Прогнозирование вулканической активности и прогнозирование вулканических извержений — это междисциплинарная работа по мониторингу и исследованию для прогнозирования времени и силы извержения вулкана . Особое значение имеет прогнозирование опасных извержений, которые могут привести к катастрофическим потерям жизни, имущества и нарушению деятельности человека.
Риск и неопределенность играют центральную роль в прогнозировании и предсказании, что не обязательно одно и то же в контексте вулканов, но оба процесса основаны на прошлых и настоящих данных.
Модели сейсмичности сложны и часто трудно поддаются интерпретации; однако рост сейсмической активности является хорошим индикатором увеличения риска извержения, особенно если преобладают долгопериодные события и появляются эпизоды гармонического дрожания.
Используя аналогичный метод, исследователи могут обнаруживать вулканические извержения, отслеживая инфразвук — суб-слышимый звук ниже 20 Гц. Глобальная инфразвуковая сеть IMS, изначально созданная для проверки соблюдения договоров о запрете ядерных испытаний, имеет 60 станций по всему миру, которые работают над обнаружением и определением местоположения извергающихся вулканов. [1]
Связь между долгопериодическими событиями и неизбежными вулканическими извержениями была впервые обнаружена в сейсмических записях извержения Невадо -дель-Руис в Колумбии в 1985 году. Возникновение долгопериодических событий затем использовалось для прогнозирования извержения горы Редаут на Аляске в 1989 году и извержения Галераса в Колумбии в 1993 году. В декабре 2000 года ученые из Национального центра по предупреждению стихийных бедствий в Мехико предсказали извержение в течение двух дней в Попокатепетле , на окраине Мехико. Их прогноз основывался на исследованиях, проведенных Бернаром Шуэ , швейцарским вулканологом, работавшим в Геологической службе США и впервые наблюдавшим связь между долгопериодическими событиями и неизбежным извержением. [2] [3] [4] Правительство эвакуировало десятки тысяч людей; 48 часов спустя вулкан извергся, как и было предсказано. Это было крупнейшее извержение Попокатепетля за тысячу лет, однако никто не пострадал.
Сходства между толчками айсбергов , которые происходят, когда они садятся на мель, и вулканическими толчками могут помочь экспертам разработать лучший метод прогнозирования вулканических извержений . Хотя айсберги имеют гораздо более простую структуру, чем вулканы, с ними физически легче работать. Сходства между толчками вулканов и айсбергов включают большую продолжительность и амплитуду , а также общие сдвиги в частотах . [5]
По мере приближения магмы к поверхности и снижения ее давления происходит утечка газов. Этот процесс очень похож на то, что происходит, когда вы открываете бутылку газированного напитка и выделяется углекислый газ. Диоксид серы является одним из основных компонентов вулканических газов, и его увеличение предвещает прибытие большего количества магмы к поверхности. Например, 13 мая 1991 года все большее количество диоксида серы было выброшено из вулкана Пинатубо на Филиппинах . 28 мая, всего две недели спустя, выбросы диоксида серы возросли до 5000 тонн, что в десять раз больше предыдущего количества. Позднее, 12 июня 1991 года, вулкан Пинатубо извергался. В нескольких случаях, например, перед извержением вулкана Пинатубо и извержением Галераса в Колумбии в 1993 году , выбросы диоксида серы падали до низкого уровня перед извержениями. Большинство ученых считают, что это падение уровня газа вызвано герметизацией газовых проходов затвердевшей магмой. Такое событие приводит к повышению давления в водопроводной системе вулкана и повышению вероятности взрывного извержения. Многокомпонентная система газоанализатора (Multi-GAS) представляет собой набор инструментов, используемых для проведения измерений вулканических газовых шлейфов с высоким разрешением в режиме реального времени. [6] Измерения Multi-GAS соотношений CO 2 /SO 2 могут позволить обнаружить предизверженную дегазацию поднимающихся магм, улучшая прогнозирование вулканической активности. [6]
Разбухание вулкана сигнализирует о том, что магма скопилась у поверхности. Ученые, наблюдающие за действующим вулканом, часто измеряют наклон склона и отслеживают изменения в скорости разбухания. Повышенная скорость разбухания, особенно если она сопровождается увеличением выбросов диоксида серы и гармоническими толчками, является высоковероятным признаком надвигающегося события. Деформация горы Сент-Хеленс перед извержением 18 мая 1980 года была классическим примером деформации, поскольку северная сторона вулкана выпячивалась вверх, поскольку магма накапливалась под ней. Большинство случаев деформации грунта обычно можно обнаружить только с помощью сложного оборудования, используемого учеными, но они все еще могут предсказывать будущие извержения таким образом. Гавайские вулканы демонстрируют значительную деформацию грунта; перед извержением наблюдается инфляция грунта, а затем очевидная дефляция после извержения. Это связано с неглубокой магматической камерой гавайских вулканов; движение магмы легко заметить на поверхности земли. [7]
Как движение магмы, так и изменения в выделении газа и гидротермальная активность могут привести к изменениям тепловой излучательной способности на поверхности вулкана. Их можно измерить с помощью нескольких методов:
Существует 4 основных метода, которые можно использовать для прогнозирования извержения вулкана с помощью гидрологии:
Дистанционное зондирование — это обнаружение датчиками спутника электромагнитной энергии, которая поглощается, отражается, излучается или рассеивается поверхностью вулкана или извергаемым им материалом в облаке извержения.
Мониторинг массовых перемещений и провалов использует методы, заимствованные из сейсмологии (геофоны), деформации и метеорологии. Оползни, камнепады, пирокластические потоки и грязевые потоки (лахары) являются примерами массовых провалов вулканического материала до, во время и после извержений.
Самым известным вулканическим оползнем, вероятно, был провал выступа, который образовался из-за вторгшейся магмы перед извержением вулкана Сент-Хеленс в 1980 году; этот оползень «откупорил» неглубокое магматическое вторжение, вызвав катастрофическое разрушение и неожиданный боковой взрыв извержения. Обвалы камней часто происходят в периоды повышенной деформации и могут быть признаком повышенной активности при отсутствии инструментального мониторинга. Грязевые потоки ( лахары ) представляют собой повторно мобилизованные гидратированные отложения пепла из пирокластических потоков и отложений пепла, движущиеся вниз по склону даже под очень небольшими углами с высокой скоростью. Из-за своей высокой плотности они способны перемещать крупные объекты, такие как загруженные лесовозы, дома, мосты и валуны. Их отложения обычно образуют второе кольцо конусов выноса обломков вокруг вулканических построек, внутренний конус представляет собой первичные отложения пепла. Ниже по течению от отложения их самой мелкой нагрузки лахары все еще могут представлять опасность затопления остаточной водой. Отложения лахара могут высыхать в течение многих месяцев, прежде чем по ним можно будет ходить. Опасности, вызванные деятельностью лахара, могут существовать в течение нескольких лет после крупного взрывного извержения.
Группа американских ученых разработала метод прогнозирования лахаров . Их метод был разработан путем анализа пород на горе Рейнир в Вашингтоне . Система оповещения основана на выявлении различий между свежими и более старыми породами. Свежие породы являются плохими проводниками электричества и подвергаются гидротермальным изменениям под воздействием воды и тепла. Поэтому, если они знают возраст пород и, следовательно, их прочность, они могут предсказать пути лахара. [11] Система акустических мониторов потока (AFM) также была установлена на горе Рейнир для анализа толчков земли, которые могут привести к лахару , обеспечивая более раннее предупреждение. [12]
Извержение вулкана Ньирагонго 17 января 2002 года было предсказано неделей ранее местным экспертом, который изучал вулканы в течение многих лет. Он сообщил об этом местным властям, и в этот район была направлена группа ООН по исследованию; однако он был объявлен безопасным. К сожалению, когда вулкан извергся, 40% города Гома было разрушено вместе с многочисленными источниками средств к существованию людей. Эксперт утверждал, что он 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 вулкан Ньирагонго скоро извергнется. [13]
Британские геологи разработали метод прогнозирования будущих извержений вулкана Этна . Они обнаружили, что между событиями существует временной лаг в 25 лет. Мониторинг событий в глубине земной коры может помочь точно предсказать, что произойдет в ближайшие годы. Пока что они предсказали, что между 2007 и 2015 годами вулканическая активность будет вдвое ниже, чем в 1972 году. [14] [ необходима цитата ] Другие методы прогнозирования вулканической активности заключаются в изучении увеличения соотношений CO 2 /SO 2 . Эти соотношения будут указывать на предизверженную дегазацию магматических очагов. Группа исследователей использовала вулкан Этна для этого исследования, наблюдая за такими газами, как H 2 O, CO 2 и SO 2 . Команда провела мониторинг вулкана Этна в режиме реального времени до того, как он испытал извержения 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 богатых газом магм и пополнения магматической камеры. За два года наблюдений, которые проводила команда, увеличение этих соотношений является предшественником предстоящих извержений. Было зафиксировано, что в месяцы, предшествующие извержению, соотношения увеличивались и приводили к извержению после того, как оно достигло своего пикового количества. Был сделан вывод, что измерение H 2 O, CO 2 и SO 2 может быть полезным методом для прогнозирования вулканической активности, особенно на горе Этна. [15] Прогноз вулканической активности горы Этна также может быть использован с 4D микрогравитационным анализом. Этот тип анализа использует GPS и радиолокационную интерферометрию с синтезированной апертурой (InSAR). Он может измерять изменения плотности, а затем извлекать модель, чтобы показать движения магмы и пространственные масштабы, которые происходят в вулканической системе. Еще в 2001 году гравитационные модели обнаружили, что произошло уменьшение массы горы Этна на 2,5×10 11 кг. В конце концов, произошло внезапное увеличение массы за две недели до извержения. Вулкан компенсировал это уменьшение магмы, извлекая больше магмы из своей зоны хранения, чтобы поднять на верхние уровни водопроводной системы. Из-за этого извлечения это привело к извержению. Исследования микрогравитации, которые были выполнены этой командой, показывают миграцию магмы и газа внутри магматической камеры перед любым извержением, что может быть полезным методом для любого прогнозирования вулканической активности. [16]
Сакурадзима, возможно, является одной из самых контролируемых территорий на Земле. Вулкан Сакурадзима находится недалеко от города Кагосима , население которого составляет более 500 000 человек. И Японское метеорологическое агентство (JMA), и вулканологическая обсерватория Сакурадзима Киотского университета (SVO) следят за активностью вулкана. С 1995 года Сакурадзима извергался только с вершины, не выбрасывая лаву.
Методы мониторинга в Сакурадзиме:
Помимо прогнозирования вулканической активности, существуют весьма спекулятивные предложения по предотвращению взрывной вулканической активности путем охлаждения магматических очагов с использованием методов геотермальной генерации энергии. [17]
