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.
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:
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.
