Wewnątrz ratujące życie przewidywania naukowców dotyczące erupcji na Islandii | Magazyn Quanta

W listopadzie 10, 2023, Kristín Jónsdóttir, szef wydziału badań wulkanów w Islandzkim Biurze Meteorologicznym, miał rzadki dzień wolny. „To były moje 50. urodziny” – powiedziała. Potem wszystko zaczęło się trząść. Spędzała dzień wpatrując się w telefon i obserwując trzęsienia ziemi pojawiające się na mapach islandzkiego półwyspu Reykjanes.

Na półwyspie wybuchają szczeliny, podczas których ziemia pęka i wypływa lawa. Od końca października uwaga skupiała się na regionie Svartsengi na półwyspie, gdzie znajduje się popularne spa Blue Lagoon, elektrownia geotermalna i nadmorskie miasteczko Grindavík. Ostatnie trzy erupcje szczelin na półwyspie spowodowały zalanie ogniem izolowanych dolin. Teraz jednak miasto było zagrożone.

Wir temblorów, który miał miejsce 10 listopada, ujawnił, że zakopana rzeka magmowa wiła się w stronę Grindavíku i jego 3,600 mieszkańców. Co bardziej niepokojące, z podziemnej rzeki wytrysnęła wał — pionowy korpus magmy przypominający kurtynę płynnego ognia — i zatrzymał się tuż przed powierzchnią.

Władze szybko ewakuowały miasto. A potem wszyscy czekali.

18 grudnia szczelina wulkaniczna rozcięła ziemię na północnym wschodzie miasta i pokryła zimową glebę stopioną skałą. Intensywna erupcja trwała kilka dni i trwała poza Grindavíkiem.

Następnie 3 stycznia o godzinie 14:60 w nocy nielicznych mieszkańców, którzy wrócili do swoich domów, obudziły klaksony i wiadomości tekstowe wzywające do ucieczki. Kolejna erupcja nawiedziła miasto. Zanim skończyła się około XNUMX godzin później, kilka domów zostało pochłoniętych, ale nikt nie zginął.

Mieszkańcy Grindavík zawdzięczają życie proaktywnym władzom lokalnym, menedżerom ds. sytuacji kryzysowych i badaniom wnętrza Ziemi. Naukowcy śledzili ruch magmy, dekodując fale sejsmiczne i zniekształcenia skorupy planety. Tworząc mapę wulkanicznej kanalizacji półwyspu, badacze lepiej rozumieją ogólne działanie wulkanizmu, a jednocześnie mają na celu zapewnienie w przyszłości jeszcze dokładniejszych prognoz lokalnych.

Prace trwają; ten kryzys wulkaniczny jeszcze się nie skończył. Półwysep, na którym nie było erupcji od 800 lat, właśnie się obudził, a dowody geologiczne sugerują, że erupcje mogą trwać latami, dekadami, a nawet stuleciami.

„Widzieliśmy wynurzający się tylko ułamek lawy” – powiedział Jónsdóttir. „Natura jest ponura”.

Potęga geofizyki

Erupcje szczelin — które występują także w innych częściach Islandii, a także na Hawajach i (kilka tysiącleci temu) Idaho, Nowy Meksyk i Kalifornia — są trudne do przewidzenia. W przeciwieństwie do klasycznych erupcji wulkanów charakteryzujących się górzystym ukształtowaniem terenu, trudno dokładnie przewidzieć, gdzie pojawią się pęknięcia.

Szczególnie osobliwy jest wulkanizm szczelinowy na półwyspie Reykjanes. Starożytne strumienie lawy, obecnie zamarznięte, pokazują, że erupcje nawiedzały ten region przez wiele lat, ale po obu stronach tych epizodów aktywność wulkaniczna była nieobecna przez stulecia. Ostatni okres erupcji zakończył się w 1240 roku i tak było trzeci w swoim rodzaju na półwyspie w ciągu ostatnich 4,000 lat, przy czym każde skupisko dzieliło mniej więcej osiem wieków. Ale dlaczego istnieje ta około 800-letnia okresowość? „Szczerze mówiąc, nadal nie wiemy” – powiedział Alberto Caracciolo, geolog z Uniwersytetu Islandzkiego.

To, że w ogóle istnieje wulkanizm, nie jest szokujące. Półwysep znajduje się na szczycie pióropusza płaszcza - a fontanna ciepła wznosząc się od granicy jądra i płaszcza Ziemi. Leży nad Grzbietem Środkowoatlantyckim, podatnym na erupcje szwem pomiędzy płytami euroazjatycką i północnoamerykańską. Niepokój tektoniczny Reykjanes sprawił, że obszar ten jest jednym z najczęściej badanych regionów wulkanicznych na świecie.

Dlatego w 2020 r., kiedy półwyspem zaczęły wstrząsać dziesiątki tysięcy trzęsień ziemi, a ziemia zaczęła puchnąć, naukowcy podejrzewali, że to zamieszanie może być wstępem do zjawiska wulkanicznego, które trwało osiem wieków. Musieli tylko dowiedzieć się, gdzie. 

Polowanie na magmę

Kiedy magma rozbija skały głęboko w skorupie ziemskiej, powoduje trzęsienia ziemi o wyraźnych cechach. Te fale sejsmiczne i ich właściwości dostarczają naukowcom najbardziej bezpośrednich – i najmniej dwuznacznych – wskazówek na temat obecności i migracji magmy. „Gdybyś mógł mieć tylko jedną rzecz” podczas kryzysu wulkanicznego, powiedział Sam Mitchell, wulkanolog z Uniwersytetu w Bristolu, „to by było na tyle”.

Magma w ruchu, jeśli jest wystarczająco płytka, również zauważalnie deformuje podłoże. Satelity wykorzystują radar do identyfikowania zmian wysokości w ciągu godzin, dni lub tygodni. Naziemne stacje GPS dostarczają również w czasie rzeczywistym informacji o zmianach wysokości w wysokiej rozdzielczości.

Jónsdóttir podejrzewa, że ​​kakofonia trzęsień, która rozpoczęła się w 2020 r., była spowodowana zarówno migracją magmy, jak i ruchem płyt tektonicznych. Na Islandii płyty euroazjatycka i północnoamerykańska nie rozdzielają się równomiernie, ale ocierają się o siebie podczas przesuwania. Pomiędzy cyklami erupcji narasta wiele naprężeń tektonicznych. Następnie, gdy magma przedostaje się do podziemnych szczelin wzdłuż tej granicy, powoduje uwolnienie tego napięcia w postaci silnych i częstych trzęsień.

Jednak na początku 2021 r. ta magmowa maszyna zmieniła bieg. Zarówno zmiany wysokości, jak i wstrząsy sejsmiczne sugerowały, że magma gromadziła się pod Fagradalsfjall, małym kopcem wulkanicznym obok niezamieszkanej doliny. Przez wiele miesięcy w głębokiej skorupie półwyspu trwały długotrwałe trzęsienia ziemi. Tego typu trzęsienia ziemi „widziano poniżej inne wulkany na całym świecie i nadal nie są w pełni zrozumiałe” – stwierdził Tomek Winder, sejsmolog wulkanów z Uniwersytetu Islandzkiego. Choć są zagadkowe, sugerują, że dzieje się coś powolnego – być może stopniowe fragmentowanie gorącej skały lub plamy magmy przeciskające się przez zwężenie.

Następnie 19 marca 2021 roku na półwyspie doszło do pierwszej erupcji od ośmiu wieków. Przez sześć miesięcy stopiona materia wypływała ze szczeliny obok Fagradalsfjall. Potem nastąpiły dwie krótsze erupcje, latem 2022 i 2023 roku.

Oprócz tych długotrwałych drgań przypominających bas, ogólna symfonia sejsmiczna poprzedzająca trzy wybuchy Fagradalsfjall sugerowała, że ​​magma podąża niezwykłą drogą na powierzchnię. Zamiast gromadzić się w płytkiej skorupie, roztopiona skała zdawała się wystrzeliwać prosto na powierzchnię z dużej głębokości – na granicy między skorupą a leżącym pod nią, przypominającym kit płaszczem. „To całkiem niespotykane” – powiedział Winder.

W porównaniu do wielu islandzkich systemów wulkanicznych, Fagradalsfjall zachowywał się dziwnie, ale przynajmniej działo się z dala od kogokolwiek i czegokolwiek.

Dopiero w październiku 2023 r. ciekawość naukowców przekształciła się w niepokój, gdy działalność przeniosła się do obciążonego infrastrukturą regionu Svartsengi na południu.

Bitwa pod Grindavikiem

Od 2020 r. poziom gruntu w regionie Svartsengi podniósł się, a następnie przestał podnosić kilka razy, co sugeruje, że magma napływa w nieregularnych odstępach czasu, choć bez erupcji. Jednak pod koniec 2023 r. tempo tego ruchu wzrosło. Magma napływała do regionu szybciej niż kiedykolwiek. W połowie listopada próg – pozioma bryła magmy – o rozmiarach słonia znajdował się zaledwie kilka kilometrów poniżej Svartsengi. „Wszyscy byli skupieni i tak naprawdę nie wiedzieliśmy, co będzie dalej” – powiedział Jónsdóttir. Nie było jasne, gdzie i kiedy może nastąpić erupcja.

Trzęsienia, które nawiedziły region w listopadzie, pomogły wskazać drogę. Początkowo sama ich liczba przeciążała możliwości Islandzkiego Biura Meteorologicznego w zakresie monitorowania sejsmicznego, ale pracownikom szybko udało się znaleźć refren w chaosie i rozszyfrować jego tekst: Trzęsienia kruszące skały oznaczały, że część magmy opuściła parapet i przesunęła się na boki. Satelity monitorujące ziemię potwierdziły to, co sugerowała aktywność sejsmiczna: ziemia nad progiem Svartsengi opadła w wyniku wyschnięcia magmy.

Łatwo było zobaczyć, dokąd poszła magma. Ziemia wokół Grindavíku zapadała się. Dla wulkanologa czytającego ziemię wzór ten ujawnił nie brak magmy, ale jej wtargnięcie. Magma, która opuściła parapet, przesunęła się na boki, po czym poszybowała w górę bezpośrednio pod Grindavíkiem. Gdy się wznosił, ten pionowy wąs magmy odepchnął ściany skał na boki. To z kolei spowodowało, że ziemia nad wąsem osunęła się w nowo utworzoną pustkę. Później naukowcy zgłosiłby się że w pewnym momencie podczas burzy spowodowanej trzęsieniem ziemi 10 listopada z progu do wąsa co sekundę przedostawało się około 7,400 metrów sześciennych magmy.

Oznaki tego podziemnego przemieszczania się zaobserwowano także w odwiertach elektrowni geotermalnej. Gazy wulkaniczne, takie jak dwutlenek siarki, ucieczka przed magmą na płytkich głębokościach i może sygnalizować zbliżającą się erupcję. Naukowcy zaobserwowali obecność gazu i zmianę ciśnienia w odwiertach, co jest kolejną oznaką przemieszczania się magmy w kierunku miasta.

Pod Grindavíkiem wyrósł kolosalny wąs magmy, zwany groblą, którego grzbiet znajdował się zaledwie 800 metrów poniżej ulic.

W ciągu kilku godzin od trzęsienia ziemi, które miało miejsce 10 listopada, naukowcy zidentyfikowali odcinek ziemi o długości 10 km, na którym erupcja wydawała się wysoce prawdopodobna. Przeciął Grindavík od szeregu starych kraterów wulkanicznych na północny wschód od miasta i na jego południowy zachód. O północy islandzkie służby ochrony ludności ewakuowały miasto, a pracownicy budowlani pospiesznie zbudowali mury ochronne w obszarach najprawdopodobniej zalanych przez lawę.

W ciągu następnych kilku tygodni obserwacje geofizyczne wykazały, że magma nadal napływa do tego regionu. Do 18 grudnia na podstawie powierzchni balonu naukowcy obliczyli, że w progu zgromadziło się około 11 milionów metrów sześciennych świeżej magmy. To wydawało się mniej więcej tyle, ile było w stanie pomieścić. Tego dnia kolejny hałaśliwy strumień magmy opuścił parapet i przepełnił groblę. Trzęsienia niszczące skały ostrzegły naukowców, że magma w końcu przedostała się na powierzchnię, a 90 minut po rozpoczęciu tych trzęsień „mialiśmy erupcję” – powiedział Jónsdóttir. „To było naprawdę szybkie wydarzenie”. W ciągu następnych kilku dni erupcja osuszyła wał na tyle, że ustabilizował się i opadł.

Ten schemat powtórzył się przed erupcją z 14 stycznia: 12 milionów metrów sześciennych magmy wypełniło próg, a cztery godziny później wywołało erupcję. Tym razem piekielna materia wyciekła z długiego na 3,000 stóp pęknięcia, które wyłoniło się w pobliżu jednego z murów ochronnych na północy miasta, któremu udało się odbić lawę. Ale druga, mniejsza szczelina pojawiła się tuż na skraju miasta, za murem i zniszczyła trzy domy.

Potem parapet znów zaczął się napompowywać. Na tym etapie naukowcy obliczyli, że erupcja stanie się wysoce prawdopodobna, gdy próg wypełni się co najmniej 9 milionami metrów sześciennych stopionej materii. Na początku lutego próg przekroczył ten próg, a 8 lutego rozpoczęła się kolejna erupcja. W pobliżu miejsca grudniowej erupcji otworzyła się 3-kilometrowa szczelina, kierując lawę z dala od Grindavíku, ale w stronę rury dostarczającej gorącą wodę do dużej części półwyspu.

I tak cykl trwa.

Odkrycia geochemiczne

Techniki geofizyczne, których używają naukowcy do pomiaru tętna magmowego serca Svartsengi, nie tylko śledzą zagrożenie w czasie rzeczywistym. Pomagają także w stworzeniu obrazu tętnic odprowadzających całą magmę na powierzchnię, co ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia całego półwyspu i jego zachowania w dłuższych ramach czasowych.

Fagradalsfjall i Svartsengi – dwa obecnie aktywne systemy wulkaniczne – dzieli zaledwie kilka mil. Pomimo bliskości, dowody geologiczne zdecydowanie sugerują, że są to odrębne systemy. Ich podziemne architektury są wyraźnie odmienne. W Fagradalsfjall magma wypływa z płaszcza bezpośrednio na powierzchnię, natomiast w Svartsengi jest tymczasowo magazynowana w płytkiej skorupie.

A jednak, co zaskakujące, wydaje się, że oba systemy czerpią materię z tego samego źródła w płaszczu Ziemi, co sugeruje głębokie powiązanie.

Eda Marshallageochemik z Uniwersytetu Islandzkiego badał świeżo zebraną lawę z erupcji w obu miejscach, aby ustalić, w jaki sposób oba systemy wulkaniczne są ze sobą powiązane i dlaczego wybuchają na zmianę. „Chcesz parkować w miejscu, gdzie gaz i lawa Cię nie zabiorą” – powiedział. Następnie „wchodzisz, pobierasz próbkę i wylatujesz”.

Ogólnie rzecz biorąc, islandzkie lawy wykazują podobne wzorce chemiczne. Ale „Fagradalsfjall ma najdziwniejszy na świecie skład chemiczny stopu” – powiedział Marshall, odnosząc się do specyficznej mieszaniny pierwiastków i związków, z których składa się zupa magmowa. „Właściwie to nie tylko dziwne. To wyjątkowe.” To znaczy wyjątkowy, z tą różnicą, że ma lawę Svartsengi prawie dokładnie takie same chemiczne odciski palców, mimo że Fagradalsfjall i Svartsengi to pozornie niezależne systemy wulkaniczne. „To nie ma absolutnie żadnego sensu” – stwierdził Marshall. „Natura po prostu sobie z nami w tym momencie igra”.

Ale „jeśli rzeczy są fizycznie połączone w głębi” – stwierdził – „jest to całkiem eleganckie rozwiązanie całego problemu”.

Trwa analiza sejsmiczna wulkanizmu półwyspu. Naukowcy mają nadzieję, że będą w stanie przewidzieć, gdzie pojawi się ona w nadchodzących miesiącach i latach, tak jak to miało miejsce w przypadku ostatnich erupcji. Na początek Halldora Geirssona, geofizyk z Uniwersytetu Islandzkiego i jego współpracownicy używają radaru satelitarnego do mapowania uskoków i pęknięć na półwyspie w okresie niepokojów, co sugerują może ujawnić ukryte wady, w tym te, które mogą być miejscami przyszłych erupcji szczelin.

Nie ma gwarancji, że kolejne erupcje będą przebiegać według tego samego schematu, co niedawne wybuchy Svartsengi – rdzeń systemu, grobla progowa, niekoniecznie jest stałym elementem. „Za każdym razem, gdy masz erupcję, zmieniasz system wodno-kanalizacyjny. Nie resetuje się do zera” – powiedział Mitchell.

Przyszłe możliwości zamieszkania Grindavíku są kwestią otwartą i okaże się, czy inne miasta na półwyspie staną w obliczu potoków lawy. Nowa era hiperwulkaniczna na półwyspie Reykjanes właśnie się rozpoczęła i może trwać lata, dekady, a może nawet stulecia.

„Niestety nie mamy przed sobą żadnych dobrych wiadomości” – powiedział Jónsdóttir.