Введение

Прогнозирование вулканической активности и прогнозирование извержения вулкана - это междисциплинарные усилия по мониторингу и исследованиям для прогнозирования времени и интенсивности 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 прогнозировании, которые не обязательно являются одним и тем же в контексте вулканов, но оба имеют процесс, основанный на прошлых и настоящих данных.

Общие принципы вулканической сейсмологии

Сейсмическая активность (землетрясения и толчки) всегда происходит, когда вулканы просыпаются и готовятся к извержению, и является очень важной связью с извержениями. Некоторые вулканы обычно имеют низкую сейсмическую активность, но увеличение может сигнализировать о большей вероятности извержения. Ключевыми признаками также являются типы землетрясений, которые происходят, и места, где они начинаются и заканчиваются. Вулканическая сейсмичность имеет три основные формы: короткопериодическое землетрясение, долгопериодическое землетрясение и гармоническое сотрясение. Краткосрочные землетрясения похожи на обычные землетрясения, вызванные неисправностью. Они возникают в результате разрушения хрупкой породы, когда магма прокладывает свой путь вверх. Эти короткие землетрясения означают рост магматического тела вблизи поверхности и известны как волны "А". Этот тип сейсмических событий часто также называют вулканическими тектоническими (или VT) событиями или землетрясениями. Считается, что длительные землетрясения указывают на повышенное давление газа в трубопроводной системе вулкана. Они похожи на шум, который иногда слышится в водопроводных сетях домов, и который известен как "водяной молоток". Эти колебания эквивалентны акустическим колебаниям в камере, в контексте магматических камер внутри вулканического купола, и известны как волны "B". Они также известны как резонансные волны и долговременные резонансные события. Гармонические толчки часто являются результатом магмы, толкающей поверхность скалы под поверхностью. Иногда они могут быть достаточно сильными, чтобы люди и животные чувствовали их гудение или жужжание, отсюда и название. Схемы сейсмичности сложны и часто их трудно интерпретировать; однако, увеличение сейсмической активности является хорошим показателем повышения риска извержения, особенно если длительные события становятся доминирующими и появляются эпизоды гармонического тремора. С помощью аналогичного метода исследователи могут обнаруживать извержения вулканов, отслеживая инфразвук - звуковой сигнал ниже 20 Гц. Глобальная сеть инфразвука IMS, первоначально созданная для проверки соблюдения договоров о запрете ядерных испытаний, имеет 60 станций по всему миру, которые работают над обнаружением и определением местоположения извергающихся вулканов.

Сейсмические тематические исследования

Связь между событиями длительного периода и неизбежными извержениями вулканов впервые была замечена в сейсмических записях извержения Невадо-дель-Руис в Колумбии в 1985 году. Возникновение событий длительного периода затем использовалось для прогнозирования извержения вулкана Редут на Аляске в 1989 году и извержения вулкана Галерас в Колумбии в 1993 году. В декабре 2000 года ученые из Национального центра по предотвращению стихийных бедствий в Мехико предсказали, что в течение двух дней на Попокатепель, на окраине Мехико, может произойти извержение вулкана. Их прогноз основывался на исследованиях, проведенных Бернардом Шоуэ, швейцарским вулканологом, работавшим в Геологической службе Соединенных Штатов, который впервые заметил связь между событиями длительного периода и неизбежным извержением. Правительство эвакуировало десятки тысяч людей; через 48 часов вулкан взорвался, как и было предсказано. Это было крупнейшее извержение Попокатепель за тысячу лет, но никто не пострадал.

Землетрясения айсбергов

Сходство между толчками айсбергов, которые происходят при их настижении, и толчками вулканов может помочь специалистам разработать лучший метод прогнозирования извержений вулканов. Хотя структура айсбергов намного проще, чем вулканов, с ними физически легче работать. Сходство между вулканическими и айсбергными толчками включает в себя длительную продолжительность и амплитуду, а также общие сдвиги частот.

Выбросы газов

Когда магма приближается к поверхности и ее давление снижается, газы выходят. Этот процесс очень похож на то, что происходит, когда вы открываете бутылку газированного напитка и выпускаете углекислый газ. Диоксид серы является одним из основных компонентов вулканических газов, и увеличение его количества предвещает прибытие увеличивающегося количества магмы вблизи поверхности. Например, 13 мая 1991 года из горы Пинатубо на Филиппинах выделялось все большее количество диоксида серы. 28 мая, всего две недели спустя, выбросы диоксида серы увеличились до 5000 тонн, что в десять раз превышает предыдущее количество. Взрыв вулкана Пинатубо произошел 12 июня 1991 года. В нескольких случаях, например, до извержения горы Пинатубо и извержения Галерас в Колумбии в 1993 году, выбросы диоксида серы снизились до низких уровней до извержений. Большинство ученых считают, что это падение уровня газа вызвано закрытием газовых проходов закаленной магмой. Такое событие приводит к увеличению давления в трубопроводной системе вулкана и увеличивает вероятность взрывного извержения. Многокомпонентная система газоанализатора (Multi GAS) - это инструментальный комплект, используемый для измерения вулканических газовых шлейфов в режиме реального времени с высоким разрешением. Многогазовые измерения соотношения CO2/SO2 могут позволить обнаружить предварительное дегазирование поднимающейся магмы, улучшая прогнозирование вулканической активности.

Массовые перемещения и массовые сбои

Для мониторинга массовых движений и сбоев используются методы, заимствованные из сейсмологии (геофонов), деформации и метеорологии. Оползни, обрушения скал, пирокластические потоки и потоки грязи (лахары) являются примерами массовых сбоев вулканического материала до, во время и после извержений. Самым известным вулканическим оползнем, вероятно, был сбой выпуклости, которая образовалась от проникновения магмы до возникновения вулкана. Взрыв Святой Елены в 1980 году, это оползень "разблокировал" мелководье магматического вторжения, вызвав катастрофический сбой и неожиданный боковой взрыв извержения. Падение скал часто происходит в периоды повышенной деформации и может быть признаком повышенной активности при отсутствии инструментального мониторинга. Грязевые потоки (лахары) - это ремобилизованные гидратированные осаждения пепла из пирокластических потоков и осаждений пепла, движущиеся вниз по склону даже под очень мелкими углами на большой скорости. Из-за высокой плотности они способны перемещать крупные объекты, такие как груженые грузовики, дома, мосты и валуны. Их отложения обычно образуют второе кольцо обломков вокруг вулканических сооружений, внутренний вентилятор является основным отложением пепла. Вниз по течению от отложения их наилучшей нагрузки лахары все еще могут представлять угрозу наводнения от остаточной воды. Лахарские отложения могут высыхать много месяцев, пока они не станут доступны для ходьбы. Опасность, связанная с лахаром, может сохраняться несколько лет после крупного взрывного извержения. Команда американских ученых разработала метод прогнозирования лахаров. Их метод был разработан путем анализа камней на горе Рейнер в Вашингтоне. Система предупреждения зависит от того, замечают ли они различия между свежими и старыми камнями. Свежие породы плохо проводят электричество и гидротермически изменяются водой и теплом. Поэтому, если они знают возраст скал, а значит, и их прочность, они могут предсказать пути лахара. На горе Рейниер также установлена система акустических потоковых мониторов (АВМ), позволяющая анализировать землетрясения, которые могут привести к лахару, и предупреждать об этом раньше.

Нирагонго

Эффект извержения вулкана Нирагонго 17 января 2002 года был предсказан неделей ранее местным экспертом, который годами изучал вулканы. Он сообщил местным властям, и группа ООН была отправлена в этот район; однако, он был объявлен безопасным. К сожалению, когда извергся вулкан, 40% города Гома было уничтожено вместе с источниками средств к существованию многих людей. Эксперт утверждал, что заметил небольшие изменения в местном рельефе и наблюдал за извержением гораздо меньшего вулкана два года назад. Он знал, что эти два вулкана связаны небольшой трещиной, и поэтому знал, что вскоре вулкан Нирагонго взорвется.

Этна

Британские геологи разработали метод прогнозирования будущих извержений вулкана Этна. Они обнаружили, что между событиями есть промежуток времени в 25 лет. Наблюдение за событиями в глубине земной коры может помочь точно предсказать, что произойдет в ближайшие годы. До сих пор они предсказывали, что между 2007 и 2015 годами вулканическая активность будет вдвое меньше, чем в 1972 году. Другие методы прогнозирования вулканической активности заключаются в изучении увеличения соотношений CO2/SO2. Эти соотношения будут указывать на предвзрывную дегазацию магматических камер. Команда исследователей использовала для этого исследования гору Этна, наблюдая за газами, такими как H2O, CO2 и SO2. Команда провела мониторинг вулкана Этна в реальном времени до его извержений в июле и декабре 2006 года. Эти соотношения CO2/SO2 полезны в том смысле, что увеличение этих соотношений является предшественником предстоящих извержений из-за ускорения газовой магмы и пополняет магматическую камеру. За два года наблюдений, проведенных командой, увеличение этих соотношений является предвестником грядущих извержений. Было зафиксировано, что в месяцы, предшествующие извержению, соотношение увеличивалось и приводило к извержению после достижения максимального количества. Было сделано заключение, что измерение H2O, CO2 и SO2 может быть полезным методом для прогнозирования вулканической активности, особенно на горе Этна. Прогноз вулканической активности Этны также может быть использован с помощью 4D-анализа микрогравитации. Этот тип анализа использует GPS и синтетическую диафрагменную радиолокационную интерферометрию (InSAR). Он может измерять изменения плотности, а затем может извлечь модель, чтобы показать движения магмы и пространственные масштабы, которые происходят в вулканической системе. Еще в 2001 году гравитационные модели обнаружили, что масса Этны уменьшилась на 2,5×1011 кг. В конце концов, за две недели до извержения произошло внезапное увеличение массы. Вулкан компенсировал это уменьшение магмы, извлекая больше магмы из своей зоны хранения, чтобы поднять ее на верхние уровни водопроводных систем. Из-за этого извлечения, это привело к извержению. Микрогравитационные исследования, которые были выполнены этой командой, показывают миграцию магмы и газа в магматической камере до любого извержения, что может быть полезным методом для прогнозирования вулканической активности.

Смягчения

Помимо прогнозирования вулканической активности, существуют очень спекулятивные предложения по предотвращению взрывной вулканической активности путем охлаждения магматических камер с использованием геотермальных технологий генерации энергии.