Inside forskarnas livräddande förutsägelse av Islands utbrott | Quanta Magazine

Den november 10, 2023, Kristín Jónsdóttir, chef för det isländska meteorologiska kontorets avdelning för vulkanforskning, hade en sällsynt ledig dag. "Det var min 50-årsdag", sa hon. Sedan började allt skaka. Hon tillbringade dagen med att stirra på sin telefon och såg jordbävningarna blomma över kartor över Islands Reykjaneshalvön.

Halvön upplever sprickutbrott, där marken spricker upp och lava rinner ut. Sedan slutet av oktober har uppmärksamheten riktats mot halvöns Svartsengi-region – hem till det populära Blue Lagoon-spaet, ett geotermiskt kraftverk och kuststaden Grindavík. Halvöns tre senaste sprickutbrott hade översvämmat isolerade dalar med eld. Men nu var staden hotad.

Malströmmen av rysningar den 10 november avslöjade att en nedgrävd magmatisk flod hade slingrat sig mot Grindavík och dess 3,600 XNUMX invånare. Mer plågsamt var det att en vall - en vertikal magmakropp som liknar en ridå av flytande eld - hade sprungit upp från den underjordiska floden, och stannade bara för ytan.

Snabbt evakuerade myndigheterna staden. Och sedan väntade alla.

Den 18 december klöv en vulkanisk spricka marken mot stadens nordost och målade den vintriga jorden med smält sten. Det intensiva utbrottet varade några dagar och stannade utanför Grindavík.

Sedan klockan 3 på morgonen den 14 januari väcktes de få invånare som hade återvänt till sina hem av tjurar och textmeddelanden som sa åt dem att fly. Ytterligare ett utbrott hade invaderat staden. När det tog slut cirka 60 timmar senare hade flera hus blivit uppslukade, men ingen hade dött.

Grindavíks invånare är skyldiga sina liv till proaktiva lokala myndigheter, räddningstjänstchefer och studier av jordens inre. Forskare hade spårat magmans rörelse genom att avkoda seismiska vågor och förvrängningar i planetens skorpa. Genom att kartlägga halvöns vulkaniska VVS bygger de en bättre förståelse för hur vulkanism fungerar i allmänhet, samtidigt som de strävar efter att ge ännu mer exakta lokala prognoser i framtiden.

Arbetet pågår; denna vulkankris är långt ifrån över. En halvö som inte hade sett ett utbrott på 800 år har nu vaknat, och geologiska bevis tyder på att utbrotten kan fortsätta i år, decennier eller till och med århundraden.

"Vi har bara sett en bråkdel av lavan komma upp", sa Jónsdóttir. "Naturen är dyster."

Geofysikens kraft

Sprickutbrott — som också förekommer på andra håll på Island, såväl som på Hawaii och (flera årtusenden sedan) Idaho, New Mexico och Kalifornien — är svåra att förutse. I motsats till klassiska vulkanutbrott med en bergig landform är det svårt att förutsäga exakt var sprickorna kommer att uppstå.

Reykjaneshalvöns sprickvulkanism är särskilt märklig. Forntida lavaflöden, nu frusna på plats, avslöjar att utbrott har drabbat regionen i många år i taget, men att vulkanisk aktivitet på båda sidor om dessa episoder var frånvarande i århundraden. Den sista perioden av utbrott slutade 1240, och det var den tredje i sitt slag på halvön under de senaste 4,000 800 åren, med varje kluster åtskilda av ungefär åtta århundraden. Men varför existerar denna ungefär XNUMX-åriga periodicitet? "Vi vet fortfarande inte, för att vara ärlig," sa Alberto Caracciolo, en geolog vid Islands universitet.

Att det överhuvudtaget finns vulkanism är inte chockerande. Halvön ligger på toppen av en mantelplym - en värmekälla stiger från jordens kärna-mantel gräns. Och den gränsar över Mid-Atlantic Ridge, en utbrottsbenägen sutur mellan de eurasiska och nordamerikanska plattorna. Reykjaness tektoniska rastlöshet har gjort området till ett av de mest granskade vulkanområdena i världen.

Så år 2020, när tiotusentals skalv började skaka halvön och marken började svälla, misstänkte forskare att uppståndelsen kan vara ett förspel till en vulkanisk föreställning under åtta århundraden i vardande. De behövde bara ta reda på var. 

Jagar Magma

När magma bryter sten djupt i jordskorpan skapar det jordbävningar med distinkta signaturer. Dessa seismiska vågor och deras egenskaper förser forskarna med de mest omedelbara – och minst tvetydiga – ledtrådarna om förekomsten och migrationen av magma. Under en vulkankris, "om du bara kunde ha en sak", sa Sam Mitchell, en vulkanolog vid University of Bristol, "det skulle vara det."

Magma i rörelse, om det är tillräckligt grunt, deformerar också marken märkbart. Satelliter använder radar för att identifiera förändringar i höjd under loppet av timmar, dagar eller veckor. Markbaserade GPS-stationer ger också högupplöst realtidsinformation om höjdförändringar.

Jónsdóttir misstänker att kakofonien av skalv som började 2020 berodde på både magmatisk migration och rörelsen av tektoniska plattor. På Island separeras inte de eurasiska och nordamerikanska plattorna rent utan skrapar mot varandra när de skiftar. Mellan eruptiva cykler byggs massor av tektonisk stress upp. Sedan, när magma maskar sig in i underjordiska sprickor längs denna gräns, utlöser den den spänningen i form av kraftiga och frekventa skalv.

I början av 2021 bytte dock denna magmatiska maskin. Både höjdförändringar och seismisk uppståndelse antydde att magma samlades under Fagradalsfjall, en liten vulkanhög intill en obebodd dal. Under många månader hade långvariga skalv huttrat i halvöns djupa skorpa. Dessa typer av jordbävningar "har setts under andra vulkaner runt om i världen och är fortfarande inte helt förstådda”, sa Tom Winder, en vulkanseismolog vid Islands universitet. Även om de är gåtfulla, antyder de att något långsamt händer - den gradvisa fragmenteringen av heta stenar, kanske, eller magmaklumpar som klämmer sig genom en förträngning.

Sedan, den 19 mars 2021, bröt halvön ut för första gången på åtta århundraden. Under sex månader rann smält material från en spricka intill Fagradalsfjall. Två kortare utbrott följde, somrarna 2022 och 2023.

Bortsett från dessa basliknande långperiodiska darrningar, antydde den övergripande seismiska symfonin som föregick de tre Fagradalsfjall-utbrotten att magma tog en ovanlig väg till ytan. Istället för att samlas i den grunda skorpan, verkade smält sten raketera rakt upp till ytan från ett stort djup - gränsen mellan skorpan och den underliggande, kittliknande manteln. "Det är ganska ovanligt," sa Winder.

Jämfört med många isländska vulkansystem agerade Fagradalsfjall konstigt, men det hände åtminstone långt ifrån någon eller något.

Det var inte förrän i oktober 2023 som forskarnas nyfikenhet förvandlades till ångest när aktiviteten flyttades till den infrastrukturtyngda Svartsengi-regionen i söder.

Slaget vid Grindavík

Marken i Svartsengi-regionen hade stigit och sedan slutat stiga flera gånger sedan 2020, vilket tyder på att magma anlände med oregelbundna intervall, men utan att få utbrott. Men mot slutet av 2023 ökade rörelsetakten. Magma kom in i regionen snabbare än någonsin. I mitten av november satt en tröskel - en horisontell kropp av magma - av elefantiska proportioner bara några kilometer nedanför Svartsengi. "Alla var på tårna och vi visste inte riktigt vad som skulle hända härnäst," sa Jónsdóttir. Det var inte klart var eller när ett utbrott kunde äga rum.

Skalven som skakade regionen i november hjälpte till att visa vägen. Till en början överbelastade deras stora antal den isländska meteorologiska kontorets seismiska övervakningsmöjligheter, men personalen lyckades snabbt hitta refrängen i kaoset och dechiffrera dess texter: Stenbrytande skalv innebar att en del magma hade lämnat tröskeln och rört sig i sidled. Och markövervakningssatelliter bekräftade vad seismiciteten antydde: Marken ovanför Svartsengis tröskel hade fallit när magma dränerades.

Det var lätt att se var den magman hade tagit vägen. Marken runt Grindavík höll på att sjunka. För en vulkanolog som läste landet avslöjade det mönstret inte en frånvaro av magma, utan ett intrång av det. Magman som lämnade tröskeln hade rört sig i sidled innan den svävade uppåt direkt under Grindavík. När den reste sig tryckte denna vertikala ranka av magma stenväggarna åt sina sidor ur vägen. Det fick i sin tur landet ovanför rankan att rasa ner i det nyskapade tomrummet. Senare forskare skulle anmäla att vid ett tillfälle under skalvstormen den 10 november strömmade cirka 7,400 XNUMX kubikmeter magma från tröskeln in i rankan varje sekund.

Tecken på denna underjordiska blandning sågs även inne i geotermiska kraftverkets borrhål. Vulkaniska gaser, som svaveldioxid, fly från magma på grunt djup och kan signalera ett förestående utbrott. Forskare såg att gasen, och en förändring i trycket, i borrhålen - en annan indikation på att magma var på väg mot staden.

En kolossal ranka av magma, känd som en vall, hade vuxit fram under Grindavík, med ett krön bara 800 meter under dess gator.

Inom några timmar efter jordbävningsstormen den 10 november identifierade forskare en 10 mil lång del av landet där ett utbrott verkade mycket troligt. Den skar genom Grindavík från en rad gamla vulkankratrar nordost om staden till dess sydväst. Vid midnatt hade Islands civilskydd evakuerat staden, och byggnadsarbetare byggde skyndsamt skyddsmurar i de områden som mest sannolikt skulle översvämmas av lava.

Under de närmaste veckorna visade geofysiska observationer att magma fortfarande strömmade in i regionen. Den 18 december, baserat på ballongbanan, beräknade forskare att cirka 11 miljoner kubikmeter färsk magma hade samlats i tröskeln. Det verkade vara ungefär så mycket som det kunde hålla. Den dagen lämnade ett annat bullrigt flöde av magma tröskeln och överfyllde vallen. Stenbrytande jordbävningar varnade forskare för att magma äntligen gjorde ett avbrott för ytan, och 90 minuter efter det att dessa skalv började, "hade vi utbrottet", sa Jónsdóttir. "Det var en riktigt snabb händelse." Under de närmaste dagarna dränerade utbrottet vallen tillräckligt mycket för att den skulle stabiliseras och sätta sig.

Det mönstret upprepades före utbrottet den 14 januari: 12 miljoner kubikmeter magma stoppade tröskeln innan det utlöste ett utbrott fyra timmar senare. Den här gången sipprade infernalisk materia ut ur en 3,000 XNUMX fot lång spricka som dök upp nära en av de skyddande murarna i stadens norra, som lyckades avleda lavan. Men en andra, mindre spricka dök upp precis vid stadens utkant, bakom muren, och förstörde tre hus.

Efteråt började tröskeln blåsa upp igen. Vid det här laget hade forskare beräknat att ett utbrott skulle bli mycket troligt när tröskeln fylldes med minst 9 miljoner kubikmeter smält material. I början av februari hade tröskeln överskridit den tröskeln och den 8 februari började ett nytt utbrott. En 3 kilometer lång spricka öppnade sig nära platsen för decemberutbrottet och ledde lava bort från Grindavík men mot ett rör som försörjer varmvatten till stora delar av halvön.

Och så fortsätter cykeln.

Geokemiska uppenbarelser

De geofysiska tekniker som forskare använder för att ta pulsen på Svartsengis magmatiska hjärta spårar inte bara faran i realtid. De hjälper också till att konstruera en bild av artärerna som leder all magma till ytan - vilket är avgörande för att förstå hela halvön och hur den kan bete sig på längre tidsramar.

Fagradalsfjall och Svartsengi - de två för närvarande aktiva vulkaniska systemen - är åtskilda med bara några mil. Trots deras närhet tyder geologiska bevis starkt på att de är distinkta system. Deras underjordiska arkitekturer är uppenbart annorlunda. Vid Fagradalsfjall forsar magma från manteln rakt upp till ytan, medan den vid Svartsengi tillfälligt lagras i den grunda skorpan.

Och ändå, förbryllande, verkar de två systemen dra material från samma källa i jordens mantel, vilket tyder på en djup koppling.

Ed Marshall, en geokemist vid Islands universitet, har studerat nyskött lava från utbrott på båda platserna för att försöka fastställa hur de två vulkaniska systemen är sammankopplade och varför de turats om att få utbrott. "Du vill parkera på en plats där gasen och lavan inte kommer att ta dig ut," sa han. Sedan "går du in, du tar provet, och du får ur dig."

I allmänhet visar isländska lavor liknande kemiska mönster. Men "Fagradalsfjall har världens konstigaste smältkemi," sa Marshall, med hänvisning till den specifika blandningen av element och föreningar som utgör dess magmatiska soppa. "Det är faktiskt inte bara konstigt. Det är unikt.” Unikt, alltså förutom att Svartsengi-lavan har nästan exakt samma kemiska fingeravtryck, även om Fagradalsfjall och Svartsengi är till synes oberoende vulkaniska system. "Det är absolut ingen mening," sa Marshall. "Naturen bråkar bara med oss ​​vid det här laget."

Men "om saker är fysiskt sammankopplade på djupet," sa han, "är det en ganska elegant lösning på hela problemet."

Seismisk analys av halvöns vulkanism pågår. Forskare hoppas kunna förutsäga var den kommer att dyka upp härnäst under de kommande månaderna och åren, som de gjorde med de senaste utbrotten. Som en början, Halldór Geirsson, en geofysiker vid Islands universitet, och hans kollegor använder satellitradar för att kartlägga fel och sprickor på halvön under denna period av oro, vilket de föreslår kan avslöja dolda fel, inklusive de som kan vara platser för framtida sprickutbrott.

Det finns ingen garanti för att efterföljande utbrott kommer att följa samma mönster som Svartsengis senaste utbrott - systemets tröskelvallshjärta är inte nödvändigtvis ett fast inslag. "Varje gång du har ett utbrott byter du rörsystem. Den återställs inte till noll”, sa Mitchell.

Grindavíks framtida beboelighet är en öppen fråga, och det återstår att se om halvöns andra städer kommer att konfronteras med lavaströmmar. Reykjaneshalvöns nya hypervulkaniska era har precis börjat, och den kan pågå i år, årtionden, kanske till och med århundraden.

"Tyvärr finns det inga goda nyheter framöver," sa Jónsdóttir.