Inside videnskabsmænds livreddende forudsigelse af Islands udbrud | Quanta Magasinet

Den november 10, 2023, Kristín Jónsdóttir, leder af det islandske meteorologiske kontors afdeling for vulkanforskning, havde en sjælden fridag. "Det var min 50 års fødselsdag," sagde hun. Så begyndte alt at ryste. Hun ville bruge dagen på at stirre på sin telefon og se jordskælvene blomstre hen over kort over Islands Reykjaneshalvø.

Halvøen oplever sprækkeudbrud, hvor jorden flækker og lava vælter ud. Siden slutningen af ​​oktober har opmærksomheden været fokuseret på halvøens Svartsengi-region - hjemsted for det populære Blue Lagoon spa, et geotermisk kraftværk og kystbyen Grindavík. Halvøens sidste tre sprækkeudbrud havde oversvømmet isolerede dale med ild. Men nu var byen truet.

Malstrømmen af ​​rystelser den 10. november afslørede, at en nedgravet magmatisk flod havde snoet sig vej mod Grindavík og dens 3,600 indbyggere. Mere foruroligende var det, at et dige - et lodret magmakrop, der ligner et gardin af flydende ild - var sprunget op fra den underjordiske flod og stoppede bare genert af overfladen.

Hurtigt evakuerede myndighederne byen. Og så ventede alle.

Den 18. december kløvede en vulkansk sprække jorden mod byens nordøst og malede den vinterlige jord med smeltet sten. Det intense udbrud varede et par dage og holdt sig uden for Grindavík.

Så klokken 3 om morgenen den 14. januar blev de få beboere, der var vendt tilbage til deres hjem, vækket af klaxoner og tekstbeskeder, der fortalte dem, at de skulle flygte. Endnu et udbrud havde invaderet byen. Da det sluttede 60 timer senere, var flere huse blevet opslugt, men ingen var døde.

Grindavíks indbyggere skylder deres liv til proaktive lokale myndigheder, beredskabsledere og undersøgelsen af ​​Jordens indre. Forskere havde sporet magmaens bevægelse ved at afkode seismiske bølger og forvrængninger i planetens skorpe. Ved at kortlægge halvøens vulkanske VVS bygger de en bedre forståelse af, hvordan vulkanisme fungerer generelt, samtidig med at de sigter mod at give endnu mere præcise lokale prognoser i fremtiden.

Der arbejdes løbende; denne vulkankrise er langt fra forbi. En halvø, der ikke havde set et udbrud i 800 år, er nu vågnet op, og geologiske beviser tyder på, at udbrud kan fortsætte i år, årtier eller endda århundreder.

"Vi har kun set en brøkdel af lavaen komme op," sagde Jónsdóttir. "Naturen er grum."

Geofysikkens magt

Sprækkeudbrud - som også forekommer andre steder i Island, såvel som i Hawaii og (flere årtusinder siden) Idaho, New Mexico og Californien - er svære at forudsige. I modsætning til klassiske vulkanudbrud med en bjergrig landform, er det svært at forudsige præcis, hvor sprækkerne vil materialisere sig.

Reykjanes-halvøens sprækkevulkanisme er særlig ejendommelig. Gamle lavastrømme, nu frosset på plads, afslører, at udbrud har ramt regionen i mange år ad gangen, men at vulkansk aktivitet på begge sider af disse episoder var fraværende i århundreder. Den sidste periode med udbrud sluttede i 1240, og det var den tredje af sin slags på halvøen gennem de sidste 4,000 år, hvor hver klynge er adskilt af omkring otte århundreder. Men hvorfor eksisterer denne omkring 800-årige periodicitet? "Vi ved det stadig ikke, for at være ærlig," sagde Alberto Caracciolo, en geolog ved Islands Universitet.

At der overhovedet er vulkanisme er ikke chokerende. Halvøen sidder på toppen af ​​en kappefane - en varmekilde stiger fra Jordens kerne-kappe grænse. Og den skræver over den midtatlantiske højderyg, en sutur, der er udsat for udbrud mellem de eurasiske og nordamerikanske plader. Reykjaness tektoniske rastløshed har gjort området til et af de mest undersøgte vulkanske områder i verden.

Så i 2020, da titusindvis af jordskælv begyndte at ryste halvøen, og jorden begyndte at svulme op, havde videnskabsmænd mistanke om, at tumulten kunne være en optakt til en vulkansk forestilling, der var undervejs i otte århundreder. De skulle kun finde ud af hvor. 

Jagt Magma

Når magma bryder sten dybt i jordskorpen, skaber det jordskælv med tydelige signaturer. Disse seismiske bølger og deres egenskaber giver videnskabsmænd de mest umiddelbare - og mindst tvetydige - spor om tilstedeværelsen og migrationen af ​​magma. Under en vulkankrise, "hvis du kun kunne have én ting," sagde Sam Mitchell, en vulkanolog ved University of Bristol, "det ville være det."

Magma på farten, hvis den er lavvandet nok, deformerer også jorden mærkbart. Satellitter bruger radar til at identificere ændringer i højden i løbet af timer, dage eller uger. Jordbaserede GPS-stationer giver også højopløsningsinformation i realtid om højdeændringer.

Jónsdóttir har mistanke om, at kakofonien af ​​jordskælv, der begyndte i 2020, skyldtes både magmatisk migration og bevægelsen af ​​tektoniske plader. På Island skiller de eurasiske og nordamerikanske plader sig ikke rent ad, men skraber mod hinanden, mens de skifter. Mellem eruptive cyklusser opbygges masser af tektonisk stress. Så, når magma orme sig ind i underjordiske sprækker langs denne grænse, udløser det frigivelsen af ​​denne spænding i form af kraftige og hyppige jordskælv.

I begyndelsen af ​​2021 skiftede denne magmatiske maskine dog gear. Både højdeændringer og seismisk tumult antydede, at magma samlede sig under Fagradalsfjall, en lille vulkanhøj ved siden af ​​en ubeboet dal. I mange måneder havde langvarige jordskælv rystet i halvøens dybe skorpe. Disse typer jordskælv "er blevet set nedenunder andre vulkaner over hele verden, og er stadig ikke fuldt ud forstået,” sagde Tom Winder, en vulkanseismolog ved Islands Universitet. Selvom det er gådefuldt, antyder de, at der sker noget langsomt - den gradvise fragmentering af varm sten, måske, eller magma-klatter, der klemmer sig gennem en indsnævring.

Så, den 19. marts 2021, brød halvøen ud for første gang i otte århundreder. I seks måneder sprang smeltet stof op fra en sprække ved siden af ​​Fagradalsfjall. To kortere udbrud fulgte, i somrene 2022 og 2023.

Bortset fra de bas-lignende rystelser i lang tid, antydede den overordnede seismiske symfoni, der gik forud for de tre Fagradalsfjall-udbrud, at magma tog en usædvanlig rute til overfladen. I stedet for at samle sig i den lavvandede skorpe, syntes smeltet sten at svæve direkte til overfladen fra en stor dybde - grænsen mellem skorpen og den underliggende, kitlignende kappe. "Det er ret uhørt," sagde Winder.

Sammenlignet med mange islandske vulkansystemer opførte Fagradalsfjall sig mærkeligt, men i det mindste skete det langt fra nogen eller noget.

Det var først i oktober 2023, at videnskabsmænds nysgerrighed blev til angst, da aktiviteten skiftede til den infrastrukturbelastede Svartsengi-region mod syd.

Slaget ved Grindavík

Jorden i Svartsengi-regionen var steget og holdt op med at stige flere gange siden 2020, hvilket tyder på, at magma ankom med uregelmæssige mellemrum, dog uden at bryde ud. Men mod slutningen af ​​2023 steg bevægelsestempoet. Magma kom hurtigere ind i regionen end nogensinde før. I midten af ​​november sad en karm - en vandret krop af magma - af elefantiske proportioner blot et par kilometer under Svartsengi. "Alle var på tæerne, og vi vidste ikke rigtig, hvad der ville ske næste gang," sagde Jónsdóttir. Det var ikke klart, hvor eller hvornår et udbrud kunne finde sted.

De jordskælv, der rystede regionen i november, hjalp med at pege vejen. Til at begynde med overbelastede deres store antal det islandske meteorologiske kontors seismiske overvågningsmuligheder, men personalet formåede hurtigt at finde omkvædet i kaosset og tyde dets tekster: Stenbrydende jordskælv betød, at noget magma havde forladt karmen og bevæget sig sidelæns. Og jordovervågningssatellitter bekræftede, hvad seismiciteten antydede: Jorden over Svartsengis tærskel var faldet, da magma drænede.

Det var let at se, hvor den magma var blevet af. Jorden omkring Grindavík var ved at synke. For en vulkanolog, der læste landet, afslørede dette mønster ikke et fravær af magma, men et indtrængen af ​​det. Magmaen, der forlod karmen, havde bevæget sig sidelæns, før den fløj opad direkte under Grindavík. Da den rejste sig, skubbede denne lodrette ranke af magma klippevæggene til siderne af vejen. Det fik til gengæld landet over ranken til at falde ned i det nyskabte tomrum. Senere videnskabsmænd ville melde at på et tidspunkt under jordskælvets storm den 10. november bølgede omkring 7,400 kubikmeter magma fra karmen ind i ranken hvert sekund.

Tegn på denne underjordiske shuffling blev også set inde i det geotermiske kraftværks boringer. vulkanske gasser, såsom svovldioxid, flygte fra magma på lave dybder og kan signalere et forestående udbrud. Forskere så, at gas, og en ændring i tryk, i borehullerne - endnu en indikation af, at magma var på vej mod byen.

En kolossal slynge af magma, kendt som et dige, var spiret under Grindavík, med en kam kun 800 meter under gaderne.

Inden for få timer efter jordskælvets storm den 10. november identificerede forskerne en 10 kilometer lang del af landet, hvor et udbrud virkede meget sandsynligt. Den skar gennem Grindavík fra en perlerække af gamle vulkankratere nordøst for byen til sydvest. Ved midnat havde Islands Civilbeskyttelse evakueret byen, og bygningsarbejdere byggede skyndsomt beskyttelsesmure i de områder, der med stor sandsynlighed ville blive oversvømmet af lava.

I løbet af de næste par uger afslørede geofysiske observationer, at magma stadig strømmede ind i regionen. Inden den 18. december, baseret på ballongrunden, beregnede forskerne, at omkring 11 millioner kubikmeter frisk magma havde ophobet sig i karmen. Det så ud til at være så meget, som det kunne holde. Den dag forlod endnu en støjende strøm af magma karmen og overfyldte diget. Stenbrydende jordskælv advarede videnskabsmænd om, at magma endelig var ved at lave en pause for overfladen, og 90 minutter efter, at disse jordskælv begyndte, "havde vi udbruddet," sagde Jónsdóttir. "Det var en virkelig hurtig begivenhed." I løbet af de næste par dage drænede udbruddet diget nok til, at det kunne stabilisere sig og sætte sig.

Det mønster gentog sig før udbruddet den 14. januar: 12 millioner kubikmeter magma fyldte karmen, før det udløste et udbrud fire timer senere. Denne gang sivede infernalsk stof ud af en 3,000 fod lang revne, der dukkede op nær en af ​​de beskyttende mure mod byens nord, som formåede at afbøje lavaen. Men en anden, mindre sprække dukkede op lige ved byens udkant, bag muren, og ødelagde tre huse.

Bagefter begyndte karmen at pustes op igen. På dette tidspunkt havde forskerne beregnet, at et udbrud ville blive meget sandsynligt, når karmen fyldtes med mindst 9 millioner kubikmeter smeltet stof. I begyndelsen af ​​februar havde karmen overskredet den tærskel, og den 8. februar begyndte endnu et udbrud. En 3 kilometer lang sprække åbnede sig nær stedet for december-udbruddet og ledede lava væk fra Grindavík, men mod et rør, der leverer varmt vand til store dele af halvøen.

Og sådan fortsætter cyklussen.

Geokemiske åbenbaringer

De geofysiske teknikker, videnskabsmænd bruger til at tage pulsen på Svartsengis magmatiske hjerte, sporer ikke kun faren i realtid. De hjælper også med at konstruere et billede af de arterier, der tragter al den magma til overfladen - hvilket er afgørende for at forstå hele halvøen, og hvordan den kan opføre sig på længere tidsrammer.

Fagradalsfjall og Svartsengi - de to i øjeblikket aktive vulkanske systemer - er adskilt med kun få miles. På trods af deres nærhed tyder geologiske beviser stærkt på, at de er forskellige systemer. Deres underjordiske arkitektur er åbenlyst anderledes. Ved Fagradalsfjall strømmer magma fra kappen lige til overfladen, mens den ved Svartsengi midlertidigt er lagret i den lavvandede skorpe.

Og alligevel, pudsigt nok, synes de to systemer at trække materiale fra den samme kilde i Jordens kappe, hvilket tyder på en dyb forbindelse.

Ed Marshall, en geokemiker ved Islands Universitet, har studeret nyoptaget lava fra udbrud på begge steder for at forsøge at bestemme, hvordan de to vulkanske systemer er forbundet, og hvorfor de skiftes til at gå i udbrud. "Du vil parkere et sted, hvor gassen og lavaen ikke vil tage dig ud," sagde han. Så "går du ind, du øser prøven, og du får pokker ud."

Generelt viser islandske lavaer lignende kemiske mønstre. Men "Fagradalsfjall har verdens underligste smeltekemi," sagde Marshall med henvisning til den specifikke blanding af elementer og forbindelser, der udgør dens magmatiske suppe. ”Det er faktisk ikke bare mærkeligt. Det er unikt.” Unikt, altså bortset fra at Svartsengi-lavaen har næsten nøjagtig de samme kemiske fingeraftryk, selvom Fagradalsfjall og Svartsengi tilsyneladende er uafhængige vulkanske systemer. "Det giver absolut ingen mening," sagde Marshall. "Naturen roder bare med os på dette tidspunkt."

Men "hvis tingene er fysisk forbundet i dybden," sagde han, "er det en ret elegant løsning på hele problemet."

Seismisk analyse af halvøens vulkanisme er i gang. Forskere håber at være i stand til at forudsige, hvor det vil dukke op næste gang i de kommende måneder og år, som de gjorde med de seneste udbrud. Som en start, Halldór Geirsson, en geofysiker ved Islands Universitet, og hans kolleger bruger satellitradar til at kortlægge fejl og brud på halvøen i denne periode med uroligheder, hvilket de foreslår kan afsløre skjulte fejl, herunder dem, der kan være steder for fremtidige sprækkeudbrud.

Der er ingen garanti for, at efterfølgende udbrud vil følge det samme mønster som Svartsengis seneste udbrud - systemets karm-diges hjerte er ikke nødvendigvis en fast egenskab. “Hver gang du har et udbrud, skifter du VVS-systemet. Det nulstilles ikke tilbage,” sagde Mitchell.

Grindavíks fremtidige beboelighed er et åbent spørgsmål, og det er endnu uvist, om halvøens øvrige byer vil blive konfronteret med lavastrømme. Reykjanes-halvøens nye hypervulkaniske æra er lige begyndt, og den kan vare år, årtier, måske endda århundreder.

"Desværre er der ingen gode nyheder forude," sagde Jónsdóttir.