Rešilna napoved znanstvenikov o islandskem izbruhu | Revija Quanta

Novembra 10, 2023, Kristín Jónsdóttir, vodja oddelka za raziskovanje vulkanov pri islandskem meteorološkem uradu, je imel redek prost dan. "Bil je moj 50. rojstni dan," je rekla. Potem se je vse začelo tresti. Dan bi preživela strmela v svoj telefon in opazovala potrese, ki se razcvetijo na zemljevidih ​​islandskega polotoka Reykjanes.

Polotok doživlja razpokane izbruhe, kjer se tla razcepijo in lava izlije. Od konca oktobra je bila pozornost usmerjena v regijo Svartsengi na polotoku, kjer so priljubljeno zdravilišče Modra laguna, geotermalna elektrarna in obalno mesto Grindavík. Zadnji trije razpokani izbruhi na polotoku so z ognjem preplavili izolirane doline. Zdaj pa je bilo mesto ogroženo.

Vrtinec potresov 10. novembra je razkril, da se je zakopana magmatska reka vijugala proti Grindavíku in njegovim 3,600 prebivalcem. Še bolj moteče je, da je nasip - navpično telo magme, podobno zavesi tekočega ognja - izviral iz te podzemne reke in se ustavil tik pred površjem.

Oblasti so mesto hitro evakuirale. In potem so vsi čakali.

18. decembra je vulkanska razpoka razkosala tla na severovzhodu mesta in obarvala zimsko zemljo s staljeno kamnino. Intenzivni izbruh je trajal nekaj dni in ostal zunaj Grindavíka.

Nato so 3. januarja ob 14. uri zjutraj nekaj prebivalcev, ki so se vrnili na svoje domove, prebudili klaksoni in besedilna sporočila, ki so jim govorila, naj bežijo. Mesto je napadel nov izbruh. Ko se je končalo približno 60 ur kasneje, je bilo zajetih več hiš, vendar nihče ni umrl.

Prebivalci Grindavíka svoja življenja dolgujejo proaktivnim lokalnim oblastem, upraviteljem za nujne primere in preučevanju Zemljine notranjosti. Znanstveniki so sledili gibanju magme z dekodiranjem seizmičnih valov in izkrivljanj v skorji planeta. S kartiranjem vulkanskega vodovoda na polotoku gradijo boljše razumevanje delovanja vulkanizma na splošno, obenem pa si prizadevajo zagotoviti še natančnejše lokalne napovedi v prihodnosti.

Delo poteka; te vulkanske krize še zdaleč ni konec. Polotok, ki 800 let ni doživel izbruha, se je zdaj prebudil in geološki dokazi kažejo, da bi se izbruhi lahko nadaljevali leta, desetletja ali celo stoletja.

"Videli smo le delček lave, ki je prišla navzgor," je dejal Jónsdóttir. "Narava je mračna."

Moč geofizike

Izbruhi razpok — ki se pojavljajo tudi drugod na Islandiji, pa tudi na Havajih in (pred nekaj tisočletji) Idaho, Nova Mehika in Kalifornija — jih je težko napovedati. V nasprotju s klasičnimi vulkanskimi izbruhi, ki imajo gorato reliefno obliko, je težko natančno predvideti, kje se bodo razpoke materializirale.

Posebej nenavaden je razpokani vulkanizem polotoka Reykjanes. Starodavni tokovi lave, ki so zdaj zamrznjeni na svojem mestu, razkrivajo, da so izbruhi prizadeli to regijo več let, vendar da na obeh straneh teh epizod vulkanska aktivnost ni bila stoletja. Zadnje obdobje izbruhov se je končalo leta 1240 in to je bilo tretji te vrste na polotoku v zadnjih 4,000 letih, pri čemer je vsaka skupina ločena s približno osmimi stoletji. Toda zakaj obstaja ta približno 800-letna periodičnost? "Še vedno ne vemo, če sem iskren," je dejal Alberto Caracciolo, geolog na Univerzi na Islandiji.

Da vulkanizem sploh obstaja, ni šokantno. Polotok sedi na vrhu plašča - a vodnjak toplote ki se dviga od meje Zemljinega jedra in plašča. In sega čez Srednjeatlantski greben, izbruhom nagnjeno šivo med evrazijsko in severnoameriško ploščo. Zaradi tektonskega nemira Reykjanesa je območje postalo eno najbolj preučevanih vulkanskih območij na svetu.

Tako so leta 2020, ko je polotok začelo pretresati na desettisoče potresov in so se tla začela dvigovati, znanstveniki sumili, da bi lahko bil nemir uvod v vulkansko delovanje, ki je nastajalo osem stoletij. Le ugotoviti so morali, kje. 

Lovska magma

Ko magma razbije skalo globoko v Zemljini skorji, povzroči potrese z izrazitimi značilnostmi. Ti seizmični valovi in ​​njihove lastnosti dajejo znanstvenikom najbolj neposredne - in najmanj dvoumne - namige o prisotnosti in migraciji magme. Med vulkansko krizo, "če bi lahko imeli samo eno stvar," je rekel Sam Mitchell, vulkanolog z Univerze v Bristolu, "bi bilo to."

Magma v gibanju, če je dovolj plitva, tudi opazno deformira tla. Sateliti uporabljajo radar za ugotavljanje sprememb nadmorske višine v urah, dneh ali tednih. Zemeljske postaje GPS zagotavljajo tudi informacije visoke ločljivosti v realnem času o spremembah nadmorske višine.

Jónsdóttir sumi, da je bila kakofonija potresov, ki se je začela leta 2020, posledica tako magmatske migracije kot premikanja tektonskih plošč. Na Islandiji se evrazijska in severnoameriška plošča ne ločita čisto, ampak med premikanjem drgneta druga ob drugo. Med eruptivnimi cikli se kopiči veliko tektonskih obremenitev. Ko se nato magma prebije v podzemne razpoke vzdolž te meje, sproži sprostitev te napetosti v obliki močnih in pogostih potresov.

V začetku leta 2021 pa je ta magmatski stroj zamenjal prestavo. Tako spremembe višine kot potresni nemiri so nakazovali, da se magma zbira pod Fagradalsfjall, majhno vulkansko gomilo poleg nenaseljene doline. Več mesecev so v globoki skorji polotoka drhteli dolgotrajni potresi. Te vrste potresov »smo videli spodaj drugi vulkani po vsem svetu in še vedno niso popolnoma razumljeni,« je dejal Tom Winder, vulkanski seizmolog na islandski univerzi. Čeprav so zagonetni, nakazujejo, da se dogaja nekaj počasnega - morda postopno drobljenje vročega kamna ali meglice magme, ki se stiskajo skozi zožitev.

Nato pa je 19. marca 2021 polotok prvič po osmih stoletjih izbruhnil. Šest mesecev je staljena snov izvirala iz razpoke poleg Fagradalsfjalla. Sledila sta dva krajša izbruha, poleti 2022 in 2023.

Poleg tistih dolgotrajnih nizkotonskih tresljajev je splošna potresna simfonija, ki je bila pred tremi izbruhi Fagradalsfjalla, nakazovala, da je magma na površje ubirala nenavadno pot. Namesto da bi se nabrala v plitvi skorji, se je zdelo, da se staljena kamnina dviguje naravnost na površje iz velike globine - meje med skorjo in spodnjim kitastim plaščem. "To je precej nezaslišano," je dejal Winder.

V primerjavi z mnogimi islandskimi vulkanskimi sistemi se je Fagradalsfjall obnašal nenavadno, vendar se je vsaj dogajalo daleč od kogar koli ali karkoli.

Šele oktobra 2023 se je radovednost znanstvenikov spremenila v tesnobo, ko se je dejavnost preusmerila v z infrastrukturo obremenjeno regijo Svartsengi na jugu.

Bitka pri Grindavíku

Tla v regiji Svartsengi so se od leta 2020 večkrat dvignila, nato pa nehala, kar je pomenilo, da je magma prihajala v neenakomernih intervalih, čeprav brez izbruha. Toda proti koncu leta 2023 se je hitrost gibanja povečala. Magma je v regijo vstopala hitreje kot kdaj koli prej. Do sredine novembra je le nekaj kilometrov pod Svartsengijem ležal prag - vodoravno telo magme - slonjih razsežnosti. "Vsi so bili na trnih in pravzaprav nismo vedeli, kaj se bo zgodilo naslednje," je dejal Jónsdóttir. Ni bilo jasno, kje in kdaj bi lahko prišlo do izbruha.

Potresi, ki so novembra pretresli regijo, so pomagali pokazati pot. Sprva je njihovo število preobremenilo zmogljivosti islandskega meteorološkega urada za seizmično spremljanje, vendar je osebje hitro uspelo najti refren v kaosu in dešifrirati besedilo: Potresi, ki lomijo skale, so pomenili, da je nekaj magme zapustilo prag in se premaknilo vstran. In sateliti za spremljanje tal so potrdili, kar je nakazovala seizmičnost: Tla nad Svartsengijevim pragom so padla, ko je magma odtekla.

Lahko je bilo videti, kam je šla ta magma. Tla okoli Grindavíka so se ugrezala. Vulkanologu, ki je bral zemljo, ta vzorec ni razkril odsotnosti magme, ampak njen vdor. Magma, ki je zapustila prag, se je premaknila vstran, preden se je dvignila neposredno pod Grindavík. Ko se je dvignila, je ta navpična vitica magme potisnila skalne stene na svoje strani s poti. To pa je povzročilo, da se je zemlja nad vitico zdrsnila v novonastalo praznino. Kasneje znanstveniki bi poročal da je na neki točki med potresno nevihto 10. novembra približno 7,400 kubičnih metrov magme vsako sekundo švignilo iz praga v vitico.

Znake tega podzemnega premetavanja so opazili tudi v vrtinah geotermalne elektrarne. Vulkanski plini, kot je žveplov dioksid, pobegniti iz magme na majhnih globinah in lahko signalizira bližajoči se izbruh. Znanstveniki so videli ta plin in spremembo tlaka v vrtinah - še en znak, da se magma premika proti mestu.

Pod Grindavíkom je vzklila ogromna vitica magme, znana kot nasip, z grebenom le 800 metrov pod njegovimi ulicami.

V nekaj urah po potresni nevihti 10. novembra so znanstveniki identificirali 10 milj dolg del kopnega, kjer se je izbruh zdel zelo verjeten. Prerezal je Grindavík od niza starih vulkanskih kraterjev severovzhodno od mesta do njegovega jugozahoda. Do polnoči je islandska civilna zaščita evakuirala mesto, gradbeni delavci pa so v naglici gradili zaščitne zidove na območjih, ki jih bo najverjetneje zalila lava.

V naslednjih nekaj tednih so geofizikalna opazovanja pokazala, da magma še vedno teče v regijo. Do 18. decembra so znanstveniki na podlagi balonskih tal izračunali, da se je v pragu nabralo približno 11 milijonov kubičnih metrov sveže magme. Zdelo se je, da je to približno toliko, kot lahko drži. Tisti dan je še en hrupni tok magme zapustil prag in prenapolnil nasip. Potresi, ki lomijo skale, so znanstvenike opozorili, da se magma končno prebija na površje, in 90 minut po tem, ko so se ti potresi začeli, "smo imeli izbruh," je dejal Jónsdóttir. "To je bil res hiter dogodek." V naslednjih nekaj dneh je izbruh nasip dovolj izpraznil, da se je stabiliziral in posedel.

Ta vzorec se je ponovil pred izbruhom 14. januarja: 12 milijonov kubičnih metrov magme je napolnilo prag, preden je štiri ure pozneje sprožilo izbruh. Tokrat je iz 3,000 čevljev dolge razpoke, ki je nastala blizu enega od zaščitnih zidov na severu mesta, pricurljala peklenska snov, ki je uspela odbiti lavo. Druga, manjša razpoka pa se je pojavila čisto na robu mesta, za zidom, in porušila tri hiše.

Nato se je prag spet začel napihovati. Do te točke so znanstveniki izračunali, da bo izbruh postal zelo verjeten, ko bo prag napolnjen z najmanj 9 milijoni kubičnih metrov staljene snovi. Do začetka februarja je prag presegel ta prag in 8. februarja se je začel nov izbruh. V bližini mesta decembrskega izbruha se je odprla 3 kilometre dolga razpoka, ki je usmerjala lavo stran od Grindavíka, a proti cevi, ki oskrbuje večino polotoka s toplo vodo.

In tako se cikel nadaljuje.

Geokemična razodetja

Geofizične tehnike, ki jih znanstveniki uporabljajo za merjenje utripa Svartsengijevega magmatskega srca, ne sledijo le nevarnosti v realnem času. Pomagajo tudi sestaviti sliko arterij, ki usmerjajo vso to magmo na površje - kar je ključnega pomena za razumevanje celotnega polotoka in njegovega obnašanja v daljših časovnih okvirih.

Fagradalsfjall in Svartsengi - dva trenutno aktivna vulkanska sistema - loči le nekaj milj. Kljub njihovi bližini geološki dokazi močno kažejo, da gre za različna sistema. Njihove podzemne arhitekture so očitno drugačne. Pri Fagradalsfjallu magma hiti iz plašča naravnost na površje, pri Svartsengiju pa je začasno shranjena v plitvi skorji.

In vendar, presenetljivo, se zdi, da oba sistema črpata material iz istega vira v Zemljinem plašču, kar kaže na globoko povezavo.

Ed Marshall, geokemik na Univerzi na Islandiji, je preučeval sveže zajeto lavo iz izbruhov na obeh lokacijah, da bi poskušal ugotoviti, kako sta oba vulkanska sistema povezana in zakaj izbruhata izmenično. "Želite parkirati na mestu, kjer vas plin in lava ne bosta odnesla ven," je dejal. Potem "vstopiš, vzameš vzorec in greš ven."

Na splošno islandske lave kažejo podobne kemične vzorce. Toda "Fagradalsfjall ima najbolj čudno kemijo taljenja na svetu," je dejal Marshall, pri čemer je imel v mislih posebno mešanico elementov in spojin, ki sestavljajo njegovo magmatsko juho. »Pravzaprav ni samo čudno. Je edinstven.” Edinstven, to je, le da ima lava Svartsengi skoraj popolnoma enaki kemični prstni odtisi, čeprav sta Fagradalsfjall in Svartsengi na videz neodvisna vulkanska sistema. "To nima prav nobenega smisla," je dejal Marshall. "Narava se trenutno samo heca z nami."

Toda "če so stvari v globini fizično povezane," je dejal, "je to precej elegantna rešitev celotnega problema."

Seizmična analiza vulkanizma polotoka še poteka. Znanstveniki upajo, da bodo lahko napovedali, kje se bo naslednjič pojavil v prihodnjih mesecih in letih, kot so storili z nedavnimi izbruhi. Za začetek, Halldór Geirsson, geofizik na islandski univerzi, in njegovi kolegi uporabljajo satelitski radar za kartiranje prelomov in prelomov na polotoku v tem obdobju nemirov, kar domnevajo lahko razkrije skrite napake, vključno s tistimi, ki so lahko mesta prihodnjih izbruhov razpok.

Nobenega zagotovila ni, da bodo naslednji izbruhi sledili istemu vzorcu kot nedavni izbruhi Svartsengija - srce sistema s pragom nasipa ni nujno fiksna lastnost. »Vsakič, ko imate izbruh, zamenjate vodovodni sistem. Ne ponastavi se nazaj na nič,« je dejal Mitchell.

Prihodnja bivalna sposobnost Grindavíka je odprto vprašanje in treba je še videti, ali se bodo druga mesta na polotoku soočila s hudourniki lave. Nova hipervulkanska doba polotoka Reykjanes se je pravkar začela in bi lahko trajala leta, desetletja, morda celo stoletja.

"Na žalost pred nami ni dobrih novic," je dejal Jónsdóttir.