Спасительный прогноз ученых об извержении в Исландии | Журнал Кванта

В ноябре 10, 2023, Кристин Йонсдоттир, руководитель отдела исследования вулканов Исландского метеорологического управления, выдался редкий выходной. «Это был мой 50-й день рождения», — сказала она. Потом все начало трястись. Она проводила день, глядя на свой телефон, наблюдая, как землетрясения расцветают на картах исландского полуострова Рейкьянес.

На полуострове происходят трещинные извержения, когда земля раскалывается и изливается лава. С конца октября внимание было сосредоточено на полуострове Сварценги, где расположены популярный спа-центр «Голубая лагуна», геотермальная электростанция и прибрежный город Гриндавик. Последние три трещинных извержения полуострова затопили изолированные долины огнем. Однако теперь город оказался под угрозой.

Водоворот землетрясений 10 ноября показал, что погребенная магматическая река змеилась по направлению к Гриндавику и его 3,600 жителям. Еще более печально то, что из этой подземной реки возникла дамба — вертикальное магматическое тело, похожее на завесу жидкого огня, остановившаяся недалеко от поверхности.

Власти быстро эвакуировали город. И тогда все ждали.

18 декабря вулканическая трещина расколола землю на северо-востоке города и окрасила зимнюю почву расплавленной породой. Интенсивное извержение длилось несколько дней и осталось за пределами Гриндавика.

Затем, в 3 часа ночи 14 января, несколько жителей, вернувшихся в свои дома, были разбужены звуковыми сигналами и текстовыми сообщениями, призывающими их бежать. Очередное извержение охватило город. Примерно через 60 часов, когда он закончился, несколько домов были затоплены, но никто не погиб.

Жители Гриндавика обязаны своей жизнью активным местным властям, специалистам по чрезвычайным ситуациям и изучению недр Земли. Ученые отслеживали движение магмы, расшифровывая сейсмические волны и искажения в коре планеты. Составляя карту вулканической системы полуострова, они лучше понимают, как работает вулканизм в целом, а также стремятся предоставить еще более точные местные прогнозы в будущем.

Работа продолжается; этот вулканический кризис далек от завершения. Полуостров, на котором не было извержений в течение 800 лет, теперь проснулся, и геологические данные свидетельствуют о том, что извержения могут продолжаться годами, десятилетиями или даже столетиями.

«Мы видели лишь небольшую часть лавы», — сказал Йонсдоттир. «Природа жестока».

Сила геофизики

Трещинные извержения, которые также происходят в других местах Исландии, а также на Гавайях и (несколько тысячелетий назад) Айдахо, Нью-Мексико и Калифорния — прогнозировать сложно. В отличие от классических извержений вулканов с гористой формой рельефа, трудно точно предсказать, где возникнут трещины.

Особенно своеобразен трещинный вулканизм полуострова Рейкьянес. Древние потоки лавы, ныне застывшие на месте, показывают, что извержения преследовали этот регион в течение многих лет, но по обе стороны от этих эпизодов вулканическая активность отсутствовала на протяжении веков. Последний период извержений закончился в 1240 году, и это было третий в своем роде на полуострове за последние 4,000 лет, причем каждый кластер разделен примерно восемью столетиями. Но почему существует эта примерно 800-летняя периодичность? «Честно говоря, мы до сих пор не знаем», — сказал Альберто Караччиоло, геолог из Университета Исландии.

То, что вулканизм вообще существует, не шокирует. Полуостров расположен на вершине мантийного плюма — фонтан тепла поднимается от границы ядра и мантии Земли. И он расположен по обе стороны Срединно-Атлантического хребта, склонного к извержениям шва между Евразийской и Северо-Американской плитами. Тектоническое беспокойство Рейкьянеса сделало этот район одним из наиболее изученных вулканических регионов в мире.

Итак, в 2020 году, когда десятки тысяч землетрясений начали сотрясать полуостров, а земля начала разбухать, ученые заподозрили, что это волнение может быть прелюдией к вулканическому событию, которое готовилось восемь столетий. Им оставалось только выяснить, где. 

Охота на Магму

Когда магма разрушает горные породы глубоко в земной коре, она создает землетрясения с отчетливыми признаками. Эти сейсмические волны и их свойства дают ученым самые непосредственные и наименее двусмысленные подсказки о присутствии и миграции магмы. Во время вулканического кризиса «если бы у вас была только одна вещь», сказал Сэм Митчелл, вулканолог из Бристольского университета, «было бы вот так».

Магма в движении, если она достаточно неглубока, также заметно деформирует грунт. Спутники используют радар для определения изменений высоты в течение часов, дней или недель. Наземные GPS-станции также предоставляют информацию с высоким разрешением в режиме реального времени об изменениях высоты.

Йонсдоттир подозревает, что какофония землетрясений, начавшаяся в 2020 году, была вызвана как магматической миграцией, так и движением тектонических плит. В Исландии Евразийская и Северо-Американская плиты не разделяются четко, а царапаются друг о друга при смещении. Между циклами извержений накапливается большое количество тектонических напряжений. Затем, когда магма проникает в подземные трещины вдоль этой границы, это вызывает высвобождение этого напряжения в виде мощных и частых землетрясений.

Однако в начале 2021 года эта магматическая машина переключила передачу. Как перепады высот, так и сейсмические потрясения позволили предположить, что магма собиралась под Фаградальсфьяллом, небольшим вулканическим холмом рядом с необитаемой долиной. В течение многих месяцев в глубокой коре полуострова сотрясались длительные землетрясения. Землетрясения такого типа «были замечены под другие вулканы по всему миру и до сих пор не до конца поняты», — сказал Том Уиндер, сейсмолог-вулканолог из Исландского университета. Хотя они загадочны, они предполагают, что происходит что-то медленное — возможно, постепенное дробление горячей породы или сгустки магмы, протискивающиеся сквозь сужение.

Затем, 19 марта 2021 года, на полуострове произошло извержение впервые за восемь столетий. В течение шести месяцев расплавленное вещество хлынуло из трещины рядом с Фаградальсфьялем. Последовали два более коротких извержения летом 2022 и 2023 годов.

Помимо этих басовитых долгопериодических колебаний, общая сейсмическая симфония, предшествовавшая трем вспышкам Фаградальсфьялла, предполагала, что магма шла к поверхности необычным путем. Вместо того, чтобы собираться в неглубокой коре, расплавленная порода, казалось, устремлялась прямо на поверхность с большой глубины — границы между корой и подстилающей, похожей на замазку мантией. «Это неслыханно», сказал Уиндер.

По сравнению со многими исландскими вулканическими системами Фаградальсфьялль вел себя странно, но, по крайней мере, это происходило вдали от кого-либо и чего-либо.

Лишь в октябре 2023 года любопытство учёных сменилось беспокойством, когда активность переместилась в богатый инфраструктурой регион Сварценги на юге.

Битва при Гриндавике

Земля в регионе Сварценги поднималась, а затем перестала подниматься несколько раз с 2020 года, что означает, что магма прибывала через нерегулярные промежутки времени, хотя и не извергалась. Но к концу 2023 года темпы движения резко возросли. Магма проникала в регион быстрее, чем когда-либо. К середине ноября порог — горизонтальное тело магмы — размером со слона находился всего в нескольких километрах ниже Сварценги. «Все были в напряжении, и мы не знали, что произойдет дальше», — сказал Йонсдоттир. Пока неясно, где и когда может произойти извержение.

Землетрясения, потрясшие регион в ноябре, помогли указать путь. Первоначально их огромное количество перегружало возможности сейсмического мониторинга Исландского метеорологического управления, но сотрудникам быстро удалось найти хор в хаосе и расшифровать его текст: камнеломающие землетрясения означали, что часть магмы покинула подоконник и двинулась в сторону. А спутники наземного мониторинга подтвердили то, что предполагала сейсмичность: земля над подоконником Сварценги обрушилась из-за истощения магмы.

Было легко увидеть, куда делась магма. Земля вокруг Гриндавика опускалась. Для вулканолога, изучающего землю, эта закономерность показала не отсутствие магмы, а ее вторжение. Магма, вышедшая из подоконника, двинулась в сторону, прежде чем подняться прямо под Гриндавиком. Когда он поднялся, этот вертикальный усик магмы отодвинул скальные стены в сторону. Это, в свою очередь, привело к тому, что земля над усиком провалилась в вновь созданную пустоту. Позже учёные сообщил бы что в какой-то момент во время землетрясения 10 ноября около 7,400 кубических метров магмы хлынули из подоконника в усик каждую секунду.

Признаки этого подземного перемещения были также обнаружены внутри скважин геотермальной электростанции. Вулканические газы, такие как диоксид серы, спастись от магмы на небольших глубинах и может сигнализировать о приближающемся извержении. Ученые увидели этот газ и изменение давления в скважинах — еще один признак того, что магма двигалась к городу.

Колоссальный завиток магмы, известный как дамба, вырос под Гриндавиком, гребень которого находится всего в 800 метрах под его улицами.

Через несколько часов после землетрясения 10 ноября ученые определили участок земли длиной 10 миль, где извержение казалось весьма вероятным. Он прорезал Гриндавик от цепочки старых вулканических кратеров к северо-востоку от города до его юго-запада. К полуночи Служба гражданской защиты Исландии эвакуировала город, а строители спешно возвели защитные стены в районах, которые, скорее всего, будут затоплены лавой.

В течение следующих нескольких недель геофизические наблюдения показали, что магма все еще течет в этот регион. К 18 декабря по раздувающемуся грунту ученые подсчитали, что в подоконнике скопилось около 11 миллионов кубометров свежей магмы. Похоже, это было примерно столько, сколько могло вместиться. В тот день еще один шумный поток магмы покинул подоконник и переполнил дайку. Сокрушительные землетрясения предупредили ученых, что магма наконец-то пробилась на поверхность, и через 90 минут после начала этих землетрясений «у нас произошло извержение», сказал Йонсдоттир. «Это было действительно быстрое событие». В течение следующих нескольких дней извержение осушило дамбу настолько, что она стабилизировалась и осела.

Эта картина повторилась перед извержением 14 января: 12 миллионов кубических метров магмы заполнили подоконник, а четыре часа спустя спровоцировали извержение. На этот раз адская материя вытекла из трещины длиной 3,000 футов, образовавшейся возле одной из защитных стен на севере города, и ей удалось отклонить лаву. Но вторая, меньшая трещина появилась прямо на окраине города, за стеной, и разрушила три дома.

После этого подоконник снова начал надуваться. К этому моменту ученые подсчитали, что извержение станет весьма вероятным, когда подоконник заполнится как минимум 9 миллионами кубических метров расплавленного вещества. К началу февраля порог превысил этот порог, и 8 февраля началось новое извержение. Трещина длиной 3 километра открылась недалеко от места декабрьского извержения, уводя лаву от Гриндавика к трубе, по которой горячая вода подается на большую часть полуострова.

И так цикл продолжается.

Геохимические открытия

Геофизические методы, которые ученые используют для измерения пульса магматического сердца Сварценги, не просто отслеживают опасность в режиме реального времени. Они также помогают построить картину артерий, которые направляют всю эту магму на поверхность, что имеет решающее значение для понимания всего полуострова и того, как он может вести себя в более длительных периодах времени.

Фаградальсфьялль и Сварценги — две действующие в настоящее время вулканические системы — разделены всего несколькими милями. Несмотря на их близость, геологические данные убедительно свидетельствуют о том, что это отдельные системы. Их подземная архитектура явно различна. В Фаградальсфьяле магма устремляется из мантии прямо на поверхность, а в Сварценги она временно задерживается в неглубокой коре.

И все же, как ни странно, эти две системы, похоже, черпают материал из одного и того же источника в мантии Земли, что предполагает глубокую связь.

Эд Маршалл, геохимик из Исландского университета, изучал свежезачерпнутую лаву из извержений на обоих участках, чтобы попытаться определить, как связаны две вулканические системы и почему они извергаются по очереди. «Вы хотите припарковаться в таком месте, где газ и лава не выведут вас из строя», — сказал он. Затем «вы входите, берете образец и уходите».

В целом исландская лава имеет схожие химические структуры. Но «Фаградальсфьялль имеет самый странный в мире химический состав расплава», — сказал Маршалл, имея в виду специфическую смесь элементов и соединений, составляющих его магматический суп. «На самом деле это не просто странно. Это уникально». Уникальная, за исключением того, что лава Сварценги имеет почти точно такие же химические отпечатки пальцев, хотя Фаградальсфьялль и Сварценги кажутся независимыми вулканическими системами. «Это не имеет абсолютно никакого смысла», — сказал Маршалл. «Природа просто балуется с нами в этот момент».

Но «если вещи физически связаны на глубине», сказал он, «это довольно элегантное решение всей проблемы».

Сейсмический анализ вулканизма полуострова продолжается. Ученые надеются, что смогут предсказать, где оно появится в ближайшие месяцы и годы, как они это сделали в случае недавних извержений. Для начала, Халльдор Гейрссон, геофизик из Исландского университета, и его коллеги используют спутниковый радар для картирования разломов и разломов на полуострове в этот период беспорядков, которые, по их мнению, может выявить скрытые недостатки, включая те, которые могут стать местами будущих трещинных извержений.

Нет никакой гарантии, что последующие извержения будут следовать той же схеме, что и недавние извержения Сварценги — сердце системы в виде пороговой дамбы не обязательно является фиксированной особенностью. «Каждый раз, когда у вас случается извержение, вы меняете водопроводную систему. Оно не сбрасывается обратно в ноль», — сказал Митчелл.

Будущая пригодность Гриндавика для проживания остается открытым вопросом, и еще неизвестно, столкнутся ли другие города полуострова с потоками лавы. Новая гипервулканическая эра полуострова Рейкьянес только началась, и она может продлиться годы, десятилетия, а возможно, даже столетия.

«К сожалению, хороших новостей впереди нет», — сказал Йонсдоттир.