Прогноз вулканической активности

Прогнозирование вулканической активности и прогнозирование извержений вулканов — это междисциплинарный мониторинг и исследовательская работа по прогнозированию времени и силы извержения вулкана . Особое значение имеет прогноз опасных извержений, которые могут привести к катастрофическим потерям людей, имущества и нарушению деятельности человека.

Риск и неопределенность играют центральную роль в прогнозировании и предсказании, которые не обязательно являются одним и тем же в контексте вулканов, но оба имеют процесс, основанный на прошлых и настоящих данных.

На горе Сент-Хеленс произошло взрывное извержение 18 мая 1980 года в 8:32 утра по тихоокеанскому времени.

Сейсмические волны (сейсмичность)

Общие принципы вулканической сейсмологии

• Сейсмическая активность (землетрясения и толчки) всегда возникает, когда вулканы пробуждаются и готовятся к извержению, и являются очень важным звеном в извержениях. У некоторых вулканов обычно сохраняется низкая сейсмическая активность, но ее увеличение может сигнализировать о большей вероятности извержения. Типы землетрясений, которые происходят, а также места их начала и окончания также являются ключевыми признаками. Вулканическая сейсмичность имеет три основные формы: кратковременное землетрясение , долгопериодическое землетрясение и гармоническое дрожание .
• Короткопериодические землетрясения подобны обычным землетрясениям, вызванным разломами. Они вызваны разрушением хрупкой породы, когда магма продвигается вверх. Эти короткопериодические землетрясения означают рост магматического тела у поверхности и известны как волны «А». Сейсмические события такого типа часто также называют вулкано-тектоническими (или VT) событиями или землетрясениями.
• Считается, что продолжительные землетрясения указывают на повышенное давление газа в водопроводной системе вулкана. Они похожи на лязг, который иногда слышен в водопроводной системе дома, известный как « гидравлический удар ». Эти колебания являются эквивалентом акустических колебаний в камере в контексте магматических камер внутри вулканического купола и известны как волны «В». Они также известны как резонансные волны и долгопериодические резонансные события.
• Гармонические толчки часто являются результатом давления магмы на вышележащую породу под поверхностью. Иногда они могут быть достаточно сильными, чтобы люди и животные ощущали их жужжание или жужжание, отсюда и название.

Модели сейсмичности сложны, и их часто трудно интерпретировать; однако увеличение сейсмической активности является хорошим индикатором увеличения риска извержений, особенно если долгопериодические события становятся доминирующими и появляются эпизоды гармонического тремора.

Используя аналогичный метод, исследователи могут обнаруживать извержения вулканов, отслеживая инфразвук — едва слышимый звук частотой ниже 20 Гц. Глобальная инфразвуковая сеть IMS, первоначально созданная для проверки соблюдения договоров о запрещении ядерных испытаний, насчитывает 60 станций по всему миру, которые работают над обнаружением и определением местонахождения извергающихся вулканов.

Сейсмические исследования

Связь между долгопериодическими событиями и неизбежными извержениями вулканов была впервые обнаружена в сейсмических записях извержения Невадо-дель-Руис в 1985 году в Колумбии. Затем возникновение долгопериодических событий было использовано для прогнозирования извержения горы Редут в 1989 году на Аляске и извержения Галерас в 1993 году в Колумбии. В декабре 2000 года ученые Национального центра по предотвращению катастроф в Мехико предсказали извержение в течение двух дней в Попокатепетле , на окраине Мехико. В их прогнозе использовались исследования, проведенные Бернаром Шуэ , швейцарским вулканологом, работавшим в Геологической службе США и впервые обнаружившим связь между долговременными событиями и неминуемым извержением. Правительство эвакуировало десятки тысяч людей; 48 часов спустя вулкан, как и предполагалось, извергся. Это было крупнейшее извержение Попокатепетля за тысячу лет, но никто не пострадал.

Сотрясения айсберга

Сходство между айсбергов толчками , которые происходят, когда они садятся на мель, и вулканическими толчками может помочь экспертам разработать лучший метод прогнозирования извержений вулканов . Хотя айсберги имеют гораздо более простую структуру, чем вулканы, с ними физически легче работать. Сходство между вулканическими и айсберговыми толчками включает в себя большую продолжительность и амплитуду , а также общие сдвиги частот .

Выбросы газа

Шлейф газа и пепла вырвался на горе Пинатубо на Филиппинах.

Когда магма приближается к поверхности и ее давление снижается, газы выходят наружу. Этот процесс очень похож на то, что происходит, когда вы открываете бутылку газированного напитка и выходит углекислый газ. Диоксид серы является одним из основных компонентов вулканических газов, и увеличение его количества предвещает прибытие все большего количества магмы к поверхности. Например, 13 мая 1991 года все большее количество диоксида серы было выброшено с горы Пинатубо на Филиппинах . 28 мая, всего две недели спустя, выбросы диоксида серы увеличились до 5000 тонн, что в десять раз превышает предыдущий показатель. Позже, 12 июня 1991 года, произошло извержение горы Пинатубо. В нескольких случаях, например, перед извержением горы Пинатубо и извержением Галерас в 1993 году , в Колумбии выбросы диоксида серы падали до низкого уровня перед извержениями. Большинство ученых полагают, что такое падение уровня газа вызвано закупоркой газовых ходов затвердевшей магмой. Такое событие приводит к повышению давления в водопроводной системе вулкана и увеличению вероятности взрывного извержения. А Система многокомпонентного газоанализатора (Multi-GAS) представляет собой комплект приборов, используемый для измерения шлейфов вулканического газа с высоким разрешением в режиме реального времени. с помощью нескольких газов _{Измерения соотношения CO 2} /SO ₂ могут позволить обнаружить дегазацию поднимающейся магмы перед извержением, улучшая прогнозирование вулканической активности.

Деформация грунта

Основная статья: Деформация (вулканология)

Разбухание вулкана сигнализирует о том, что магма скопилась у поверхности. Ученые, наблюдающие за действующим вулканом, часто измеряют наклон склона и отслеживают изменения скорости разбухания. Повышенная скорость набухания, особенно если она сопровождается увеличением выбросов диоксида серы и гармоническими толчками, является признаком высокой вероятности надвигающегося события. Деформация горы Сент-Хеленс перед извержением 18 мая 1980 года была классическим примером деформации, поскольку северная сторона вулкана выпирала вверх, а под ней накапливалась магма. Большинство случаев деформации грунта обычно можно обнаружить только с помощью сложного оборудования, используемого учеными, но таким образом они все равно могут предсказать будущие извержения.Гавайские вулканы демонстрируют значительную деформацию почвы; перед извержением происходит вздутие земли, а после извержения - очевидная дефляция. Это связано с неглубоким магматическим очагом гавайских вулканов; Движение магмы легко заметить на земле выше.

Термический мониторинг

И движение магмы, и изменения выделения газа, и гидротермальная активность могут привести к изменениям теплового излучения на поверхности вулкана. Их можно измерить с помощью нескольких методов:

• инфракрасная радиометрия переднего обзора (FLIR) с портативных устройств, установленных на месте, на расстоянии или с воздуха;
• снимки в инфракрасном диапазоне спутниковые ;
• на месте термометрия ( горячие источники , фумаролы )
• тепловых потоков карты
• геотермальной скважины энтальпии Изменение

Гидрология

Существует 4 основных метода, которые можно использовать для прогнозирования извержения вулкана с помощью гидрологии:

• Скважинные и скважинные гидрологические и гидравлические измерения все чаще используются для мониторинга изменений давления подземного газа и термического режима вулканов. Повышенное давление газа приведет к повышению уровня воды и внезапному падению прямо перед извержением, а термическая фокусировка (увеличение локального теплового потока) может уменьшить или высушить водоносные горизонты.
• Обнаружение лахаров и других селевых потоков вблизи их источников. Ученые Геологической службы США разработали недорогую, надежную, портативную и легко устанавливаемую систему для обнаружения и постоянного мониторинга прибытия и прохождения селевых потоков и наводнений в долинах рек, истощающих действующие вулканы.
• Осадки, оставшиеся до извержения, могут быть собраны речным руслом, окружающим вулкан, что указывает на то, что фактическое извержение может быть неизбежным. Большая часть осадков переносится из вулканически нарушенных водоразделов в периоды сильных дождей. Это может свидетельствовать о морфологических изменениях и повышении гидротермальной активности при отсутствии инструментальных методов мониторинга.
• Вулканические отложения, расположенные на берегу реки, могут легко подвергнуться эрозии, что приведет к резкому расширению или углублению русла реки. Поэтому мониторинг ширины и глубины речных русл можно использовать для оценки вероятности будущего извержения вулкана.

Дистанционное зондирование

Дистанционное зондирование — это обнаружение датчиками спутника электромагнитной энергии, которая поглощается, отражается, излучается или рассеивается от поверхности вулкана или от его извергнутого материала в облаке извержения.

• : Обнаружение облаков ученые могут отслеживать необычно холодные облака извержений вулканов, используя данные двух разных тепловых длин волн, чтобы улучшить видимость облаков извержений и отличить их от метеорологических облаков.
• : Измерение газа Диоксид серы также можно измерить путем дистанционного зондирования на тех же длинах волн, что и озон. Спектрометры для картирования общего озона (TOMS) могут измерять количество сернистого газа, выделяемого вулканами при извержениях. Выбросы углекислого газа из вулканов были обнаружены в коротковолновом инфракрасном диапазоне с помощью НАСА Орбитальной углеродной обсерватории 2 .
• Термическое зондирование : наличие новых значительных тепловых сигнатур или «горячих точек» может указывать на новый нагрев земли перед извержением, представлять собой продолжающееся извержение или наличие очень недавних вулканических отложений, включая потоки лавы или пирокластические потоки.
• Обнаружение деформации . Данные спутникового пространственного радара могут использоваться для обнаружения долгосрочных геометрических изменений в вулканической постройке, таких как поднятие и депрессия. В этом методе интерферометрического радара с синтезированной апертурой (InSAR) цифровые модели рельефа, созданные на основе радиолокационных изображений, вычитаются друг из друга, чтобы получить дифференциальное изображение, отображающее скорость топографических изменений.
• Мониторинг леса : недавно было продемонстрировано, что местоположение извержений можно предсказать за несколько месяцев или лет до извержений путем мониторинга роста леса. Этот инструмент, основанный на мониторинге роста деревьев, был проверен как на горе Ниирагонго, так и на горе Этна во время извержений вулканов в 2002–2003 годах.
• Инфразвуковое зондирование . Относительно новый подход к обнаружению извержений вулканов предполагает использование инфразвуковых датчиков инфразвуковой сети Международной системы мониторинга (IMS). Этот метод обнаружения принимает сигналы от нескольких датчиков и использует триангуляцию для определения места извержения.

Массовые движения и массовые провалы

Для мониторинга массовых перемещений и разрушений используются методы сейсмологии (геофоны), деформации и метеорологии. Оползни, камнепады, пирокластические потоки и грязевые потоки (лахары) являются примерами массовых разрушений вулканического материала до, во время и после извержений.

Самым известным вулканическим оползнем, вероятно, был обвал выпуклости, образовавшейся из-за внедрения магмы перед извержением горы Сент-Хеленс в 1980 году. Этот оползень «откупорил» неглубокое магматическое вторжение, вызвав катастрофический обвал и неожиданный боковой взрыв извержения. Камнепады часто происходят в периоды повышенной деформации и могут быть признаком повышенной активности при отсутствии инструментального контроля. Грязевые потоки ( лахары ) представляют собой ремобилизованные гидратированные отложения пепла из пирокластических потоков и отложений пеплопадов, движущиеся вниз по склону даже под очень пологими углами с высокой скоростью. Из-за своей высокой плотности они способны перемещать большие объекты, такие как загруженные лесовозы, дома, мосты и валуны. Их отложения обычно образуют второе кольцо вееров обломков вокруг вулканических построек, причем внутренний веер представляет собой отложения первичного пепла. Ниже по течению после отложения своего самого мелкого груза лахары все еще могут представлять опасность наводнения из-за остаточной воды. Отложения Лахара могут высохнуть в течение многих месяцев, прежде чем по ним можно будет ходить. Опасности, связанные с активностью лахаров, могут существовать через несколько лет после крупного взрывного извержения.

Группа американских ученых разработала метод предсказания лахаров . Их метод был разработан путем анализа горных пород на горе Рейнир в Вашингтоне . Система предупреждения зависит от выявления различий между свежими камнями и более старыми. Свежие камни являются плохими проводниками электричества и гидротермически изменяются под воздействием воды и тепла. Следовательно, если они знают возраст камней и, следовательно, их прочность, они могут предсказать пути лахара. На горе Рейнир также была установлена ​​система акустических мониторов потока (AFM) для анализа землетрясений, которые могут привести к лахару , и обеспечения более раннего предупреждения.

Местные тематические исследования

Владелец

Извержение горы Ньирагонго 17 января 2002 года было предсказано неделей ранее местным экспертом, который много лет изучал вулканы. Он проинформировал местные власти, и ООН в этот район была отправлена ​​исследовательская группа ; однако он был признан безопасным. К сожалению, когда извержение вулкана привело к разрушению 40% города Гома , а также средств к существованию многих людей. Эксперт утверждал, что заметил небольшие изменения в местном рельефе и наблюдал за извержением гораздо меньшего вулкана двумя годами ранее. Поскольку он знал, что эти два вулкана соединены небольшой трещиной, он знал, что гора Ньирагонго скоро извергнется.

Гора Этна

Британские геологи разработали метод прогнозирования будущих извержений Этны . Они обнаружили, что между событиями существует временной интервал в 25 лет. Мониторинг событий в глубинной коре может помочь точно предсказать, что произойдет в ближайшие годы. На данный момент они предсказывают, что в период с 2007 по 2015 год вулканическая активность будет вдвое меньше, чем в 1972 году. Другие методы прогнозирования вулканической активности заключаются в изучении увеличения соотношения CO ₂ /SO ₂ . Эти соотношения будут указывать на предэруптивную дегазацию магматических очагов. Группа исследователей использовала для этого исследования гору Этна, наблюдая за такими газами, как H ₂ O, CO ₂ и SO ₂ . Команда провела мониторинг вулкана Этна в режиме реального времени до его извержений в июле и декабре 2006 года. Эти соотношения CO ₂ /SO ₂ полезны тем, что увеличение этих соотношений является предшественником предстоящих извержений из-за ускорения газовых выбросов. богатая магма и пополняет магматический очаг. За два года наблюдений, проведенных командой, увеличение этих соотношений является предвестником предстоящих извержений. Было зафиксировано, что за несколько месяцев до извержения это соотношение увеличилось и привело к извержению после того, как оно достигло своего пика. Был сделан вывод, что измерение H ₂ O, CO ₂ и SO ₂ может быть полезным методом прогнозирования вулканической активности, особенно на горе Этна. Прогноз вулканической активности горы Этна также можно использовать с помощью 4D-анализа микрогравитации. В этом типе анализа используются GPS и радиолокационная интерферометрия с синтезированной апертурой (InSAR). Он может измерить изменения плотности, а затем получить модель, показывающую движения магмы и пространственные масштабы, происходящие внутри вулканической системы. Еще в 2001 году гравитационные модели обнаружили уменьшение массы Этны на 2,5×10 ¹¹ кг. В конце концов, за две недели до извержения произошло внезапное увеличение массы. Вулкан компенсировал это уменьшение количества магмы, извлекая больше магмы из зоны хранения и поднимая ее на верхние уровни водопроводной системы. Из-за этого извлечения это привело к извержению. Исследования микрогравитации, проведенные этой командой, показывают миграцию магмы и газа внутри магматического очага до любого извержения, что может быть полезным методом для любого прогнозирования вулканической активности.

Сакурадзима, Япония

Сакурадзима, возможно, является одним из самых контролируемых районов на земле. Вулкан Сакурадзима расположен недалеко от города Кагосима , население которого составляет более 500 000 человек. Японское метеорологическое агентство (JMA) и Вулканологическая обсерватория Сакурадзима (SVO) Киотского университета За деятельностью вулкана следят . С 1995 года Сакурадзима извергался только со своей вершины без выброса лавы.

Методы мониторинга в Сакурадзиме:

• О вероятной активности сигнализирует разбухание земли вокруг вулкана по мере того, как внизу начинает накапливаться магма. В Сакурадзиме это отмечено подъемом морского дна в заливе Кагосима – в результате повышается уровень приливов.
• Когда магма начинает течь, плавление и раскалывание основной породы можно обнаружить как вулканические землетрясения. В Сакурадзиме они залегают на глубине от двух до пяти километров под поверхностью. Подземный наблюдательный туннель используется для более надежного обнаружения вулканических землетрясений.
• Начинают меняться уровни грунтовых вод, может повышаться температура горячих источников, меняться химический состав и количество выделяемых газов. Датчики температуры размещаются в скважинах, которые используются для определения температуры грунтовых вод. На Сакурадзиме используется дистанционное зондирование, поскольку газы очень токсичны – соотношение газообразного HCl и газообразного SO ₂ значительно увеличивается незадолго до извержения.
• По мере приближения извержения системы наклономера измеряют малейшие движения горы. Данные передаются в режиме реального времени в системы мониторинга SVO.
• Сейсмометры обнаруживают землетрясения, которые происходят непосредственно под кратером, сигнализируя о начале извержения. Они происходят за 1–1,5 секунды до взрыва.
• После взрыва система наклономера фиксирует оседание вулкана.

Смягчения

Помимо прогнозирования вулканической активности, существуют весьма спекулятивные предложения по предотвращению взрывной вулканической активности путем охлаждения магматических камер с использованием методов производства геотермальной энергии .

См. также

• Десятилетие вулканов
• Проект глубокой дегазации углерода под землей
• Прогноз землетрясений
• Национальный институт геофизики и вулканологии
• Геологическая служба США
• Ледник
• Ледяные котлы

Внешние ссылки

• WOVO (Всемирная организация вулканических обсерваторий)
• IAVCEI (Международная ассоциация вулканологии и химии недр Земли)
• SI (Смитсоновская программа глобального вулканизма)