднее Вильямс и Мак Бирней, следуя предложению Фишера, указали на предпочтительность поднятия верхней границы лапилли до 64 мм, а для аккреционных лапиллей (или вулканических пизолитов) — до размеров куриного яйца, т. е. до 50—60 мм, а в немногих случаях даже до 150 мм. Таким образом, верхняя граница лапилли в нашей и зарубежной шкале сейчас существенно сблизились. Что касается нижней границы лапилли, то ее совмещение с нашей вполне возможно, если включить в эту группу пород также и те туфы, которые по размерам представляют аналогию гравию осадочных пород. В этом случае к туфолапиллитам необходимо будет отнести также гравийные туфы с вариациями размеров от 1 до 10 мм. В совместной работе Вильямса и Мак Бирнея, а также у Р. Фишера нижняя граница лапилли снижена теперь уже до 2 мм, т. е. мало отклоняется от соответствующей границы гравийных туфов нашей систематики. Таким образом, сейчас вполне возможно согласовать ранее представленную нами систематику, переместив в ней границу между туфолапиллитами и туфами с 10 на 1 мм, а также дополнительно выделив собственно лапиллиты размерами 100—10 мм.
В итоге общая систематика будет включать породы следующей размерности, строго совпадающей с принятой в нашей стране для осадочных пород: пирокластические вулканические брекчии размером от 100 мм и более, лапиллиты — от 100 до 10 мм, туфолапиллиты — от 10 до 1 мм и туфы — менее 1 мм. Внутри каждой из этих групп могут быть выделены по указанным в названной таблице размерам крупно-, средне- и мелкозернистые породы соответствующего типа. Такое разделение совпадает с принятой у нас шкалой размерности для обломочных осадочных пород и сравнительно мало отличается от зарубежной шкалы размера обломков пирокластических пород.
Кроме размера обломков, в систематике пирокластических пород важным диагностическим признаком является их состав. Он может существенно варьировать в зависимости от состава продуктов извержений. Поэтому пирокластические породы могут быть базальтовыми, андезитовыми, риолитовыми или иными более сложными, если в их образовании участвовали выбросы разного состава. Следует иметь в виду, что эти выбросы могут быть представлены фрагментами пород, минералов или стекол, вследствие чего среди них можно различать, как это давно известно, витро-, кристалло — и пирокластические породы. Эти названия обычно относят к туфам, но они могут быть приложены также к туфолапиллитам и лапиллитам.
Представлена общая классификационная схема пирокластических пород, приведенная в соответствие с принятой в нашей стране систематикой обломочных осадочных пород. В случае присутствия в породах одновременно обломков разной размерности необходимо выражать соотношение обломков разной размерности на основании соответствующих подсчетов в процентах.
В общей систематике пирокластических пород следует учитывать различия между цементированными и рыхлыми их разновидностями. Рыхлые породы, по предложению С. Тораринсона, теперь обычно называют тефровыми отложениями; соответственно могут быть выделены тефровые вулканические брекчии, тефровые лапиллиты, туфы и т. д. Если перед названием породы нет слова «тефровый», имеются в виду уплотненные, цементированные породы. Для цементированных пирокластических пород следует выяснять пути и способы их уплотнения и цементации. Дело в том, что в обычных осадочных породах цементация происходит вследствие различных диагенетических и эпигенетических процессов, либо сопровождаемых выделением в поровых пространствах породы минералов, кристаллизующихся из циркулирующих в породе водных растворов, либо обусловливающих различные преобразования рыхлого детритуса или другие явления, тогда как для пирокластических пород возможны и принципиально иные процессы цементации.
Прежде всего из-за присутствия в рыхлом пирокластическом материале легко разложимого вулканического стекла явления диагенеза и эпигенеза в пирокластических породах протекают очень энергично и приводят к сложному минералообразованию. На примере изучения нижнекаменноугольных и девонских отложений Минусинского прогиба Г. Н. Бровков с соавторами показали, что «с переработкой вулканического пепла на стадиях диагенеза и эпигенеза связана генерация огромных масс кремнезема и силикатов — альбита, адуляра, анальцима, турмалина, хлорита, монтмориллонита, частично эпидота, актинолита, родусита, каолинита, а также пирита, глауконита, сфена, возможно, флюорита и других минералов, в переменных количествах входящих в состав различных туфов, туффитов, туффитовых терригенных и карбонатных пород. Вследствие этого пласты пепловых туфов превращаются с течением времени в существенно альбитовые, анальцимовые, кварц-адуляровые, кварц-альбитовые, бентонитовые и более сложного состава породы, которые нередко утрачивают первичные черты».
Цементация материала, выбрасываемого при эксплозивных извержениях, происходит еще и вследствие спекания сравнительно сильно разогретого или расплавленного материала. Лавовые выплески, естественно, спекаются таким образом всегда. Но если лава выбрасывается сравнительно далеко и она не слишком перегрета, так что в полете успевает застыть, то ее спекание может не произойти. Более тонкая пирокластика может спекаться в палящих тучах, подобных возникшим при извержении вулкана Пеле на о-ве Мартиника в 1902 г., когда в течение нескольких минут был уничтожен г. Сен-Пьер со всем его 30-тысячным населением. В изученных впервые на этом вулкане палящих тучах, описанных Лакруа и сейчас широко известных на многих других вулканах, температура превышала 700° С.
Раскаленные обломки, падающие на землю из таких или обычных пепловых туч, а также скатывающиеся в виде газово-эмульсионной взвеси по склонам вулкана, нередко распространяющиеся на обширные территории в виде плащеобразного покрова, как бы слипаются друг с другом вследствие того, что, будучи нагретыми, находятся в вязкопластическом состоянии. Все это вызывает уплотнение рыхлой массы пирокластики и образование пород, названных первоначально Иддингсом в 1885 г. «сваренными» на примере соответствующих образований Йеллоустонского национального парка в США. Сейчас их именуют спекшимися туфами, спекшимися лапиллитами и т. д.
Аналогами этих пород являются известные в различных районах мира породы, получившие название «игнимбриты», или «туфолавы». Им посвящено огромное число работ, написанных как виднейшими вулканологами и петрологами, так и рядовыми исследователями. Термин «туфолавы» был введен для подобных пород Абихом в 1882 г., игнимбритами же их назвал в 1935 г. Маршалл. Примером для Абиха послужили спекшиеся породы Армении, для Маршалла — такие же породы Новой Зеландии. К наиболее ранним эталонам такого типа пород относятся описанные еще в 1809 г. Бухом итальянские пиперно, из которых построены многие здания в Неаполе. Вопрос о природе этих пород вызывает различные дискуссии. Предполагается возможным их образование в результате вулканических извержений катмайского типа 1912 г. При этом извержении возникла Долина Десяти Тысяч Дымов, заполненная плащеобразно залегающими отложениями, возникшими в результате деятельности предполагаемых Феннером раскаленных туч, вырывавшихся из трещин и формировавших обширные потоки пирокластики, или «песчаные» потоки, которые сейчас называют обычно пирокластическими потоками. Объясняя происхождение спекшихся туфов или игнимбритов Армении, соответствующих туфолавам Абиха, А. Н.Заварицкий также следовал концепции Феннера—Маршалла, недостатком которой является отсутствие прямых наблюдений над ходом Катмайского извержения, изученного много позже, чем оно произошло. К тому же среди пирокластического материала Долины типичные для спекшихся пород, называемых игнимбритами, «фьямме» не были обнаружены при посещении Катмайского вулкана итальянскими и французскими вулканологами в 1962 г. Следует отметить, что фьямме (по-итальянски — пламя) представляют собой включения, типичные для итальянских пиперно и соответственно для наиболее представительных пород, называемых игнимбритами. Такие включения имеют линзообразную или пламевидную форму и размеры, не превышающие нескольких сантиметров. Иногда они сливаются в сравнительно протяженные слои. Эти включения сложены темно-серым или иной окраски стеклом, погруженным в относительно менее плотную массу породы.
Представления об образовании спекшихся пород, в том числе игнимбритов или туфолав, в результате извержений, сопровождаемых выбросом обильного пирокластического материала, были выдвинуты еще в прошлом столетии Добени, Дель-Эрбо, в нынешнем веке их поддержали Замбонини, частично — Ритман считавший их сварными шлаками, позднее — Маршалл и А. Н. Заварицкий. Однако этим взглядам противопоставляются построения, в которых рассматриваются различные способы образования спекшихся пород типа игнимбритов или туфолав в результате лавовых излияний. Известно, что итальянские пиперно считали лавовыми образованиями Бух, Абих, назвавший эти породы туфолавами, а в текущем столетии — Ф. Ю. Левинсон-Лессинг, П. И.Лебедев, Грендж, В. П.Петров, В. И. Влодавец, Стейнер, К. Г. Ширинян и др. В поисках ответа на вопрос о природе игнимбритов были предложены также разнообразные названия для различных разновидностей игнимбритов (игниспумиты, игнимульситы и т. п.), что в общем оказалось малоэффективным в аспекте разработки этой трудной проблемы и чему не рекомендуется следовать.
Взгляды на происхождение игнимбритов, известных по типовым для них эталонам (пиперно Италии, сваренные туфы Йеллоустонского парка в США, туфолавы-игнимбриты Армении, игнимбриты Новой Зеландии и др.), в общем противоречивы, поэтому составить единое представление о способе образования этих пород практически невозможно. Однако в целом выявляется некоторая эволюция взглядов, выраженная в ясно намечающемся отходе от первоначальных концепций, связанных с представлениями Маршалла, предполагающим возможность прямого сопоставления игнимбритов с продуктами эксплозий катмайского типа в понимании Феннера (как выбросов материала в виде «песчаных» потоков из системы трещин). Почти для всех эталонов, включая новозеландские игнимбриты, в последнее время представлены концепции, развивающие взгляды на лавовое происхождение игнимбритов. Тем самым определилось более осторожное, чем раньше, и более ясно выраженное критическое представление об игнимбритах как пирокластических образованиях, связанных с выбросом массы пепловых частиц и последующим их спеканием.
В этой сложной ситуации Ритман предпринял попытку объяснить механизм игнибритовых извержений, исходя из представлений о перетекающих через край кратера палящих тучах. Подчеркивая, что игнимбриты он рассматривает как вулканиты, образующие обширные покровы, состоящие преимущественно из спекшихся стекловатых пеплов, Ритман анализирует процесс эксплозионной дегазации извергаемой магмы на примере идеальной модели. В этой модели дегазация очень вязкой магмы характеризуется следующими четырьмя состояниями (снизу вверх): 1) гипомагма — гипогенный расплав с молекулярно рассеянными газами, 2) пиромагма — газовые пузыри в расплаве, 3) двойное пространство — остов расплава с непрерывной газовой фазой и 4) палящее облако — суспензия частиц расплава в раскаленных газах.
Как считает Ритман, магма проходит эти четыре состояния по-разному, в зависимости от ее вязкости. При весьма текучей магме состояния 3 и 4 не достигаются, и извержение приобретает вид лавовых выплесков и фонтанов. При менее текучей магме расплав оказывает значительное сопротивление расширению газовых пузырей, вследствие чего газовое давление становится болыие гидростатического давления нагрузки. В таких условиях дегазация происходит близ поверхности взрывообразно и развивается подобно цепной реакции вниз, пока гидростатическое давление и сопротивление среды не окажутся большими, чем внутреннее давление газовых пузырей. Возникает извержение пепла, при котором жерло играет роль стреляющей трубки, из которой с огромной скоростью выбрасывается на большую высоту эксплозионная туча. При вязко текучей магме вспенивающаяся пиромагма приобретает сильное внутреннее давление и газы в ней освобождаются и перемещаются взрывоподобно. Поэтому еще вязкие обрывки пиромагмы с силой вылетают из жерла в виде пемзы; одновременно образуется стекловатый пепел. При часто повторяющихся извержениях подобного типа возникают ниспадающие тучи, в которых пепел и пемза разогреты, но не раскалены, а горячие пузыри газов могут вызвать автопневматолиз эксплозивного материала, но не его спекание. Наконец, при очень вязкой магме эксплозивный уровень оказывается расположенным близко к поверхности, так что цепная реакция разрыва газовых пузырей оказывается возможной лишь в самой верхней части магматической колонны. При этом достигается третья стадия развития (двойное пространство) и происходит эксплозивное, выделение газов, разрыв остова расплава и образование палящей тучи.
Существенное уменьшение массы газов, извергаемых через поверхность в определенный интервал времени, а также обилие обрывков расплава и кристаллов в этой массе делают невозможным подъем палящей тучи на большую высоту. К тому же небольшая глубина эксплозивного уровня исключает подчинение палящей тучи влиянию жерла как ствола пушки. Палящая туча в этом случае устремляется не вверх, а стекает во все стороны как жидкость. В такой переливающейся через край палящей туче обрывки лавы выделяют газы и потому поддерживаются во взвешенном состоянии, образуя исключительно подвижную и быстро растекающуюся суспензию. Именно из подобного рода туч, как считает Ритман, возникают типичные игнимбриты со спекшимися обрывками стекла и кристаллами. Так как образование этим путем больших масс игнимбритов в ограниченное время через центральный канал невозможно, Ритман предполагает, что крупные игнимбритовые потоки образуются при трещинных извержениях. Такие трещины могут быть кольцевыми, опоясывающими крупные вулканические постройки и возникающими вследствие перегрузки основания этих построек, и их эксплозивная поверхность в сотни раз больше, чем центрального канала. Таким образом, сочетание кольцевых трещин с полями игнимбритов и кальдерами, что представляет типичную картину, Ритман рассматривает как наглядный пример генетических связей между этими на первый взгляд разнородными явлениями.
В сложной ситуации разноречивых взглядов на происхождение игнимбритов вполне естественной представляется предпочтительность вообще ограничиться описанием характерных черт тех или иных туфов, туфолапиллитов или собственно лапиллитов, которые следует сопровождать указаниями на большую или меньшую степень спекания слагающего их пирокластического материала. Такое стремление наглядно выявилось у японских вулканологов, которые, проводя в 1981 г. симпозиум по вулканизму островных дуг и демонстрируя типичные для их страны потоки спекшихся туфов, постоянно отмечали лишь степень спекания пород, но избегали называть их игнимбритами или туфолавами.
Как и другие пирокластические породы, спекшиеся туфы разнообразны по составу, хотя чаще встречаются кислые туфы такого типа. Впрочем, известны спекшиеся туфы не только риолитовые, но также трахитовые и андезитовые. В целом они преимущественно распространены в тех областях, в которых широко проявлен кислый вулканизм в его разнообразных формах. Поэтому Дэли выдвинул для риолитовых спекшихся туфов Йеллоустонского парка идею, предполагающую, что они образовались вследствие вскрытия кровли огромного батолита, т. е. в результате образования обширной «площадной экструзии». Эту идею позднее поддержали А. Баддингтон и Е. К. Устиев, указав на соизмеримость объемов, занимаемых спекшимися туфами (игнимбритами) риолитовых плато различных территорий мира, с объемами крупных гранитоидных батолитов. В качестве одного из примеров А. Баддингтон привел данные подсчета вулканической серии Потози в горах Сан-Хуан (Колорадо), показывающие, что она эквивалентна по объему гранитному батолиту площадью 415 км2 и глубиной 16 км.
Мощности толщ, сложенных спекшимися туфами, варьируют в широких пределах. Маршалл определил интервал от 20 до 170 м, вообще же известны вариации от сантиметров до сотен метров. Спекшиеся дацитовые туфы Верхнего озера имеют мощность около 500 м (по Питерсону), в горах Сан-Хуан флюидальные риолитовые спекшиеся туфы в докальдерную стадию дали толщу около 1200 м мощности, а в посткальдерную — 1300 м. Обычна связь спекшихся туфов с кальдерами, что Вильямс связывал с сильнейшими эксплозиями, приводящими к исчерпанию магматической камеры на глубине и последующему обрушению, вызывающему образование кальдеры. Однако Стейнер считает, что спекшиеся туфы возникают в результате трещинных извержений.
Очень типичной чертой спекшихся туфов следует считать их особенность, выраженную в способности удерживать вертикальные обрывы или искусственные стенки высотой в несколько десятков метров.
В целом разнообразные пирокластические породы варьируют, как отмечено в самом начале этого раздела, прежде всего по размерам слагающего их обломочного материала. Соответственно могут быть выделены вулканические брекчии, лапиллиты, туфолапиллиты и туфы с подразделением внутри каждой из групп пород тоже по размерам кластики. Кроме того, эти породы могут различаться по составу кластического материала и отвечать всему набору вулканических пород: базальтам, андезитам, риолитам и т. д. Здесь следует подчеркнуть, что обломки пирокластических пород могут иметь вместе с тем различную природу по отношению к извержениям, синхронным их образованию. Эти обломки могут быть представлены либо фрагментами лавы, извергающемся одновременно с образованием пирокластических пород, либо обломками лав и других пород существовавшей ранее вулканической постройки. Такие обломки пород, отвечающих лавам предыдущих извержений, носят название резургентного материала, тогда как обломки чужеродных пород обычно именуют эпикластическими.
Все пирокластические породы в целом могут быть либо рыхлыми, тефровыми, либо уплотненными или сцементированными, либо, наконец, спекшимися. Спекание кластического материала вызывается высокой температурой обломков, попадающих в зону его накопления, где формируются пирокластические породы. Такое спекание типично для пирокластических потоков, представляющих результат вулканической деятельности, споровождаемой образованием палящих туч из газово-эмульсионной взвеси, стекающей с огромными скоростями по склонам вулкана или выбрасываемой из различных систем трещин.