Inside forskernes livreddende spådom om Island-utbruddet | Quanta Magazine

10, 2023, november, Kristín Jónsdóttir, leder for det islandske meteorologiske kontorets avdeling for vulkanforskning, hadde en sjelden fridag. "Det var min 50-årsdag," sa hun. Så begynte alt å riste. Hun tilbrakte dagen med å stirre på telefonen sin og så jordskjelvene blomstre over kart over Islands Reykjaneshalvøy.

Halvøya opplever sprekkutbrudd, hvor bakken deler seg opp og lava renner ut. Siden slutten av oktober har oppmerksomheten vært rettet mot halvøyas Svartsengi-region – hjemmet til det populære Blue Lagoon spa, et geotermisk kraftverk og kystbyen Grindavík. Halvøyas tre siste sprekkutbrudd hadde oversvømmet isolerte daler med brann. Nå var imidlertid byen truet.

Malstrømmen av stormer 10. november avslørte at en nedgravd magmatisk elv hadde slanget seg mot Grindavík og dens 3,600 innbyggere. Mer foruroligende var det at en dike – et vertikalt magmalegeme som ligner et teppe av flytende ild – hadde fontenert opp fra den underjordiske elven, og stoppet rett utenfor overflaten.

Raskt evakuerte myndighetene byen. Og så ventet alle.

Den 18. desember kløvde en vulkansk sprekk bakken mot byens nordøst og malte den vinterrike jorda med smeltet stein. Det intense utbruddet varte noen dager og holdt seg utenfor Grindavík.

Så klokken 3 den 14. januar ble de få innbyggerne som hadde returnert til hjemmene sine vekket av klaksoner og tekstmeldinger som ba dem flykte. Et annet utbrudd hadde invadert byen. Da det tok slutt 60 timer senere, var flere hus blitt oppslukt, men ingen hadde dødd.

Grindavíks innbyggere skylder livet sitt til proaktive lokale myndigheter, beredskapsledere og studiet av jordens indre. Forskere hadde sporet magmaens bevegelse ved å dekode seismiske bølger og forvrengninger i jordskorpen. Ved å kartlegge halvøyas vulkanske rørleggerarbeid bygger de en bedre forståelse av hvordan vulkanisme fungerer generelt, samtidig som de tar sikte på å gi enda mer presise lokale prognoser i fremtiden.

Arbeidet pågår; denne vulkankrisen er langt fra over. En halvøy som ikke hadde sett et utbrudd på 800 år har nå våknet, og geologiske bevis tyder på at utbrudd kan fortsette i år, tiår eller til og med århundrer.

"Vi har bare sett en brøkdel av lavaen komme opp," sa Jónsdóttir. "Naturen er dyster."

Geofysikkens kraft

Sprekkeutbrudd - som også forekommer andre steder på Island, så vel som på Hawaii og (flere årtusener siden) Idaho, New Mexico og California - er vanskelig å forutsi. I motsetning til klassiske vulkanutbrudd med en fjellaktig landform, er det vanskelig å forutsi nøyaktig hvor sprekkene vil materialisere seg.

Reykjaneshalvøyas sprekkvulkanisme er spesielt særegen. Gamle lavastrømmer, nå frosset på plass, avslører at utbrudd har plaget regionen i mange år av gangen, men at vulkansk aktivitet var fraværende i århundrer på hver side av disse episodene. Den siste perioden med utbrudd endte i 1240, og det var det den tredje i sitt slag på halvøya de siste 4,000 årene, med hver klynge atskilt med omtrent åtte århundrer. Men hvorfor eksisterer denne omtrent 800-årige periodisiteten? "Vi vet fortsatt ikke, for å være ærlig," sa Alberto Caracciolo, en geolog ved Universitetet i Island.

At det i det hele tatt er vulkanisme er ikke sjokkerende. Halvøya ligger på toppen av en mantelfjær - en varmekilde stiger opp fra jordens kjerne-mantel-grense. Og den strekker seg over Midt-Atlantic Ridge, en sutur som er utsatt for utbrudd mellom de eurasiske og nordamerikanske platene. Reykjaness tektoniske rastløshet har gjort området til et av de mest granskede vulkanske områdene i verden.

Så i 2020, da titusenvis av skjelv begynte å ryste halvøya og bakken begynte å svulme opp, mistenkte forskere at oppstyret kan være et forspill til en vulkansk forestilling åtte århundrer underveis. De måtte bare finne ut hvor. 

Jakt på Magma

Når magma bryter stein dypt i jordskorpen, skaper det jordskjelv med distinkte signaturer. Disse seismiske bølgene og deres egenskaper gir forskerne de mest umiddelbare - og minst tvetydige - ledetrådene om tilstedeværelsen og migrasjonen av magma. Under en vulkankrise, "hvis du bare kunne ha én ting," sa Sam Mitchell, en vulkanolog ved University of Bristol, "det ville være det."

Magma på farten, hvis det er grunt nok, deformerer også bakken merkbart. Satellitter bruker radar for å identifisere endringer i høyden i løpet av timer, dager eller uker. Bakkebaserte GPS-stasjoner gir også høyoppløselig sanntidsinformasjon om høydeendringer.

Jónsdóttir mistenker at kakofonien av skjelv som begynte i 2020 skyldtes både magmatisk migrasjon og bevegelsen av tektoniske plater. På Island skiller ikke de eurasiske og nordamerikanske platene seg rent, men skraper mot hverandre mens de skifter. Mellom eruptive sykluser bygges det opp mye tektonisk stress. Så, når magma ormer seg inn i underjordiske sprekker langs denne grensen, utløser det spenningen i form av kraftige og hyppige skjelv.

Tidlig i 2021 byttet imidlertid denne magmatiske maskinen gir. Både høydeendringer og seismisk oppstyr antydet at magma samlet seg under Fagradalsfjall, en liten vulkanhaug ved siden av en ubebodd dal. I mange måneder hadde langvarige skjelv skjelvet i halvøyas dype skorpe. Disse typer jordskjelv "har blitt sett under andre vulkaner over hele verden, og er fortsatt ikke fullt ut forstått," sa Tom Winder, en vulkanseismolog ved Islands Universitet. Selv om de er gåtefulle, antyder de at noe sakte skjer - den gradvise fragmenteringen av varm stein, kanskje, eller magma-klatter som klemmer seg gjennom en innsnevring.

Så, den 19. mars 2021, brøt halvøya ut for første gang på åtte århundrer. I seks måneder rant smeltet materiale fra en sprekk ved siden av Fagradalsfjall. To kortere utbrudd fulgte, somrene 2022 og 2023.

Bortsett fra de basslignende langtidsskjelvingene, antydet den generelle seismiske symfonien som gikk foran de tre Fagradalsfjall-utbruddene at magma tok en uvanlig rute til overflaten. I stedet for å samle seg i den grunne skorpen, så det ut til at smeltet stein raket rett til overflaten fra et stort dyp - grensen mellom skorpen og den underliggende, kittlignende mantelen. "Det er ganske uhørt," sa Winder.

Sammenlignet med mange islandske vulkansystemer, oppførte Fagradalsfjall seg merkelig, men det skjedde i det minste langt fra noen eller noe.

Det var først i oktober 2023 at forskernes nysgjerrighet ble til angst da aktiviteten skiftet til den infrastrukturbelastede Svartsengi-regionen i sør.

Slaget ved Grindavík

Bakken i Svartsengi-regionen hadde hevet seg, og deretter sluttet å stige, flere ganger siden 2020, noe som tyder på at magma ankom med ujevne mellomrom, men uten å bryte ut. Men mot slutten av 2023 økte bevegelseshastigheten. Magma kom inn i regionen raskere enn noen gang. I midten av november sto en terskel – en horisontal kropp av magma – av elefantiske proporsjoner bare noen få kilometer under Svartsengi. "Alle var på tærne, og vi visste egentlig ikke hva som ville skje videre," sa Jónsdóttir. Det var ikke klart hvor eller når et utbrudd kan finne sted.

Skjelvene som rystet regionen i november bidro til å peke veien. Til å begynne med overbelastet det islandske meteorologiske kontorets seismiske overvåkingsmuligheter, men personalet klarte raskt å finne refrenget i kaoset og tyde tekstene: Steinbrytende skjelv betydde at noe magma hadde forlatt terskelen og beveget seg sidelengs. Og bakkeovervåkingssatellitter bekreftet det seismisiteten antydet: Bakken over Svartsengis terskel hadde falt da magma tappet ut.

Det var lett å se hvor den magmaen hadde blitt av. Bakken rundt Grindavík holdt på å synke. For en vulkanolog som leste landet, avslørte det mønsteret ikke et fravær av magma, men et inntrenging av det. Magmaen som forlot terskelen hadde beveget seg sidelengs før den skummet oppover rett under Grindavík. Da den reiste seg, presset denne vertikale magmaranken veggene av stein til sidene ut av veien. Det førte igjen til at landet over ranken falt ned i det nyskapte tomrommet. Senere, forskere ville rapportere at på et tidspunkt under jordskjelvstormen den 10. november strømmet rundt 7,400 kubikkmeter magma fra terskelen inn i ranken hvert sekund.

Tegn på denne underjordiske stokkingen ble også oppdaget inne i det geotermiske kraftverkets borehull. vulkanske gasser, som svoveldioksid, flykte fra magma på grunt dyp og kan signalisere et forestående utbrudd. Forskere så at gass, og en endring i trykk, i borehullene - en annen indikasjon på at magma var på vei mot byen.

En kolossal magmaranke, kjent som en dike, hadde spiret under Grindavík, med en kam bare 800 meter under gatene.

I løpet av timer etter jordskjelvstormen 10. november identifiserte forskere en 10 mil lang del av landet der et utbrudd virket svært sannsynlig. Den skjærte seg gjennom Grindavík fra en rekke gamle vulkankratre nordøst for byen til sørvest. Ved midnatt hadde Islands sivile beskyttelse evakuert byen, og bygningsarbeidere bygget raskt beskyttende murer i områdene som mest sannsynlig ble oversvømmet av lava.

I løpet av de neste ukene avslørte geofysiske observasjoner at magma fortsatt strømmet inn i regionen. Innen 18. desember, basert på ballongbakken, beregnet forskerne at rundt 11 millioner kubikkmeter fersk magma hadde samlet seg i terskelen. Det så ut til å være omtrent så mye som det kunne holde. Den dagen forlot en annen støyende strøm av magma terskelen og overfylte diket. Steinbrytende skjelv advarte forskere om at magma endelig gjorde en pause for overflaten, og 90 minutter etter at skjelvene begynte, "hadde vi utbruddet," sa Jónsdóttir. "Det var en veldig rask hendelse." I løpet av de neste dagene drenerte utbruddet diket nok til at det kunne stabilisere seg og sette seg.

Dette mønsteret gjentok seg før utbruddet 14. januar: 12 millioner kubikkmeter magma fylte terskelen før det utløste et utbrudd fire timer senere. Denne gangen rant infernalsk materie ut av en 3,000 fot lang sprekk som dukket opp nær en av de beskyttende murene i byens nord, som klarte å avlede lavaen. Men en annen, mindre sprekk dukket opp rett ved byens utkant, bak muren, og ødela tre hus.

Etterpå begynte terskelen å blåse opp igjen. På dette tidspunktet hadde forskerne beregnet at et utbrudd ville bli svært sannsynlig når terskelen fyltes med minst 9 millioner kubikkmeter smeltet materiale. I begynnelsen av februar hadde terskelen overskredet den terskelen, og 8. februar startet et nytt utbrudd. En 3 kilometer lang sprekk åpnet seg nær stedet for desemberutbruddet, og ledet lava bort fra Grindavík, men mot et rør som leverer varmt vann til store deler av halvøya.

Og slik fortsetter syklusen.

Geokjemiske åpenbaringer

De geofysiske teknikkene forskerne bruker for å ta pulsen på Svartsengis magmatiske hjerte, sporer ikke bare faren i sanntid. De hjelper også med å konstruere et bilde av arteriene som fører all magmaen til overflaten - noe som er avgjørende for å forstå hele halvøya og hvordan den kan oppføre seg på lengre tidsrammer.

Fagradalsfjall og Svartsengi - de to for tiden aktive vulkanske systemene - er atskilt med bare noen få mil. Til tross for deres nærhet, tyder geologiske bevis sterkt på at de er distinkte systemer. Deres underjordiske arkitektur er åpenbart annerledes. Ved Fagradalsfjall fosser magma fra mantelen rett til overflaten, mens den ved Svartsengi er midlertidig lagret i den grunne skorpen.

Og likevel, forvirrende nok, ser det ut til at de to systemene trekker materiale fra samme kilde i jordens mantel, noe som antyder en dyp forbindelse.

Ed Marshall, en geokjemiker ved Universitetet i Island, har studert nyoppsamlet lava fra utbrudd på begge stedene for å prøve å finne ut hvordan de to vulkanske systemene henger sammen og hvorfor de har vekslet på å bryte ut. "Du vil parkere på et sted der gassen og lavaen ikke kommer til å ta deg ut," sa han. Så "går du inn, du øser prøven, og du får pokker ut."

Generelt viser islandske lavaer lignende kjemiske mønstre. Men "Fagradalsfjall har verdens merkeligste smeltekjemi," sa Marshall, med henvisning til den spesifikke blandingen av elementer og forbindelser som utgjør den magmatiske suppen. «Det er faktisk ikke bare rart. Det er unikt." Unikt, altså bortsett fra at Svartsengi-lavaen har nesten nøyaktig de samme kjemiske fingeravtrykkene, selv om Fagradalsfjall og Svartsengi er tilsynelatende uavhengige vulkanske systemer. "Det gir absolutt ingen mening," sa Marshall. "Naturen roter bare med oss ​​på dette tidspunktet."

Men "hvis ting er fysisk koblet i dybden," sa han, "er det en ganske elegant løsning på hele problemet."

Seismisk analyse av halvøyas vulkanisme pågår. Forskere håper å kunne forutsi hvor det vil dukke opp neste gang i de kommende månedene og årene, slik de gjorde med de siste utbruddene. Som en start, Halldór Geirsson, en geofysiker ved Universitetet i Island, og hans kolleger bruker satellittradar for å kartlegge feil og brudd på halvøya i denne perioden med uro, noe de foreslår kan avdekke skjulte feil, inkludert de som kan være stedene for fremtidige sprekkutbrudd.

Det er ingen garanti for at påfølgende utbrudd vil følge det samme mønsteret som Svartsengis nylige utbrudd – terskel-dike-hjertet i systemet er ikke nødvendigvis et fast trekk. «Hver gang du har et utbrudd, bytter du rørleggersystemet. Den tilbakestilles ikke til null, sa Mitchell.

Grindavíks fremtidige beboelighet er et åpent spørsmål, og det gjenstår å se om halvøyas andre byer vil bli konfrontert med lavastrømmer. Reykjaneshalvøyas nye hypervulkaniske æra har akkurat begynt, og den kan vare i år, tiår, kanskje til og med århundrer.

"Dessverre er det ingen gode nyheter fremover," sa Jónsdóttir.