Внутрішнє рятівне передбачення вчених про виверження Ісландії | Журнал Quanta

У листопаді 10, 2023, Крістін Йонсдоттір, керівник відділу дослідження вулканів Ісландської метеорологічної служби, мав рідкісний вихідний. «Це був мій 50-й день народження, — сказала вона. Тоді все почало трястися. Вона проводила день, дивлячись на свій телефон, спостерігаючи, як землетруси розквітають на картах ісландського півострова Рейк’янес.

На півострові відбуваються тріщинні виверження, де земля розколюється і виливається лава. З кінця жовтня увага була зосереджена на регіоні півострова Сварценгі, де розташовані популярний курорт Блакитна лагуна, геотермальна електростанція та прибережне місто Гріндавік. Останні три тріщинні виверження півострова затопили вогнем окремі долини. Але тепер місто опинилося під загрозою.

Вир поштовхів 10 листопада показав, що похована магматична річка звивається до Гріндавіка та його 3,600 мешканців. Що ще більше засмучує те, що дамба — вертикальне магматичне тіло, схоже на завісу рідкого вогню — випливла з цієї підземної річки, зупинившись ледь від поверхні.

Влада швидко евакуювала місто. А потім всі чекали.

18 грудня вулканічна тріщина розколола землю на північному сході міста й пофарбувала зимовий ґрунт розплавленим камінням. Інтенсивне виверження тривало кілька днів і залишалося за межами Гріндавіка.

Тоді о третій годині ночі 3 січня небагатьох мешканців, які повернулися до своїх домівок, розбудили клаксони та текстові повідомлення з проханням тікати. Ще одне виверження вторглося в місто. До того моменту, як він закінчився приблизно через 14 годин, кілька будинків було поглинуто, але ніхто не загинув.

Жителі Ґріндавіка завдячують своїм життям ініціативній місцевій владі, менеджерам із надзвичайних ситуацій та вивченню надр Землі. Вчені відстежували рух магми, розшифровуючи сейсмічні хвилі та спотворення в корі планети. Створюючи карту вулканічного водопроводу півострова, вони створюють краще розуміння того, як працює вулканізм загалом, а також прагнуть надавати ще точніші місцеві прогнози в майбутньому.

Роботи тривають; ця вулканічна криза ще далека від завершення. Півострів, на якому не було вивержень 800 років, тепер прокинувся, і геологічні дані свідчать про те, що виверження можуть тривати роками, десятиліттями чи навіть століттями.

«Ми бачили лише невелику частину лави, — сказала Йонсдоттір. «Природа похмура».

Сила геофізики

Тріщинні виверження — які також трапляються в інших місцях Ісландії, а також на Гаваях і (кілька тисячоліть тому) Айдахо, Нью-Мексико та Каліфорнія — важко передбачити. На відміну від класичних вулканічних вивержень із гірською формою рельєфу, важко точно передбачити, де матеріалізуються тріщини.

Особливо своєрідним є тріщинний вулканізм півострова Рейкьянес. Стародавні потоки лави, які зараз застигли на місці, показують, що виверження вражали регіон протягом багатьох років, але по обидві сторони цих епізодів вулканічна активність була відсутня протягом століть. Останній період вивержень закінчився в 1240 році, і це було третій у своєму роді на півострові протягом останніх 4,000 років, з кожним кластером, розділеним приблизно вісьмома століттями. Але чому існує ця приблизно 800-річна періодичність? "Чесно кажучи, ми ще не знаємо", - сказав Альберто Караччоло, геолог Університету Ісландії.

Те, що вулканізм взагалі є, не шокує. Півострів розташований на вершині мантійного плюму — a фонтан тепла що піднімається від межі ядро-мантія Землі. І він простягається на Серединно-Атлантичний хребет, схильний до вивержень шов між Євразійською та Північноамериканською плитами. Тектонічний неспокій Рейкьянеса зробив цей район одним із найбільш ретельно досліджуваних вулканічних регіонів у світі.

Отже, у 2020 році, коли десятки тисяч землетрусів почали стрясати півострів і земля почала розбухати, вчені підозрювали, що хвилювання може бути прелюдією до вулканічної активності, яка тривала вісім століть. Їм залишалося тільки зрозуміти, де. 

Мисливська магма

Коли магма розбиває скелі глибоко в земній корі, це створює землетруси з чіткими ознаками. Ці сейсмічні хвилі та їхні властивості дають вченим найбезпосередніші — і найменш неоднозначні — підказки щодо присутності та міграції магми. Під час вулканічної кризи кажуть: «Якби у вас була лише одна річ». Сем Мітчелл, вулканолог з Брістольського університету, «це було б так».

Магма в русі, якщо вона досить неглибока, також помітно деформує грунт. Супутники використовують радар, щоб визначити зміни висоти протягом годин, днів або тижнів. Наземні GPS-станції також надають інформацію з високою роздільною здатністю в реальному часі про зміни висоти.

Йонсдоттір підозрює, що какофонія землетрусів, яка почалася в 2020 році, була спричинена як магматичною міграцією, так і рухом тектонічних плит. В Ісландії Євразійська та Північноамериканська плити не розділяються чітко, а стираються одна об одну під час зміщення. Між еруптивними циклами накопичується велика тектонічна напруга. Потім, коли магма проникає в підземні тріщини вздовж цього кордону, це викликає розрядку цієї напруги у формі сильних і частих землетрусів.

Однак на початку 2021 року ця магматична машина перемкнула передачу. Як зміни висоти, так і сейсмічні хвилювання свідчать про те, що магма збирається під Фаградальсф’ялом, невеликим вулканічним курганом поруч із безлюдною долиною. Протягом багатьох місяців у глибокій корі півострова тремтіли довготривалі землетруси. Такі типи землетрусів «були помічені внизу інші вулкани у всьому світі, і досі не повністю зрозумілі», – сказав Том Віндер, вулканолог-сейсмолог з Університету Ісландії. Незважаючи на загадковість, вони припускають, що відбувається щось повільне — можливо, поступове роздроблення гарячої породи або згустків магми, які продавлюються через звуження.

Потім, 19 березня 2021 року, на півострові вперше за вісім століть сталося виверження. Протягом шести місяців розплавлена ​​речовина фонтанувала з тріщини поруч із Фаградальсф’ялом. Потім відбулося два коротших виверження влітку 2022 і 2023 років.

Крім цих басових довготривалих тремтінь, загальна сейсмічна симфонія, яка передувала трьом спалахам Fagradalsfjall, свідчила про те, що магма йшла незвичним шляхом до поверхні. Замість того, щоб накопичуватися в дрібній корі, розплавлена ​​порода, здавалося, летіла прямо на поверхню з великої глибини — межі між корою та підстильною мантією, схожою на замазку. «Це нечувано», — сказав Віндер.

Порівняно з багатьма ісландськими вулканічними системами, Fagradalsfjall діяв дивно, але принаймні це відбувалося далеко від будь-кого та нічого.

Лише у жовтні 2023 року цікавість вчених змінилася на занепокоєння, коли активність перемістилася до навантаженого інфраструктурою регіону Сварценгі на півдні.

Битва при Гріндавіку

З 2020 року ґрунт у регіоні Сварценгі піднімався, а потім припиняв підніматися кілька разів, що означає, що магма надходить через нерегулярні проміжки часу, хоча й не вивергається. Але ближче до кінця 2023 року темпи руху різко зросли. Магма входила в регіон швидше, ніж будь-коли. До середини листопада підвіконня — горизонтальне тіло магми — слонячих розмірів знаходилося лише за кілька кілометрів нижче Сварценгі. «Усі були на хвилі, і ми насправді не знали, що буде далі», — сказала Йонсдоттір. Невідомо, де і коли може статися виверження.

Землетруси, які сколихнули регіон у листопаді, допомогли вказати шлях. Спочатку їх величезна кількість перевантажувала можливості сейсмічного моніторингу Ісландської метеорологічної служби, але співробітникам швидко вдалося знайти приспів у хаосі та розшифрувати його слова: землетруси, що розбивають скелі, означали, що частина магми залишила поріжок і посунулася вбік. Супутники наземного моніторингу підтвердили сейсмічні дані: ґрунт над підвіконням Сварценгі впав під час витоку магми.

Було легко побачити, куди поділася магма. Земля навколо Гріндавіка просідала. Для вулканолога, який читає сушу, ця картина показала не відсутність магми, а її проникнення. Магма, що залишила підвіконня, перемістилася вбік, перш ніж замерехтіти вгору прямо під Ґріндавіком. Піднімаючись, цей вертикальний вусик магми штовхнув стіни скелі вбік. Це, у свою чергу, призвело до того, що земля над вусиком опустилася в новостворену порожнечу. Пізніше вчені доповів би що в один момент під час шторму землетрусу 10 листопада приблизно 7,400 кубічних метрів магми щосекунди виливалося з підвіконня в вусик.

Ознаки цього підземного перемішування також були помічені всередині свердловин геотермальної електростанції. Вулканічні гази, такі як діоксид сірки, втекти від магми на невеликій глибині і може сигналізувати про наближення виверження. Вчені побачили цей газ і зміну тиску в свердловинах — це ще одна ознака того, що магма рухається до міста.

Величезний вусик магми, відомий як дамба, проріс під Ґріндавіком із гребенем лише на 800 метрів нижче вулиць.

За кілька годин після землетрусу 10 листопада вчені визначили ділянку землі завдовжки 10 миль, де виверження здавалося дуже ймовірним. Він прорізав Ґріндавік від серії старих вулканічних кратерів на північний схід від міста на південний захід. До опівночі цивільний захист Ісландії евакуював місто, а будівельники поспішно побудували захисні стіни в районах, які, швидше за все, були затоплені лавою.

Протягом наступних кількох тижнів геофізичні спостереження показали, що магма все ще надходить у регіон. До 18 грудня вчені підрахували, що на підвіконні накопичилося близько 11 мільйонів кубічних метрів свіжої магми. Здавалося, це приблизно стільки, скільки воно могло вмістити. Того дня ще один шумний потік магми покинув поріжок і переповнив дамбу. Скелетруси попередили вчених про те, що магма нарешті вирвалася на поверхню, і через 90 хвилин після початку цих землетрусів «у нас відбулося виверження», — сказала Йонсдоттір. «Це була дуже швидка подія». Протягом наступних кількох днів виверження достатньо осушило дамбу, щоб вона стабілізувалася та осіла.

Ця картина повторилася перед виверженням 14 січня: 12 мільйонів кубічних метрів магми заповнили порог, перш ніж спровокувати виверження через чотири години. Цього разу з тріщини завдовжки 3,000 футів, що виникла біля однієї із захисних стін на півночі міста, височилася пекельна речовина, яка зуміла відхилити лаву. Але друга, менша тріщина з'явилася прямо на краю міста, за муром, і зруйнувала три будинки.

Після цього поріг знову почав надуватися. До цього моменту вчені підрахували, що виверження стане дуже ймовірним, коли підвіконня заповниться щонайменше 9 мільйонами кубічних метрів розплавленої речовини. До початку лютого силл перевищив цей поріг, і 8 лютого почалося ще одне виверження. 3-кілометрова тріщина відкрилася поблизу місця грудневого виверження, направляючи лаву від Гріндавіка до труби, яка постачає гарячу воду на більшу частину півострова.

І так цикл продовжується.

Геохімічні відкриття

Геофізичні методи, які вчені використовують для вимірювання пульсу магматичного серця Сварценгі, не просто відстежують небезпеку в реальному часі. Вони також допомагають побудувати картину артерій, які спрямовують усю цю магму на поверхню — що має вирішальне значення для розуміння всього півострова та того, як він може поводитися в більш тривалих проміжках часу.

Фаградальсфьялл і Сварценгі — дві нині діючі вулканічні системи — розділені лише кількома милями. Незважаючи на їхню близькість, геологічні дані переконливо свідчать про те, що це різні системи. Їхня підземна архітектура явно відрізняється. У Fagradalsfjall магма виривається з мантії прямо на поверхню, тоді як у Svartsengi вона тимчасово зберігається в мілкій корі.

І все ж дивує те, що дві системи, здається, черпають матеріал з одного джерела в мантії Землі, що свідчить про глибокий зв’язок.

Ед Маршалл, геохімік з Університету Ісландії, досліджував щойно зібрану лаву з вивержень на обох ділянках, щоб спробувати визначити, як дві вулканічні системи пов’язані між собою та чому вони по черзі вивергалися. "Ви хочете припаркуватися в місці, де газ і лава не збираються винести вас", - сказав він. Тоді «ви заходите, берете зразок і виходите геть».

Загалом ісландські лави демонструють подібні хімічні структури. Але «Fagradalsfjall має найдивнішу у світі хімію розплаву», — сказав Маршалл, маючи на увазі специфічну суміш елементів і сполук, які складають його магматичний суп. «Насправді це не просто дивно. Це унікально». Унікальний, тобто хіба що лава Сварценгі має майже однакові хімічні відбитки пальців, навіть незважаючи на те, що Fagradalsfjall і Svartsengi є, здавалося б, незалежними вулканічними системами. «У цьому немає абсолютно ніякого сенсу», — сказав Маршалл. «На даний момент природа просто знущається з нами».

Але «якщо речі фізично пов’язані на глибині, — сказав він, — це досить елегантне рішення всієї проблеми».

Сейсмічний аналіз вулканізму півострова триває. Вчені сподіваються, що зможуть спрогнозувати, де він з’явиться наступним чином у найближчі місяці та роки, як вони зробили з недавніми виверженнями. Для початку, Халдор Гейрссон, геофізик з Університету Ісландії, і його колеги використовують супутниковий радар для картографування розломів і тріщин на півострові під час цього періоду хвилювань, які вони припускають може виявити приховані недоліки, включаючи ті, які можуть бути місцями майбутніх вивержень тріщин.

Немає жодної гарантії, що наступні виверження відбуватимуться за тією ж схемою, що й нещодавні спалахи Сварценгі — «серце системи підвіконної дамби» не обов’язково є постійним елементом. «Щоразу, коли у вас виверження, ви змінюєте водопровідну систему. Він не повертається до нуля», — сказав Мітчелл.

Питання про придатність Ґріндавіка для життя в майбутньому залишається відкритим, і ще невідомо, чи інші міста півострова зіткнуться з потоками лави. Нова гіпервулканічна ера півострова Рейкьянес тільки почалася і може тривати роки, десятиліття, можливо, навіть століття.

«На жаль, попереду немає хороших новин», — сказала Йонсдоттір.