Przewidywanie aktywności wulkanicznej - Prediction of volcanic activity

Przewidywanie erupcji wulkanu lub prognozowanie erupcji wulkanu to interdyscyplinarny monitoring i wysiłek badawczy w celu przewidzenia czasu i nasilenia erupcji wulkanu . Szczególnie ważne jest przewidywanie niebezpiecznych erupcji, które mogą doprowadzić do katastrofalnej utraty życia, mienia i zakłócenia działalności człowieka.

Góra St. Helens wybuchła wybuchowo 18 maja 1980 roku o godzinie 8:32 czasu PDT

Fale sejsmiczne (sejsmiczność)

Ogólne zasady sejsmologii wulkanicznej

  • Aktywność sejsmiczna (trzęsienia ziemi i wstrząsy) zawsze występuje, gdy wulkany budzą się i przygotowują do erupcji i są bardzo ważnym ogniwem w erupcjach. Niektóre wulkany zwykle wykazują ciągłą aktywność sejsmiczną na niskim poziomie, ale wzrost może sygnalizować większe prawdopodobieństwo erupcji. Kluczowymi znakami są również rodzaje trzęsień ziemi, które mają miejsce oraz ich początek i koniec. Sejsmiczność wulkaniczna ma trzy główne formy: krótkookresowe trzęsienie ziemi , długookresowe trzęsienie ziemi i drżenie harmoniczne .
  • Krótkookresowe trzęsienia ziemi są jak normalne trzęsienia ziemi spowodowane błędami. Są one spowodowane pękaniem kruchej skały, gdy magma wdziera się w górę. Te krótkookresowe trzęsienia ziemi oznaczają wzrost ciała magmowego blisko powierzchni i są znane jako fale „A”. Tego typu zdarzenia sejsmiczne są często określane również jako zdarzenia wulkaniczno-tektoniczne (lub VT) lub trzęsienia ziemi.
  • Uważa się, że długotrwałe trzęsienia ziemi wskazują na wzrost ciśnienia gazu w systemie wodno-kanalizacyjnym wulkanu. Są one podobne do brzęczenia czasami słyszanego w systemie wodno-kanalizacyjnym domu, znanego jako „ uderzenie wodne ”. Te oscylacje są odpowiednikiem drgań akustycznych w komorze, w kontekście komór magmowych w kopule wulkanicznej i są znane jako fale „B”. Są one również znane jako fale rezonansowe i zdarzenia rezonansowe o długim okresie.
  • Wstrząsy harmoniczne są często wynikiem napierania magmy na leżącą pod powierzchnią skałę. Czasami mogą być na tyle silne, że ludzie i zwierzęta odczuwają ich brzęczenie lub brzęczenie, stąd nazwa.

Wzory sejsmiczności są złożone i często trudne do interpretacji; jednak rosnąca aktywność sejsmiczna jest dobrym wskaźnikiem wzrostu ryzyka erupcji, zwłaszcza jeśli dominują zdarzenia długookresowe i pojawiają się epizody drżenia harmonicznego.

Korzystając z podobnej metody, naukowcy mogą wykrywać erupcje wulkanów, monitorując infradźwięki — podsłyszalne poniżej 20 Hz. IMS Global Infrasound Network, pierwotnie powołana w celu weryfikacji zgodności z traktatami o zakazie prób jądrowych, ma 60 stacji na całym świecie, które pracują nad wykrywaniem i lokalizowaniem wybuchających wulkanów. .

Studia przypadków sejsmicznych

Związek między zdarzeniami długookresowymi a nieuchronnymi erupcjami wulkanicznymi po raz pierwszy zaobserwowano w zapisach sejsmicznych z erupcji Nevado del Ruiz w Kolumbii z 1985 roku . Wystąpienie zdarzeń długookresowych posłużyło następnie do przewidzenia erupcji Mount Redoubt na Alasce w 1989 roku i erupcji Galeras w Kolumbii w 1993 roku . W grudniu 2000 roku naukowcy z Krajowego Centrum Zapobiegania Katastrofom w Mexico City przewidzieli erupcję w ciągu dwóch dni w Popocatépetl , na przedmieściach Mexico City. W ich przewidywaniu wykorzystano badania przeprowadzone przez Bernarda Choueta , szwajcarskiego wulkanologa, który pracował w United States Geological Survey i który jako pierwszy zaobserwował związek między zdarzeniami długookresowymi a zbliżającą się erupcją. Rząd ewakuował dziesiątki tysięcy ludzi; 48 godzin później wulkan wybuchł zgodnie z przewidywaniami. Była to największa erupcja Popocatépetla od tysiąca lat, ale nikt nie został ranny.

Wstrząsy lodowcowe

Podobieństwa między wstrząsami gór lodowych , które występują, gdy osiadły na mieliźnie, a wstrząsami wulkanicznymi mogą pomóc ekspertom w opracowaniu lepszej metody przewidywania erupcji wulkanicznych . Chociaż góry lodowe mają znacznie prostsze struktury niż wulkany, fizycznie łatwiej się z nimi pracuje. Podobieństwa między wstrząsami wulkanicznymi i górami lodowymi obejmują długie czasy trwania i amplitudy , a także częste zmiany częstotliwości .

Emisja gazu

Pióropusz gazu i popiołu wybuchł z góry Pinatubo na Filipinach.

Gdy magma zbliża się do powierzchni, a jej ciśnienie spada, gazy uciekają. Ten proces jest bardzo podobny do tego, co dzieje się, gdy otwierasz butelkę napoju gazowanego i ulatnia się dwutlenek węgla. Dwutlenek siarki jest jednym z głównych składników gazów wulkanicznych, a jego rosnące ilości zwiastują napływ coraz większej ilości magmy w pobliżu powierzchni. Na przykład 13 maja 1991 roku z góry Pinatubo na Filipinach uwalniana była coraz większa ilość dwutlenku siarki . 28 maja, zaledwie dwa tygodnie później, emisje dwutlenku siarki wzrosły do ​​5000 ton, dziesięciokrotnie więcej niż wcześniej. Mount Pinatubo wybuchł później 12 czerwca 1991 roku. Kilkakrotnie, na przykład przed erupcją Mount Pinatubo i erupcją Galeras w Kolumbii w 1993 roku , emisje dwutlenku siarki spadły do ​​niskiego poziomu przed erupcjami. Większość naukowców uważa, że ​​ten spadek poziomu gazu jest spowodowany uszczelnieniem kanałów gazowych utwardzoną magmą. Takie zdarzenie prowadzi do wzrostu ciśnienia w systemie wodno-kanalizacyjnym wulkanu i zwiększonej szansy na wybuch wybuchu. Wieloskładnikowy układ analizatora gazu (Multi-gas) jest pakietem urządzenie zajmowało czasie rzeczywistym pomiarów o wysokiej rozdzielczości wulkanicznych plamy gazu. Wielogazowe pomiary stosunków CO 2 /SO 2 mogą umożliwić wykrycie przederupcyjnego odgazowania rosnących magm, poprawiając przewidywanie aktywności wulkanicznej.

Deformacja gruntu

Pęcznienie wulkanu sygnalizuje nagromadzenie się magmy w pobliżu powierzchni. Naukowcy monitorujący aktywny wulkan często mierzą nachylenie zbocza i śledzą zmiany tempa pęcznienia. Zwiększone tempo pęcznienia, zwłaszcza jeśli towarzyszy mu wzrost emisji dwutlenku siarki i drgania harmoniczne, jest znakiem wysokiego prawdopodobieństwa zbliżającego się zdarzenia. Deformacja z Mount St Helens przed 18 maja, 1980 wybuch był klasycznym przykładem odkształcenia, a po północnej stronie wulkanu był wybrzuszony do góry jak magma budował się pod spodem. Większość przypadków deformacji gruntu jest zwykle wykrywana tylko przez wyrafinowany sprzęt używany przez naukowców, ale nadal mogą oni w ten sposób przewidzieć przyszłe erupcje. Wulkany hawajskie wykazują znaczną deformację gruntu; następuje inflacja gruntu przed erupcją, a następnie widoczna deflacja po erupcji. Wynika to z płytkiej komory magmowej hawajskich wulkanów; ruch magmy jest łatwo zauważalny na ziemi powyżej.

Monitorowanie termiczne

Zarówno ruch magmy, zmiany w uwalnianiu gazu, jak i aktywność hydrotermalna mogą prowadzić do zmian emisyjności termicznej na powierzchni wulkanu. Można je zmierzyć za pomocą kilku technik:

Hydrologia

Istnieją 4 główne metody, które można wykorzystać do przewidywania erupcji wulkanu za pomocą hydrologii:

  • Pomiary hydrologiczne i hydrauliczne odwiertów i studni są coraz częściej wykorzystywane do monitorowania zmian ciśnienia gazu podpowierzchniowego i reżimu termicznego wulkanów. Zwiększone ciśnienie gazu spowoduje wzrost i nagły spadek poziomu wody tuż przed erupcją, a ogniskowanie termiczne (zwiększony lokalny przepływ ciepła) może zmniejszyć lub wysuszyć warstwy wodonośne.
  • Wykrywanie laharów i innych szczątków przepływa w pobliżu ich źródeł. Naukowcy z USGS opracowali niedrogi, trwały, przenośny i łatwy do zainstalowania system do wykrywania i ciągłego monitorowania napływu i przechodzenia spływów gruzowych i powodzi w dolinach rzek, które odwadniają aktywne wulkany.
  • Osady sprzed erupcji mogą zostać zebrane przez kanał rzeczny otaczający wulkan, co wskazuje, że faktyczna erupcja może być nieuchronna. Większość osadów jest transportowana z wododziałów naruszonych przez wulkany w okresach obfitych opadów. Może to wskazywać na zmiany morfologiczne i zwiększoną aktywność hydrotermalną przy braku instrumentalnych technik monitorowania.
  • Wulkaniczne osady, które mogą znajdować się na brzegu rzeki, łatwo ulegają erozji, co znacznie poszerzy lub pogłębi koryto rzeki. Dlatego monitorowanie szerokości i głębokości koryt rzecznych można wykorzystać do oceny prawdopodobieństwa przyszłej erupcji wulkanu.

Teledetekcja

Teledetekcja to wykrywanie przez czujniki satelity energii elektromagnetycznej, która jest pochłaniana, odbijana, promieniowana lub rozpraszana z powierzchni wulkanu lub z jego materiału wybuchowego w chmurze erupcyjnej.

  • " Cloud Sensing : Naukowcy mogą monitorować niezwykle zimne erupcji wulkanów chmury z wykorzystaniem danych z dwóch różnych długościach fal termicznych w celu zwiększenia widoczności erupcji chmury i dyskryminuje je z chmurami meteorologicznych
  • " Gas czujnikowych : dwutlenek siarki może być mierzona za pomocą zdalnego wykrywania na niektóre z tych samych długości fal, jak ozon. Spektrometry do mapowania całkowitego ozonu (TOMS) mogą mierzyć ilość gazowego dwutlenku siarki uwalnianego przez wulkany podczas erupcji. Emisje dwutlenku węgla z wulkanów zostały wykryte w krótkofalowej podczerwieni za pomocą Orbiting Carbon Observatory 2 NASA .
  • Detekcja termiczna : obecność nowych znaczących sygnatur termicznych lub „gorących punktów” może wskazywać na nowe ogrzewanie gruntu przed erupcją, oznaczać erupcję w toku lub obecność bardzo niedawnego osadu wulkanicznego, w tym przepływów lawy lub przepływów piroklastycznych.
  • Detekcja deformacji : dane z radarów przestrzennych z satelitów mogą być wykorzystywane do wykrywania długoterminowych zmian geometrycznych w budowli wulkanicznej, takich jak wypiętrzenie i depresja. W tej metodzie, interferometrycznym radarze z syntetyczną aperturą (InSAR), cyfrowe modele elewacji generowane na podstawie zobrazowań radarowych są od siebie odejmowane, aby uzyskać obraz różnicowy, przedstawiający tempo zmian topograficznych.
  • Monitoring lasu : Ostatnio wykazano, że lokalizację pęknięć podczas erupcji można przewidzieć na miesiące lub lata przed erupcjami dzięki monitorowaniu wzrostu lasu. To narzędzie oparte na monitorowaniu wzrostu drzew zostało zweryfikowane na obu Mt. Niyragongo i Mt. Etna podczas erupcji wulkanu w latach 2002–2003.
  • Wykrywanie infradźwięków : Stosunkowo nowe podejście do wykrywania erupcji wulkanicznych polega na wykorzystaniu czujników infradźwięków z sieci infradźwięków Międzynarodowego Systemu Monitorowania (IMS). Ta metoda wykrywania pobiera sygnały z wielu czujników i wykorzystuje triangulację do określenia lokalizacji erupcji.

Ruchy masowe i masowe porażki

Monitorowanie ruchów masowych i awarii wykorzystuje techniki zapożyczone z sejsmologii (geofony), deformacji i meteorologii. Osuwiska, spadające skały, przepływy piroklastyczne i przepływy błotne (lahary) są przykładami masowych awarii materiału wulkanicznego przed, w trakcie i po erupcjach.

Najsłynniejszym wulkanicznym osuwiskiem była prawdopodobnie awaria wybrzuszenia, które powstało z natrętnej magmy przed Mt. Erupcja St. Helens w 1980 roku, to osuwisko „odkorkowało” płytkie wtargnięcie magmy, powodując katastrofalną awarię i nieoczekiwaną erupcję boczną. Spadki skał często występują w okresach zwiększonej deformacji i mogą być oznaką zwiększonej aktywności przy braku monitorowania instrumentalnego. Przepływy błotne ( lahary ) to zremobilizowane uwodnione osady popiołu z przepływów piroklastycznych i osadów opadowych popiołu, poruszających się w dół zbocza nawet pod bardzo płytkimi kątami z dużą prędkością. Ze względu na ich dużą gęstość są w stanie przenosić duże obiekty, takie jak załadowane ciężarówki do wyrębu drewna, domy, mosty i głazy. Ich osady zwykle tworzą drugi pierścień wentylatorów gruzu wokół budowli wulkanicznych, przy czym wentylator wewnętrzny jest osadami popiołu pierwotnego. Za odkładaniem się ich najdrobniejszego ładunku lahary nadal mogą stanowić zagrożenie zalania warstwami wody resztkowej. Osuszanie osadów Lahar może zająć wiele miesięcy, zanim będzie można po nich chodzić. Zagrożenia wynikające z aktywności lahar mogą istnieć kilka lat po dużej erupcji wybuchowej.

Zespół amerykańskich naukowców opracował metodę przewidywania laharów . Ich metoda została opracowana na podstawie analizy skał na Mt. Rainier w Waszyngtonie . System ostrzegania polega na zauważeniu różnic między skałami świeżymi a starszymi. Świeże skały są słabymi przewodnikami elektryczności i ulegają hydrotermicznym zmianom pod wpływem wody i ciepła. Dlatego, jeśli znają wiek skał, a tym samym ich siłę, mogą przewidzieć ścieżki lahar. System monitorów przepływu akustycznego (AFM) został również umieszczony na Mount Rainier, aby analizować wstrząsy gruntu, które mogą spowodować lahar , zapewniając wcześniejsze ostrzeżenie.

Lokalne studia przypadków

Nyiragongo

Erupcja góry Nyiragongo 17 stycznia 2002 roku została przepowiedziana tydzień wcześniej przez lokalnego eksperta, który od lat badał wulkany. Poinformował lokalne władze i wysłano na ten obszar zespół badawczy ONZ ; jednak został uznany za bezpieczny. Niestety, kiedy wybuchł wulkan, zniszczeniu uległo 40% miasta Goma, a także wielu ludzi. Ekspert twierdził, że zauważył niewielkie zmiany w lokalnej rzeźbie terenu i dwa lata wcześniej monitorował erupcję znacznie mniejszego wulkanu. Ponieważ wiedział, że te dwa wulkany są połączone małą szczeliną, wiedział, że Góra Nyiragongo wkrótce wybuchnie.

Góra Etna

Brytyjscy geolodzy opracowali metodę przewidywania przyszłych erupcji Etny . Odkryli, że między wydarzeniami występuje 25-letnie opóźnienie. Monitorowanie zdarzeń głębokiej skorupy może pomóc w dokładnym przewidywaniu, co stanie się w nadchodzących latach. Do tej pory przewidywali, że w latach 2007-2015 aktywność wulkaniczna będzie o połowę mniejsza niż w 1972 roku.

Sakurajima, Japonia

Sakurajima jest prawdopodobnie jednym z najbardziej monitorowanych obszarów na ziemi. Wulkan Sakurajima leży w pobliżu miasta Kagoshima , które zamieszkuje ponad 500 000 osób. Aktywność wulkanu monitoruje zarówno Japońska Agencja Meteorologiczna (JMA), jak i Obserwatorium Wulkanologiczne Sakurajima (SVO) Uniwersytetu w Kioto . Od 1995 roku Sakurajima wybuchła ze swojego szczytu bez uwolnienia lawy.

Techniki monitoringu w Sakurajima:

  • Prawdopodobną aktywność sygnalizuje obrzęk ziemi wokół wulkanu, gdy magma zaczyna się nawarstwiać. W Sakurajima oznacza to wzrost dna morskiego w Zatoce Kagoshima – w rezultacie poziom pływów rośnie.
  • Gdy magma zaczyna płynąć, topnienie i pękanie skały podstawowej można wykryć jako wulkaniczne trzęsienia ziemi. W Sakurajima występują dwa do pięciu kilometrów pod powierzchnią. Podziemny tunel obserwacyjny służy do bardziej niezawodnego wykrywania wulkanicznych trzęsień ziemi.
  • Poziomy wód gruntowych zaczynają się zmieniać, temperatura gorących źródeł może wzrosnąć, a skład chemiczny i ilość uwalnianych gazów mogą ulec zmianie. Czujniki temperatury umieszcza się w otworach wiertniczych, które służą do wykrywania temperatury wód gruntowych. Teledetekcja jest używana na Sakurajima, ponieważ gazy są bardzo toksyczne – stosunek gazu HCl do gazu SO 2 znacznie wzrasta na krótko przed erupcją.
  • W miarę zbliżania się erupcji systemy przechyłu mierzą minimalne ruchy góry. Dane są przekazywane w czasie rzeczywistym do systemów monitorujących w SVO.
  • Sejsmometry wykrywają trzęsienia ziemi, które występują bezpośrednio pod kraterem, sygnalizując początek erupcji. Występują od 1 do 1,5 sekundy przed wybuchem.
  • Wraz z wybuchem system przechyłu rejestruje osiadanie wulkanu.

Ekwador

Instytut Geofizyki w Narodowej Politechniki w Quito mieści międzynarodowy zespół sejsmologów i wulkanologów, których zadaniem jest monitorowanie Ecuadors wielu aktywnych wulkanów na Andów w Ekwadorze oraz w Wyspach Galapagos . Ekwador znajduje się w Pierścieniu Ognia, gdzie występuje około 90% światowych trzęsień ziemi i 81% największych trzęsień ziemi na świecie. W geolodzy studiować erupcyjny aktywność wulkanów w kraju, zwłaszcza Tungurahua którego aktywność wulkaniczna wznowiona w dniu 19 sierpnia 1999 roku, a kilka dużych erupcji od tego okresu, ostatni począwszy od dnia 1 lutego 2014 r.

Łagodzenia

Wykraczając poza przewidywanie aktywności wulkanicznej, istnieją wysoce spekulacyjne propozycje zapobiegania wybuchowej aktywności wulkanicznej poprzez chłodzenie komór magmowych przy użyciu technik geotermalnych wytwarzania energii .

Zobacz też

Uwagi

Linki zewnętrzne

  • WOVO (Światowa Organizacja Obserwatoriów Wulkanów)
  • IAVCEI (Międzynarodowe Stowarzyszenie Wulkanologii i Chemii Wnętrza Ziemi)
  • SI (Smithsonian Global Volcanism Program)