W styczniu 2023 roku w rodzimej prasie
pojawiło się sporo artykułów dotyczących podmorskiego wulkanu Kolumbo w Grecji.
Niektóre z nich były dość alarmistyczne jak np. w serwisie Twoja Pogoda (zero
zdziwienia). Postanowiłem zatem przepytać geofizyka Kajetana Chrapkiewicza z
Imperial College London o trwające badania nad Kolumbo, potencjalne
zagrożenia z tym wulkanem związane oraz o możliwość jego przebudzenia w
bliższej lub dalszej przyszłości. Przy okazji polecam zerknąć na poniższą pracę
naukową, której Kajetan jest współautorem oraz artykuł Guardian.
https://www.researchgate.net/publication/364648108_Magma_chamber_detected_beneath_an_arc_volcano_with_full-waveform_inversion_of_active-source_seismic_data
https://www.theguardian.com/science/2023/jan/25/terrawatch-santorini-braces-as-explosive-volcano-stirs
Gdzie znajduje się
podmorski wulkan Kolumbo i czym się charakteryzuje?
Kolumbo znajduje się ok. 7 kilometrów na NE od Santorini,
niezwykle popularnej wśród turystów wyspy należącej do greckiego archipelagu
Cyklad. Santorini to właściwie nie jedna wyspa, a pięć wystających nad
powierzchnię wody fragmentów ogromnej, ponad 10 km średnicy kaldery, której nie
muszę chyba przedstawiać czytelnikom bloga. Krater Kolumbo jest kilka razy
mniejszy, a jego najwyższy punkt znajduje się ok. 20 m a dno ok. 500 m pod
powierzchnią wody.
Pod względem geologicznym,
Kolumbo wraz z Santorini, a także kilkoma innymi wulkanami, tworzy tzw.
Helleński łuk wulkaniczny, który powstał w wyniku trwającego od milionów lat
zderzenia Afryki z Eurazją. W tym miejscu warto może wspomnieć, że łuki
wulkaniczne stanowią prawdopodobnie najważniejszy z kilku genetycznych typów
wulkanów, nie tylko z uwagi na ich eksplozywność, ale przede wszystkim na ich
fundamentalną rolę w procesie tworzenia nowej skorupy kontynentalnej. Nie każdy
wie, że powstawanie tego typu wulkanów nie byłoby możliwe, gdyby nie ogromne
ilości wody przesycające podmorskie płyty tektoniczne zanurzające się w
łukowato wygiętych strefach subdukcji. To właśnie woda uwalniana na dużych
głębokościach z uwodnionych minerałów budujących skały subdukującej płyty
powoduje topienie się płaszcza ziemskiego i narodziny systemów magmowych,
których powierzchniową ekspresją są łuki wulkaniczne. Wbrew pozorom, sama
temperatura płaszcza nie jest na tej głębokości wystarczająca by się stopił,
ani on, ani szybko zanurzający się zimny płat.
Wracając do Kolumbo i Santorini,
mimo wzajemnej bliskości, te dwa wulkany wykazują skrajnie różne zachowanie. W
przeszłości to Santorini wybuchało znacznie częściej, natomiast to właśnie
Kolumbo jest aktualnie centrum aktywności hydrotermalnej i sejsmicznej. W 2006
odkryto na dnie krateru Kolumbo duże pole polimetalicznych kominów
hydrotermalnych emitujących gazy o temperaturze powyżej 200 stopni Celsjusza. Aktywność
sejsmiczna oznacza, że praktycznie cały czas dochodzi do stosunkowo słabych
wstrząsów, które generują przepychające się przez sztywną skorupę, migrujące ku
powierzchni magma i płyny hydrotermalne.
Jaka jest historia
jego erupcji? Jakie zagrożenia są związane z potencjalnym przebudzeniem tego
podwodnego wulkanu?
Niewiele wiemy o historii erupcji
Kolumbo, na ten moment wydaje się, że było ich tylko kilka, średnio jedna na 200
tysięcy lat. O ostatniej, z 1615 r. n.e., można przeczytać więcej na tym blogu.
Dość powiedzieć, że wygenerowane przez nią tsunami spowodowało spore
spustoszenie. Dzisiaj zaklasyfikowalibyśmy magnitudę tej erupcji jako VEI 4-5,
dla porównania zeszłoroczna erupcja Hunga Tonga-Hunga Ha’apai miała magnitudę
VEI 5-6, a słynna erupcja Krakatau w 1883 r. VEI 6.
Oczywiście obecne zagrożenia są
większe niż 400 lat temu. Przede wszystkim, sąsiednie Santorini przez większą
część roku jest wprost oblegane przez turystów. Pióropusz popiołu i tratwy
pumeksowe mogą zakłócić odpowiednio transport powietrzny i wodny. Tym, o czym rzadziej
się mówi, jest bąbel dwutlenku węgla zgromadzony na dnie krateru, którego
uwolnienie może spowodować zjawisko podobne do tego znanego z jeziora Nyos w
Kamerunie.
Dlaczego warto
monitorować podmorskie wulkany? Jakich trudności nastręcza ich monitoring?
Podmorskie wulkany są wyjątkowo
niebezpieczne przede wszystkim z uwagi na zagrożenie tsunami. O ile na lądzie
używa się wszelkich możliwych pomiarów fizycznych i chemicznych, monitoring
wulkanów podwodnych jest znacznie utrudniony. Praktycznie odpadają badania
oparte na promieniowaniu elektromagnetycznym, takie jak np. satelitarna
interferometria radarowa, którą gdzie indziej wykorzystuje się do niezwykle
precyzyjnego wykrywania ruchów pionowych powierzchni ziemi. Oczywiście wszelkie
inne instrumenty trzeba zainstalować pod wodą w czasie kosztownych ekspedycji
morskich. Całe szczęście Kolumbo od tego roku posiada już podmorskie
obserwatorium monitoringu wulkanicznego SANTORY, jego rozwój można śledzić pod
adresem https://santory.gr/.
Na czym polega
metoda obrazowania sejsmicznego zwana full-waveform inversion (FWI)
wykorzystana do badań podmorskiego wulkanu Kolumbo?
O metodzie FWI, czyli inwersji
pełnej formy falowej można myśleć jako o połączeniu dwóch technik medycyny
diagnostycznej – ultrasonografii (USG) i tomografii komputerowej. W efekcie nie
tylko możemy dokładnie określić kontury badanego obiektu jak w USG, ale dzięki
spojrzeniu na wskroś pod różnymi kątami, jesteśmy w stanie określić jego
własności fizyczne.
Niestety wulkanu nie można
umieścić w tomografie i prześwietlić dokładnie z każdej możliwej strony.
Dlatego geofizycy zostali zmuszeni do opracowania zestawu narzędzi
matematycznych dużo bardziej wyrafinowanych niż te używane w medycynie, tak by
dawały one wiarygodne i użyteczne wyniki pomimo znacznie mniej doskonałych
danych. Zamiast promieniowania rentgenowskiego i ultradźwięków używa się fal
sejsmicznych generowanych przez naturalne trzęsienia ziemi lub drobne wstrząsy
generowane przez aparaturę badawczą.
Zebranie jak najlepszych danych
to jedna z dwóch kluczowych składowych metody FWI. Jest to ogromne i dość
kosztowne przedsięwzięcie, które w przypadku Kolumbo było możliwe dzięki
międzynarodowej współpracy między naukowcami z USA, Wielkiej Brytanii i Grecji.
Był to projekt PROTEUS, nazwany od imienia mitycznego syna Posejdona i Tetydy.
Najpierw na dnie morza wokół
Kolumbo i Santorini zakotwiczono niemal 100 sejsmometrów (czujników drgań), a
kilkadziesiąt innych na wyspach archipelagu. W niektórych przypadkach konieczne
było użycie helikoptera. Następnie, specjalnie wyposażony amerykański statek
badawczy R/V Marcus Langseth przez ponad tydzień kursował wokół wulkanów
wysyłając impulsy dźwiękowe przy pomocy ciągniętego za sobą emitera bąbli
sprężonego powietrza. Impulsy te wnikały głęboko pod powierzchnię dna
morskiego, i jako fale sejsmiczne penetrowały wnętrze wulkanów, by ostatecznie
zostać zarejestrowane z powrotem na dnie. Po uzyskaniu wystarczającej liczby
rejestracji, sejsmometry zabrano z dna morza. Odbyło się to poprzez wysłanie do
sejsmometru specjalnego sygnału akustycznego, który powoduje odcięcie kotwicy i
wypłynięcie czujnika na powierzchnię, z której łatwo już wyłowić go na pokład
statku.
Mając odpowiednią ilość danych o
dużym zagęszczeniu przestrzennym, przystępuje się do analizy komputerowej, często
trwającej kilka lat. W największym uproszczeniu, opiera się ona wielokrotnej
symulacji propagacji wszystkich fal sejsmicznych zarejestrowanych przez
sejsmometry, przy jednoczesnym stopniowym udoskonalaniu trójwymiarowego modelu
(obrazu) wnętrza wulkanu przy pomocy algorytmów optymalizacyjnych. Algorytmy te
są bardzo podobne do tych wykorzystywanych do trenowania sztucznych sieci neuronowych.
Inwersja pełnej formy falowej to
bardzo potężne narzędzie, które jeszcze do niedawna pozostawało w sferze
rozważań teoretycznych z uwagi na niewystarczającą moc obliczeniową komputerów.
Pomimo gwałtownego rozwoju technologii, na współczesnym komputerze osobistym
zajęłyby one lata, nawet przy założeniu najprostszej fizyki problemu. Zamiast
tego, korzysta się z superkomputerów, czyli sieci setek a często tysięcy
procesorów. Mimo to, jeśli chcielibyśmy
symulować wszystkie efekty fizyczne wpływające na propagację fal sejsmicznych,
dla niektórych problemów wciąż bardziej opłaca się wykonać wiercenia dna
morskiego niż wykupić czas na superkomputerze.
Wszystkie te koszty związane z
akwizycją danych i obliczeniami ponoszone są w celu uzyskania wystarczająco wysokiej
rozdzielczości finalnego obrazu 3D, tak by dało się dostrzec na nim szczegóły
takie jak małe komory magmowe, uskoki itp.
Dodam jeszcze, że przytoczona na
początku analogia medyczna nie jest przypadkowa. Sukcesy inwersji pełnego pola
falowego w geofizyce, zwłaszcza w obrazowaniu zbiorników ropy naftowej i gazu
ziemnego, spowodowały, że zaczyna ona być stosowana w medycynie. Istnieją
implementacje tej metody, m.in. kod napisany przez moich kolegów z Imperial
College London, które potrafią nie tylko zobrazować wnętrze wulkanu, czy
znaleźć ropę naftową, ale również wykryć krwotok mózgu czy nowotwór piersi. A
wszystko to bez ekspozycji na niekorzystne promieniowanie rentgenowskie, ani konieczności użycia wielkich skanerów do
rezonansu magnetycznego. Dalsze testy, wdrożenie i komercjalizacja inwersji
pełnego pola falowego w medycynie zajmą pewnie co najmniej dekadę.
W jaki sposób
została wykryta obecność komory magmowej greckiego wulkanu?
Wspomniana wyżej metoda
obrazowania pozwoliła nam uzyskać trójwymiarowy rozkład właściwości
sprężystych, a konkretnie prędkości rozchodzenia fal sejsmicznych, wewnątrz
wulkanu. Własności te są ściśle związane ze stopniem roztopienia skały. Im
bardziej stopiona jest skała, tym wolniej rozchodzą się w niej fale. Na drodze podobnej
obserwacji odkryto np. istnienie ciekłego jądra zewnętrznego Ziemi.
Związek między stanem skupienia
skały a prędkością fali można zrozumieć na przykładzie meksykańskiej fali
znanej ze stadionów piłkarskich. Jeśli kibice siedzieliby „upakowani” blisko
siebie w rzędzie trzymając się pod rękę, wstanie pierwszego natychmiast
spowodowałoby poderwanie następnego i w ten sposób fala rozeszłaby się dużo
szybciej, niż gdyby siedzieli oni w dużych odstępach. Podobnie, w skałach w
stałym stanie skupienia cząsteczki są gęsto upakowane w sieć krystaliczną i
przez to przekazują sobie drgania dużo szybciej niż w przypadku cieczy nawet
tak gęstej jak magma.
Pod Kolumbo wykryliśmy właśnie
obszar drastycznie obniżonych prędkości sejsmicznych. Co ciekawe, anomalia ta niemal
kompletnie umknęła standardowej metodzie obrazowania zastosowanej do tych
samych danych, a która była do tej pory głównym narzędziem geofizycznym do
badania wulkanów na całym świecie.
Prędkość okazała się na tyle niska, że nie można jej wytłumaczyć
jedynie wysoką temperaturą, musiało dojść do stopienia skały. Mało tego,
stopień roztopienia jest tu prawdopodobnie na tyle wysoki, że faktycznie możemy
mówić o magmie, a nie o tzw. pulpie krystalicznej (ang. crystal mush), w
przypadku której bardzo drobne (kilka % objętości skały) ilości stopu
rozmieszczone są w mikroskopijnych przestrzeniach pomiędzy ziarnami
krystalicznymi. Wbrew podręcznikowym obrazkom przedstawiającym sporą komorę
magmową pod każdym aktywnym wulkanem, obecny paradygmat właśnie pulpę stawia
jako przeważającą formę „egzystencji” stopu we wnętrzu Ziemi, a komory magmowe
uważa się za formy nietrwałe, a przez to trudno uchwytne metodami
geofizycznymi. Jeśli nie pojawi się na czas czynnik wywołujący erupcję, np.
zastrzyk gorącej magmy bazaltowej z większych głębokości, komora magmowa
ostygnie i skrystalizuje niemal całkowicie, tworząc pulpę.
Jak geofizycy
dokonują oszacowania wielkości/wzrostu komory magmowej danego wulkanu (na
przykładzie Kolumbo)?
Przy pomocy tzw. teorii homogenizacji
możemy z prędkości sejsmicznej częściowo stopionej skały obliczyć proporcję
między stopem a litą skałą. Mając trójwymiarowy obraz prędkości fali
sejsmicznej, nietrudno oszacować ile stopu jest w sumie we wnętrzu wulkanu.
Można też stwierdzić, ile stopu rezyduje w postaci magmy, a ile w postaci pulpy
krystalicznej, chociaż ten rachunek jest już obarczony większą niepewnością z
uwagi na fundamentalną niejednoznaczność wynikającą z potencjalnie różnych
geometrii porów skalnych, w których gromadzi się stop.
Oszacowanie tempa wzrostu w
naszym przypadku opierało się na założeniu, że całość stopu została dostarczona
/ wyprodukowana od czasu poprzedniej erupcji. Innymi słowy, że poprzednia
erupcja w całości opróżniła komorę magmową. Oczywiście jest to uproszczenie, i
wynik ten obarczony jest największą niepewnością spośród wymienionych.
W jakim przedziale
czasowym może teoretycznie dojść do przebudzenia wulkanu Kolumbo?
Takie oszacowania z reguły robi
się na podstawie średniej częstotliwości dotychczasowych erupcji. W przypadku
Kolumbo wiemy z pewnością, że w ostatnim milionie lat doszło do co najmniej
sześciu erupcji, co daje średnią częstotliwość erupcji niewiele większą od 1 /
200 tys. lat. Biorąc pod uwagę, że ostatnia erupcja była 400 lat temu,
moglibyśmy więc spać spokojnie. Niestety, z uwagi na trudną dostępność dla
badań bezpośrednich, nasza wiedza na temat poprzednich erupcji jest dość
ogólnikowa, a ciągła aktywność hydrotermalna i sejsmiczna powiązana ze
zobrazowaną komorą magmową wskazuje, że decyzja o wspomnianym wcześniej monitoringu
była uzasadniona.
W tej chwili trwa ekspedycja IODP
(ang. International Ocean Discovery Program), której uczestnicy, m.in.
jedna ze współautorek naszego artykułu, z pokładu statku wykonują głębokie
wiercenia dna morskiego osadów w bezpośrednim sąsiedztwie Kolumbo. Analiza
rdzeni wiertniczych dostarczy nam dużo lepszego zrozumienia historii
poprzednich erupcji, a przez to ulepszy nasze bardzo niedoskonałe prognozy.
Na zdjęciach wyspa wulkaniczna Nea Kameni (obecne centrum erupcyjne kaldery Santoryn) oraz podmorski wulkan Kolumbo. Źródło: greece.is i SeaBiotech.
Dziękuję Kajetanowi za możliwość przeprowadzenia wywiadu.
Oczywiście myślę już o przeprowadzeniu kolejnego wywiadu. Mam także w zanadrzu kilka pomysłów na ciekawe artykuły. Nieśmiało przypominam, że możecie mnie wesprzeć trwale bądź jednorazowo na Patronite i BuyMeaCoffee:
https://patronite.pl/wulkanyswiata
https://buycoffee.to/wulkanyswiata
Trzecia możliwość to zakup mojej debiutanckiej książki popularyzującej wspaniałe wyspiarskie wulkany:
https://www.empik.com/wulkany-sekrety-wysp-wulkanicznych-bartlomiej-krawczyk,p1343451210,ksiazka-p?cq_src=google_ads&cq_cmp=12762045481&cq_term=&cq_plac=&cq_net=g&cq_plt=gp&gclid=Cj0KCQiAutyfBhCMARIsAMgcRJR8Amu6Az7vsUu0XcI0RCjaDSoLcobHRoV56lo4bX7dl0EQCeJKL18aAikwEALw_wcB&gclsrc=aw.ds
EDIT: Podniesiony został stopień alarmu dla dwóch alaskańskich wulkanów Aniakchak i Trident ze względu na wzrost aktywności sejsmicznej. Ostatnie erupcje obu zarejestrowano odpowiednio w latach 1931 i 1975.
Trwa erupcja wulkanu Karangetang na wyspie Siau (Indonezja). Obecnie aktywne pozostają dwa kratery wulkanu.
Trwa słaba aktywność erupcyjna wulkanów Barren Island (Andamany) oraz Langila (Papua Nowa Gwinea).
O zbocze filipińskiego wulkanu Mayon (Luzon, Filipiny) rozbił się mały samolot biznesowy Cessna 340. 4 osoby zginęły, w tym dwoje Australijczyków. Ratownicy dotarli już na miejsce katastrofy.
