Πώς οι σεισμοί μπορεί να πυροδοτήσουν μακρινά ηφαίστεια
Στις 14 Απριλίου, ένας σεισμός μεγέθους 6,2 Ρίχτερ έπληξε το ιαπωνικό νησί Kyushu. Δύο ημέρες αργότερα, Ιάπωνες αξιωματούχοι ανέφεραν πανύψηλα λοφία καπνού στο όρος Aso, ένα ηφαίστειο 42 χιλιόμετρα μακριά από το επίκεντρο του σεισμού. Μια μικρή έκρηξη συνέβαινε. Θα μπορούσε ο μακρινός σεισμός να τον πυροδότησε; Το όρος Aso είχε πολύ μεγαλύτερες εκρήξεις τα τελευταία χρόνια, πολύ πριν συμβεί ο σεισμός, οπότε μάλλον ήταν απλώς μια σύμπτωση. Αλλά μια νέα μελέτη καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η ιδέα της λεγόμενης ενεργοποίησης από μακριά δεν είναι τόσο τραβηγμένη. Μεγάλοι σεισμοί μπορούν να ολισθήσουν γύρω από το αφρώδες μάγμα κάτω από τα ηφαίστεια εκατοντάδες χιλιόμετρα μακριά, βρήκαν ερευνητές, απελευθερώνοντας αέρια που μπορούν να αυξήσουν την πίεση του μάγματος και ακόμη και να οδηγήσουν σε έκρηξη.
Σε μια πολύ γενική έννοια, οι σεισμοί και οι ηφαιστειακές εκρήξεις τείνουν να συσσωρεύονται στο χώρο και στο χρόνο ούτως ή άλλως, επειδή και τα δύο συμβαίνουν συχνά κατά μήκος των ορίων λείανσης των τεκτονικών πλακών στον φλοιό της Γης. Οι περισσότερες μεμονωμένες ηφαιστειακές εκρήξεις προηγούνται επίσης από μικροσκοπικές δονήσεις, ακριβώς από κάτω, που σχετίζονται με την πραγματική κίνηση του μάγματος σε υπόγειους θαλάμους - ένα σήμα έγκαιρης προειδοποίησης έκρηξης που έχει παρακολουθηθεί αποτελεσματικά από γεωεπιστήμονες.
Αλλά οι επιστήμονες αναρωτιόντουσαν από καιρό γιατί οι μεγάλοι σεισμοί ακολουθούνται μερικές φορές από μικρές ηφαιστειακές εκρήξεις μακριά από το επίκεντρο του σεισμού. Ακόμη και ο Κάρολος Δαρβίνος συλλογίστηκε για τη σύνδεση το 1835, αναρωτιόταν εάν ο μεγάλος σεισμός Concepción της Χιλής—που κατέστρεψε την ομώνυμη πόλη—θα μπορούσε να συνδεθεί με την έκρηξη του ηφαιστείου Osorno που παρατήρησε μόλις ένα μήνα αργότερα.
Πιο πρόσφατα, της τεράστιας έκρηξης του βουνού Πινατούμπο στις Φιλιππίνες το 1991 προηγήθηκε ενδεικτικά ένας σεισμός 7,7 Ρίχτερ με επίκεντρο 100 χιλιόμετρα μακριά το προηγούμενο έτος. Μια μελέτη του 2009, από τον ηφαιστειολόγο David Pyle και τους συναδέλφους του στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης στο Ηνωμένο Βασίλειο, διαπίστωσε ότι τα ποσοστά έκρηξης ηφαιστείων στη Χιλή αυξήθηκαν σημαντικά τους 12 μήνες μετά από σεισμούς 8 Ρίχτερ και άνω.
Οι επιστήμονες έχουν δώσει πολλές εξηγήσεις για μια πιθανή σχέση μεταξύ σεισμών και ηφαιστείων. Αυτά περιλαμβάνουν την ιδέα ότι τα κρουστικά κύματα από τους σεισμούς μπορούν να προκαλέσουν ρευστοποίηση των ημιστερεών μάγματος σε κάτι που είναι πιο πιθανό να εκραγεί ή ακόμη ότι οι σεισμοί μπορούν να επιταχύνουν την ανάπτυξη φυσαλίδων στο μάγμα, γεγονός που μπορεί να αυξήσει τις πιέσεις του μάγματος. Κανείς, όμως, δεν έχει καταφέρει να εξηγήσει γιατί μόνο ορισμένα ηφαίστεια φαίνονται να επηρεάζονται από σεισμούς, γιατί η απόκρισή τους μπορεί να διαρκέσει από μέρες σε μήνες και γιατί τα γεγονότα μπορεί να ποικίλλουν από μικροσκοπικές εκρήξεις αερίου έως εκρήξεις πλήρους φυσικού αερίου.
«Τα προηγούμενα μοντέλα ήταν σε θέση να εξηγήσουν ορισμένα στοιχεία, αλλά όχι άλλα», λέει ο Pyle. Εξηγεί ότι με την πάροδο του χρόνου, οι ηφαιστειολόγοι έχουν αναπτύξει συναίνεση ότι η πιθανότητα σύνδεσης μεταξύ σεισμών και εκρήξεων πιθανότατα καθορίζεται από την κατάσταση του ηφαιστείου πριν από τον σεισμό, μαζί με την παρουσία φυσαλιδώδους μάγματος.
Οι ηφαιστειολόγοι έχουν προτείνει τώρα έναν νέο μηχανισμό ενεργοποίησης:την απομάκρυνση αυτού του φυσαλιδώδους μάγματος. Το Sloshing - η κίνηση μιας επιφάνειας υγρού - είναι ένα καλά μελετημένο ζήτημα στη μηχανική. Τα φορτηγά που μεταφέρουν υγρά (όπως πετρέλαιο) πρέπει να διαθέτουν ειδικά σχεδιασμένες δεξαμενές για να αντέχουν στο εσωτερικό υγρό που κοχλάζει. Κάποιες φορές μπορεί να συμβούν σπασίματα και κατάρρευση στέγης σε δεξαμενές αποθήκευσης στατικών πετρελαίου αφού η κίνηση του εδάφους από τους σεισμούς μετακινήσει τα υγρά στο εσωτερικό. Εμπνευσμένος από αυτές τις παρατηρήσεις, ο ηφαιστειολόγος Atsuko Namiki του Πανεπιστημίου της Χιροσίμα στην Ιαπωνία και οι συνεργάτες του αναρωτήθηκαν τι είδους επίδραση μπορεί να έχουν οι σεισμοί σε ένα διαφορετικό υγρό που περιέχεται - το ηφαιστειακό μάγμα.
Για να το ανακαλύψουν, οι ερευνητές προσομοίωσαν την επίδραση των κρουστικών κυμάτων σεισμού σε έναν θάλαμο μάγματος στο εργαστήριό τους, χρησιμοποιώντας μια ορθογώνια δεξαμενή συνδεδεμένη σε ένα τρεμάμενο τραπέζι. Στη θέση του μάγματος, χρησιμοποίησαν ένα παχύρρευστο σιρόπι γλυκόζης, προσθέτοντας κομμάτια πλαστικού ακανόνιστου σχήματος για την προσομοίωση αιωρούμενων κρυστάλλων βράχου που καθιζάνουν έξω από το μάγμα.
Ωστόσο, για να σβήσει, ένα υγρό δεν πρέπει να έχει πάρα πολλούς κρυστάλλους. Πρέπει επίσης να έχει μια επιφάνεια και χώρο για να κινείται—επομένως μπορεί να προκληθεί λοξότμηση σε μερικώς γεμάτα δοχεία—όπως λιωμένο πέτρωμα σε ανοιχτό ηφαιστειακό αγωγό που οδηγεί στην επιφάνεια. Σε θαλάμους μάγματος που είναι γεμάτοι, ωστόσο, μπορεί επίσης να εμφανιστεί λοξοτομή μεταξύ υγρών διαφορετικής πυκνότητας, με το ελαφρύτερο υγρό να δίνει στον άλλο χώρο να κινηθεί. Αυτή η υγρή στιβάδα πιστεύεται ότι είναι κοινή στους θαλάμους μάγματος, όπου το αφρώδες φυσαλιδώδες μάγμα υπερκαλύπτει το πυκνότερο μάγμα. Αντίστοιχα, η ομάδα δοκίμασε την απόκριση sloshing τριών διαφορετικών διαμορφώσεων "μάγματος":ένα ανοιχτό στρώμα ενός υγρού. ένα ανοιχτό στρώμα μονής αφρού. και ένα κλειστό σύστημα δύο στρωμάτων όπου ο αφρός επικαλύπτει το υγρό.
Για κάθε εγκατάσταση, οι ερευνητές διεξήγαγαν μια ποικιλία δοκιμών. Κινηματογραφούσαν κάθε δεξαμενή να ανακινείται για 10 δευτερόλεπτα κάτω από διαφορετικές συχνότητες και πλάτη ανακίνησης, με "μάγματα" σιροπιού διαφορετικού ιξώδους, όγκων, περιεχομένων κρυστάλλων και κλασμάτων φυσαλίδων.
Παρόλο που το ρευστό που χύνεται σε μια δεξαμενή μάγματος δεν θα ήταν αρκετά ισχυρό για να υπερνικήσει τη δύναμη των γύρω βράχων, η ομάδα βρήκε ένα διαφορετικό αποτέλεσμα στο παιχνίδι. Μια μεγάλη αύξηση στο sloshing σημειώθηκε όταν το τίναγμα της δεξαμενής πλησίασε τη συχνότητα συντονισμού του υγρού - τη συχνότητα με την οποία είναι πιο εύκολο να δονηθεί ένα αντικείμενο. Στα στρώματα αφρού, αυτό παραμόρφωσε τις φυσαλίδες, λερώνοντάς τις μεταξύ τους μέχρι να συνδεθούν μεταξύ τους - προκαλώντας την κατάρρευση του αφρού. Λεπτοί αφροί με μεγαλύτερες φυσαλίδες ήταν πιο επιρρεπείς στην κατάρρευση. Σε ένα πραγματικό ηφαίστειο, η διαφυγή καυτών αερίων από το καταρρευμένο αφρώδες μάγμα σε μια κλειστή δεξαμενή θα μπορούσε να αυξήσει τη μεταφορά θερμότητας στον περιβάλλοντα βράχο, να αυξήσει την πίεση του μάγματος και ακόμη και να προκαλέσει έκρηξη, λέει η ομάδα.
Επιπλέον, στην πειραματική διάταξη διπλής στρώσης, όχι μόνο κατέρρευσε το στρώμα αφρού, αλλά ο υπολειπόμενος αφρός αναμείχτηκε με το υποκείμενο υγρό στρώμα. Σε ένα πραγματικό ηφαίστειο, μια τέτοια ανάμειξη θα έδινε στο κατώτερο στρώμα μάγματος επιπλέον κρυστάλλους και μικρές φυσαλίδες, παρέχοντας νέες θέσεις στις οποίες θα μπορούσαν στη συνέχεια να βγουν περισσότερα αέρια από το μάγμα. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό θα ανέβαζε σιγά σιγά τις πιέσεις του μάγματος, προκαλώντας αυξημένη ηφαιστειακή δραστηριότητα και ενδεχομένως ακόμη και καθυστερημένη έκρηξη. Αυτό μπορεί να εξηγήσει πώς θα μπορούσαν να πυροδοτηθούν τα ηφαίστεια από σεισμούς που συνέβησαν μήνες πριν, αναφέρει η ομάδα αυτόν τον μήνα στο Journal of Volcanology and Geothermal Research .
Από τις προσομοιώσεις τους, οι ερευνητές διερεύνησαν τις συνθήκες του σεισμού που θα προκαλούσαν το πραγματικό μάγμα να υποστεί κατάρρευση αφρού. Διαπίστωσαν ότι για ηφαιστειακές οπές πλάτους από 0,5 μέτρα, απαιτούνται σεισμικά κύματα χαμηλής συχνότητας - κάτι που εξηγεί γιατί μόνο μεγάλοι σεισμοί φαίνεται να είναι ικανοί να πυροδοτήσουν ηφαιστειακή δραστηριότητα. Ο Namiki λέει ότι για ένα τυπικό μάγμα σε έναν ηφαιστειακό σωλήνα πλάτους 3 μέτρων, ένας σεισμός μεγέθους 7,5 Ρίχτερ θα μπορούσε να προκαλέσει κατάρρευση αφρού που προκαλείται από ολίσθηση από απόσταση έως και 100 χιλιομέτρων. Εκτός από τους αεραγωγούς, η ομάδα προτείνει ότι οι μεγάλοι (πλάτους έως περίπου ένα χιλιόμετρο) σφαιρικοί θάλαμοι μάγματος που βρίσκονται σε ενδιάμεσα βάθη κάτω από τα ηφαίστεια θα πρέπει επίσης να μπορούν να συντονίζονται με σεισμικά κύματα, εφόσον το πυκνότερο στρώμα μάγματος γεμίζει μέχρι επαρκής στάθμη στη δεξαμενή.
Η μελέτη είναι ενδιαφέρουσα, ούτε τουλάχιστον για την εισαγωγή τεχνικών εννοιών εκτός της γεωλογίας για να βοηθήσει στην κατανόηση του πώς λειτουργεί η γη, λέει ο γεωφυσικός David Hill του Γεωλογικού Ινστιτούτου των ΗΠΑ στο Menlo Park της Καλιφόρνια. Ο Hill δεν συμμετείχε στην έρευνα, αλλά το έργο του περιλαμβάνει εστίαση στη δυνατότητα εξ αποστάσεως ενεργοποίησης ηφαιστείων από σεισμούς.
Η πειραματική εργασία είναι μια συναρπαστική υπόθεση, συμφωνεί ο Pyle, ο οποίος επίσης δεν συμμετείχε στη μελέτη. «Αυτή είναι μια συναρπαστική υπόθεση που θα μπορεί να ελεγχθεί», σημειώνει, εξηγώντας ότι τα ηφαίστεια που πιστεύεται ότι προκαλούνται από ολίσθηση θα πρέπει να εκραγούν βράχοι που περιέχουν χημικά και υφιστά στοιχεία που να δείχνουν ότι προήλθαν από την ανάμειξη ενός φυσαλίδας και ενός πιο πυκνού μάγματος. "Αυτό προσφέρει μια καθαρή λύση σε ένα περίπλοκο πρόβλημα."
