Επίσκεψη στον ηφαιστειακό αγωγό Soufriere Hills πριν από μια έκρηξη (Μονσεράτ, Μικρές Ινδίες)

Στα ηφαίστεια τόξων, προβλέποντας τη βάναυση μετατόπιση από Η διάχυτη έως εκρηκτική δραστηριότητα είναι πρόκληση. Οι συνθήκες προεκρηκτικού αγωγού ανακτήθηκαν από ελαφρόπετρες και, μαζί με αριθμητικά μοντέλα, βοήθησαν στον περιορισμό της δυναμικής ροής του μάγματος πριν από την έκρηξη.

Σύμφωνα με μια παγκόσμια έκθεση αξιολόγησης του 2015 του ΟΗΕ για τη μείωση του κινδύνου καταστροφών, «800 εκατομμύρια άνθρωποι ζουν αυτήν τη στιγμή σε απόσταση 100 χιλιομέτρων από ένα ηφαίστειο που θα μπορούσε να εκραγεί."> Μεταξύ των ηφαιστειακών κινδύνων, η μετάβαση από μια διάχυτη, ήρεμη έκρηξη συμπεριφοράς σε ένα ξαφνικό εκρηκτικό και καταστροφικό γεγονός μπορεί να είναι εξαιρετικά θανατηφόρο. Για παράδειγμα, το 1997, μετά από μια μακρά περίοδο διάχυτης δραστηριότητας, το ηφαίστειο Soufrière Hills (νησί Μονσεράτ, Βρετανικές Μικρές Ινδίες) προκάλεσε 88 ηφαιστειακές εκρήξεις που ανάγκασαν τις αρχές να διευρύνουν την περίμετρο εκκένωσης και προκάλεσαν καταστροφές στο Πλύμουθ. Ένα άλλο πιο πρόσφατο παράδειγμα είναι η έκρηξη του Μεράπι το 2010 (Ιάβα, Ινδονησία), κατά την οποία ένα εκρηκτικό συμβάν προκάλεσε εκατοντάδες θύματα. Η βελτιωμένη κατανόηση των διαδικασιών που οδηγούν τέτοια συμβάντα είναι υποχρεωτική για την καλύτερη παρακολούθηση και πρόβλεψη ηφαιστειακών εκρήξεων.

Στην αναζήτησή τους για κατανόηση, οι επιστήμονες έρχονται αντιμέτωποι με δύο βασικά ζητήματα:(1) δεν υπάρχει άμεση πρόσβαση στις συνθήκες του αγωγού (π.χ. πορώδες και πίεση), που πρέπει να μαντέψαμε από δείγματα λάβας μια εκ των υστέρων ανάλυση και παρατηρήσεις παρακολούθησης εκρήξεων. και (2) η δυναμική του μάγματος στον αγωγό, που ελέγχουν το εκρηκτικό στυλ, είναι πολύπλοκη (Εικόνα 1) και διέπεται από παραμέτρους, όπως το ιξώδες και το πορώδες του μάγματος, που μπορεί να διαφέρουν κατά πολλές τάξεις μεγέθους σε κλίμακα μικρού μήκους.

Μεταξύ αυτών, η περιεκτικότητα σε αέριο μάγμα αναγνωρίστηκε ως κρίσιμη παράμετρος για την κατανόηση των παραλλαγών του στυλ ηφαιστειακής έκρηξης. Πράγματι, όταν το μάγμα ανεβαίνει στον αγωγό, το αέριο, διαλυμένο σε βάθος, διαλύεται και διαστέλλεται λόγω χαμηλότερων πιέσεων. Εάν παραμείνει εντός του μάγματος, η προκύπτουσα υψηλή περιεκτικότητα σε αέριο προκαλεί το θρυμματισμό του μάγματος με εκρηκτικό εκρηκτικό στυλ. Εάν, ωστόσο, το μάγμα χάσει αέριο μέσω της διαπερατής εκροής, χάνει την εκρηκτικότητα και μπορεί να εκραγεί διαχυτικά, σχηματίζοντας ροές λάβας και θόλους. Εξωτερικοί παράγοντες, όπως η επαναφόρτιση του θαλάμου μάγματος και η κατάρρευση του θόλου, προσθέτουν πολυπλοκότητα σε αυτό το σενάριο οδηγώντας σε μεταβατικές συνθήκες.

Η αριθμητική μοντελοποίηση της ροής μάγματος στον ηφαιστειακό αγωγό είναι ένα ισχυρό εργαλείο για τους επιστήμονες για να κατανοήσουν τους ελέγχους της εκρηκτικής δραστηριότητας και, από περιοριστικές παρατηρήσεις πεδίου και ανάλυση λάβας, να ερμηνεύσουν πιθανά σενάρια του αγωγού την εξέλιξη των συνθηκών κατά τη διάρκεια μιας έκρηξης. Η έκρηξη του 2010 στο Soufrière Hills οδήγησε σε μια αξιοσημείωτη έκρηξη στις 11 Φεβρουαρίου. Αυτή η έκρηξη προκλήθηκε από μια ξαφνική αποσυμπίεση λόγω της κατάρρευσης του θόλου στην κορυφή του αγωγού, διατηρώντας πιθανώς πληροφορίες σχετικά με τις προηγούμενες συνθήκες του αγωγού διαχυτικής φάσης. Αυτό έδωσε στους επιστήμονες μια μοναδική ευκαιρία να χαρακτηρίσουν καλύτερα τις συνθήκες των αγωγών κατά τη διάρκεια ενός καθεστώτος διάχυσης.

Οι ερευνητές αρχικά υπολόγισαν ορισμένες παραμέτρους του αγωγού από την ανάλυση των ελαφρόπετρων, δηλαδή δείγματα από τη στήλη προεκρηκτικού μάγματος που εκδιώχθηκαν από τον αγωγό κατά τη διάρκεια του εκρηκτικού συμβάντος. Σε κάθε δείγμα, μετρήθηκε η περιεκτικότητα σε νερό από γυαλί (δηλαδή μη κρυσταλλωμένο μάγμα), ένας καλός δείκτης της πίεσης του μάγματος, χρησιμοποιώντας έναν στοιχειώδη αναλυτή. Το πορώδες μετρήθηκε επίσης με Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Σάρωσης και τρισδιάστατη απεικόνιση των ελαφρόπετρων του δείγματος. Από αυτές τις περιοριστικές παραμέτρους, χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα ανάκτησης πίεσης αγωγού και βάθους για τον υπολογισμό των προεκρηκτικών συνθηκών πορώδους, πίεσης, βάθους και υδατοδιαλυτότητας στον αγωγό. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι πριν από την έκρηξη, η μαγματική στήλη απαερώθηκε εκτενώς (λίγες φυσαλίδες =χαμηλό πορώδες) και ότι η έκρηξη εκτόξευσε δείγματα από τη στήλη μάγματος σε τουλάχιστον 3 χιλιόμετρα στον αγωγό (Εικόνα 2) .

Εικόνα 2 – Επάνω:τα αποτελέσματα των δύο μοντέλων ανάκτησης που δίνουν προεκρηκτικές πιέσεις, βάθη και πορώδες. Σύμφωνα με μελέτες κατακερματισμού μάγματος, το εκρηκτικό κατώφλι επιτυγχάνεται όταν το πορώδες είναι πάνω από 80%. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ένα πολύ χαμηλό πορώδες πριν από την έκρηξη, γεγονός που υποκρύπτει το γεγονός ότι το μάγμα ήταν ισχυρά υπεραέριο εκείνη τη στιγμή. Στο κάτω μέρος:ένα σκίτσο του υδραυλικού συστήματος Montserrat τροποποιημένο μετά από τους Wadge et al. (2014). Το μαύρο ορθογώνιο αντιπροσωπεύει το τμήμα του μαγματικού συστήματος που επηρεάζεται από τα δεδομένα μας. Οι μαγματικοί θάλαμοι είναι χώροι αποθήκευσης μάγματος, ενώ τα αναχώματα ή οι αγωγοί αντιπροσωπεύουν κατάγματα στο υπόγειο μέσω των οποίων το μάγμα μπορεί να μετακινηθεί στην επιφάνεια. Η διαφορά μεταξύ των αναχωμάτων και του αγωγού είναι η γεωμετρία των ρωγμών που είναι γραμμικά για το πρώτο και αστεροειδή για το δεύτερο (σε οριζόντια διατομή). Οι φιγούρες είναι ευγενική προσφορά του Tonin Bechon.

Ένα μοντέλο ροής αριθμητικών αγωγών 1D χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για τον περιορισμό της δυναμικής του μάγματος στον αγωγό. Σε αυτό το μοντέλο, οι συνθήκες ροής μάγματος στον αγωγό, καθώς και το στυλ έκρηξης, εξαρτώνται από μερικές παραμέτρους εισόδου, συμπεριλαμβανομένου του ρυθμού εισόδου μάγματος στη βάση του αγωγού, της ακτίνας του αγωγού και της εξάρτησης της διαπερατότητας του μάγματος από το πορώδες. Αυτές οι παράμετροι διαφοροποιήθηκαν και προσαρμόστηκαν για την ανάκτηση των συνθηκών του αγωγού (πορώδες, πίεση, ρυθμός εξώθησης) κοντά στις παρατηρήσεις.

Δύο πιθανά σενάρια προέκυψαν από αυτήν τη μελέτη (Εικόνα 3) :στην πρώτη, η εισροή μάγματος ήταν σταθερή και υψηλή λίγο πριν την έκρηξη, σε συμφωνία με τις παρατηρήσεις του ρυθμού εξώθησης μάγματος, και η διαπερατότητα του μάγματος ήταν υψηλή ακόμη και σε χαμηλά πορώδες. Η αδυναμία αυτού του σεναρίου έγκειται στη δυσκολία λήψης υψηλών διαπερατοτήτων σε χαμηλά πορώδες βαθιά στον αγωγό. Το δεύτερο σενάριο υποστηρίζει μάλλον την παρουσία ασταθών συνθηκών και την εναλλαγή των περιόδων υψηλών ταχυτήτων μάγματος, με μικρή απαέρωση και στάσιμο μάγματος κατά τη διάρκεια της οποίας σημειώθηκε παρατεταμένη απαέρωση. Αυτό το δεύτερο σενάριο υποστηρίζεται από την παρατήρηση της ταχέως μεταβαλλόμενης εκρηκτικής δραστηριότητας και συμπεριφορών κυκλικότητας στο ηφαίστειο Soufrière Hills.

Με λίγα λόγια, οι Burgisser et al (2019) ανακτήθηκαν πριν -εκρηκτικές φυσικές συνθήκες (Πίεση, βάθος, πορώδες) για την έκρηξη της 2/11/2010 στο Soufriere Hills (Montserrat, Lesser Indies). Η αντιπαράθεση αυτών των τιμών με αριθμητικά μοντέλα ροής αγωγών επέτρεψε να εξηγηθούν τα παρατηρούμενα αποτελέσματα με δύο διαφορετικές υποθέσεις.

Συνολικά, αυτή η μελέτη υποστηρίζει τη σημασία της κατανόησης του τρόπου με τον οποίο το ανερχόμενο μάγμα χάνει αέριο προκειμένου να βελτιωθεί η μοντελοποίηση μεταβατικής δραστηριότητας. Η μελλοντική εργασία των ερευνητών στοχεύει να αναπτυχθεί σε δύο διαφορετικούς άξονες:(1) τη διερεύνηση της νέας τεχνολογικής ανάπτυξης για τον καλύτερο περιορισμό των προεκρηκτικών φυσικών συνθηκών. και (2) βελτίωση της μοντελοποίησης απώλειας αερίου μάγματος λαμβάνοντας υπόψη τη μεγαλύτερη πολυπλοκότητα, όπως τα αποτελέσματα διάτμησης ροής μάγματος στην παραμόρφωση των φυσαλίδων και στην εξέλιξη της διαπερατότητας.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Διεργασίες αγωγών κατά τη διάρκεια της βουλκανικής έκρηξης της 11ης Φεβρουαρίου 2010 στο Soufrière Hills, στο Μονσεράτ, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Volcanology and Geothermal Research .

Αναφορές:

1. Κάνοντας την ανάπτυξη βιώσιμη:το μέλλον της διαχείρισης κινδύνου καταστροφών. (Ηνωμένα Έθνη, 2015).
2. Druitt, T. H. et al. Επεισόδια κυκλικής βουλκανικής εκρηκτικής δραστηριότητας με κατάρρευση συντριβάνι στο ηφαίστειο Soufrière Hills, Μοντσερράτ. Geol. Soc. Lond. Μεμ. 21, 281–306 (2002).
3. Jenkins, S. et al. Η έκρηξη Merapi 2010:Μια διεπιστημονική μεθοδολογία εκτίμησης επιπτώσεων για τη μελέτη της δυναμικής του ρεύματος πυροκλαστικής πυκνότητας. J. Volcanol. Γεωθερμία. Res. 261, 316–329 (2013).
4. Burgisser, A. et al. Διεργασίες αγωγών κατά τη διάρκεια της ηφαιστειακής έκρηξης της 11ης Φεβρουαρίου 2010 στο Soufrière Hills, Montserrat. J. Volcanol. Γεωθερμία. Res. 373, 23–35 (2019).
5. Burgisser, A. et al. Προεκρηκτικές συνθήκες αγωγού των εκρήξεων του 1997 στο ηφαίστειο Soufrière Hills, Μονσεράτ:I. Κατανομές πίεσης και κυστιδίων. J. Volcanol. Γεωθερμία. Res. 194, 27–41 (2010).
6. Burgisser, A., Arbaret, L., Druitt, T. H. &Giachetti, T. Προεκρηκτικές συνθήκες αγωγού των εκρήξεων του Vulcanian το 1997 στο ηφαίστειο Soufrière Hills, Μοντσερράτ:II. Κατανομές υπερπίεσης και βάθους. J. Volcanol. Γεωθερμία. Res. 199, 193–205 (2011).
7. Wadge, G. et al. Κεφάλαιο 1 Μια επισκόπηση της έκρηξης του ηφαιστείου Soufrière Hills, Montserrat από το 2000 έως το 2010. Geol. Soc. Lond. Μεμ. 39, 1.1-40 (2014).
8. Kozono, T. &Koyaguchi, T. Επιδράσεις σχετικής κίνησης μεταξύ αερίου και υγρού σε μονοδιάστατη σταθερή ροή σε πυριτικούς ηφαιστειακούς αγωγούς:1. Μια αναλυτική μέθοδος. J. Volcanol. Geotherm. Res. 180, 21–36 (2009).