التنبؤ بالنشاط البركاني

إن التنبؤ بالنشاط البركاني والتنبؤ بالثوران البركاني هو جهد بحثي ورصدي متعدد التخصصات للتنبؤ بوقت وشدّة ثوران البركان . ومن الأهمية بمكان التنبؤ بالثورات الخطيرة التي قد تؤدي إلى خسائر كارثية في الأرواح والممتلكات وتعطيل الأنشطة البشرية.

يشكل الخطر وعدم اليقين عنصرين أساسيين في عملية التنبؤ والتنبؤ، وهما ليسا بالضرورة نفس الشيء في سياق البراكين، ولكن كلاهما لديه عملية تعتمد على البيانات الماضية والحالية.

• يحدث النشاط الزلزالي (الزلازل والهزات) دائمًا عندما تستيقظ البراكين وتستعد للثوران وهي حلقة وصل مهمة جدًا للثورات البركانية. عادةً ما يكون لبعض البراكين نشاط زلزالي مستمر منخفض المستوى، ولكن الزيادة قد تشير إلى احتمالية أكبر للثوران. كما تعد أنواع الزلازل التي تحدث ومكان بدايتها ونهايتها علامات رئيسية أيضًا. للزلازل البركانية ثلاثة أشكال رئيسية: زلزال قصير المدة ، وزلزال طويل المدة ، وهزة متناسقة .
• الزلازل قصيرة المدة تشبه الزلازل العادية التي تولدها الصدوع. وهي تحدث نتيجة تشقق الصخور الهشة عندما تشق الصهارة طريقها إلى الأعلى. وتشير هذه الزلازل قصيرة المدة إلى نمو جسم الصهارة بالقرب من السطح وتُعرف باسم الموجات "أ". وغالبًا ما يُشار إلى هذا النوع من الأحداث الزلزالية أيضًا باسم الأحداث البركانية التكتونية (أو VT) أو الزلازل.
• يُعتقد أن الزلازل طويلة الأمد تشير إلى زيادة ضغط الغاز في نظام السباكة في البركان. وهي تشبه الصرير الذي يُسمع أحيانًا في نظام السباكة في المنزل، والذي يُعرف باسم " المطرقة المائية ". هذه التذبذبات تعادل الاهتزازات الصوتية في الحجرة، في سياق حجرات الصهارة داخل القبة البركانية وتُعرف باسم الموجات "ب". تُعرف أيضًا باسم موجات الرنين وأحداث الرنين طويلة الأمد.
• غالبًا ما تكون الهزات التوافقية نتيجة لدفع الصهارة ضد الصخور الموجودة أسفل السطح. وقد تكون أحيانًا قوية بما يكفي ليشعر بها الناس والحيوانات على شكل طنين أو أزيز، ومن هنا جاءت تسميتها.

تعتبر أنماط الزلازل معقدة وغالبا ما يصعب تفسيرها؛ ومع ذلك، فإن زيادة النشاط الزلزالي يعد مؤشرا جيدا على زيادة خطر الانفجار، وخاصة إذا أصبحت الأحداث طويلة الأمد مهيمنة وظهرت حلقات من الهزات التوافقية.

وباستخدام طريقة مماثلة، يستطيع الباحثون اكتشاف الانفجارات البركانية من خلال مراقبة الموجات تحت الصوتية ـ وهي الأصوات التي لا يمكن سماعها إلا عند تردد أقل من 20 هرتز. وتضم شبكة IMS العالمية للموجات تحت الصوتية، التي أنشئت في الأصل للتحقق من الامتثال لمعاهدات حظر التجارب النووية، 60 محطة حول العالم تعمل على اكتشاف البراكين الثائرة وتحديد موقعها. ^[1]

لوحظت العلاقة بين الأحداث طويلة الأمد والثورات البركانية الوشيكة لأول مرة في السجلات الزلزالية لثوران نيفادو ديل رويز في كولومبيا عام 1985. ثم تم استخدام حدوث الأحداث طويلة الأمد للتنبؤ بثوران جبل ريدوبت في ألاسكا عام 1989 وثوران جاليراس في كولومبيا عام 1993. في ديسمبر 2000، توقع العلماء في المركز الوطني للوقاية من الكوارث في مدينة مكسيكو ثورانًا في غضون يومين في بوبكاتيبيتل ، على مشارف مدينة مكسيكو. استخدم تنبؤهم البحث الذي أجراه برنارد شويت ، عالم البراكين السويسري الذي كان يعمل في هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية والذي لاحظ لأول مرة العلاقة بين الأحداث طويلة الأمد والثوران الوشيك. ^{[2] [3] [4]} قامت الحكومة بإجلاء عشرات الآلاف من الأشخاص؛ وبعد 48 ساعة، ثار البركان كما كان متوقعًا. كان هذا أكبر ثوران لبركان بوبكاتيبيتل منذ ألف عام، ومع ذلك لم يصب أحد بأذى.

قد تساعد أوجه التشابه بين هزات الجبال الجليدية ، التي تحدث عندما تجنح، والهزات البركانية الخبراء على تطوير طريقة أفضل للتنبؤ بالثورات البركانية . على الرغم من أن الجبال الجليدية لها هياكل أبسط بكثير من البراكين، إلا أنها أسهل في التعامل معها جسديًا. تشمل أوجه التشابه بين الهزات البركانية والجليدية فترات وسعات طويلة ، بالإضافة إلى التحولات الشائعة في الترددات . ^[5]

عندما تقترب الصهارة من السطح وينخفض ​​ضغطها، تهرب الغازات. هذه العملية تشبه إلى حد كبير ما يحدث عندما تفتح زجاجة من المشروبات الغازية ويهرب ثاني أكسيد الكربون. ثاني أكسيد الكبريت هو أحد المكونات الرئيسية للغازات البركانية، وتبشر الكميات المتزايدة منه بوصول كميات متزايدة من الصهارة بالقرب من السطح. على سبيل المثال، في 13 مايو 1991، تم إطلاق كمية متزايدة من ثاني أكسيد الكبريت من جبل بيناتوبو في الفلبين . في 28 مايو، بعد أسبوعين فقط، زادت انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت إلى 5000 طن، أي عشرة أضعاف الكمية السابقة. ثار جبل بيناتوبو لاحقًا في 12 يونيو 1991. في عدة مناسبات، مثل قبل ثوران جبل بيناتوبو وثوران جاليراس في كولومبيا عام 1993 ، انخفضت انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت إلى مستويات منخفضة قبل الثورات. يعتقد معظم العلماء أن هذا الانخفاض في مستويات الغاز ناتج عن سد ممرات الغاز بواسطة الصهارة المتصلبة. يؤدي مثل هذا الحدث إلى زيادة الضغط في نظام السباكة في البركان وزيادة فرصة حدوث ثوران متفجر. نظام محلل الغاز متعدد المكونات (Multi-GAS) هو مجموعة أدوات تستخدم لأخذ قياسات عالية الدقة في الوقت الفعلي لأعمدة الغاز البركاني. ^[6] يمكن أن تسمح قياسات Multi-GAS لنسب ثاني أكسيد الكربون _/ ثاني _{أكسيد الكبريت} بالكشف عن إزالة الغاز قبل الانفجار من الصهارة الصاعدة، مما يحسن التنبؤ بالنشاط البركاني. ^[6]

يشير تضخم البركان إلى تراكم الصهارة بالقرب من السطح. غالبًا ما يقيس العلماء الذين يراقبون بركانًا نشطًا ميل المنحدر ويتتبعون التغيرات في معدل التورم. إن زيادة معدل التورم، خاصة إذا كان مصحوبًا بزيادة في انبعاثات ثاني أكسيد الكبريت والارتعاشات التوافقية، هي علامة عالية الاحتمال على حدوث حدث وشيك. كان تشوه جبل سانت هيلينز قبل ثوران 18 مايو 1980 مثالاً كلاسيكيًا للتشوه، حيث كان الجانب الشمالي من البركان ينتفخ لأعلى بينما كانت الصهارة تتراكم تحته. لا يمكن اكتشاف معظم حالات تشوه الأرض عادةً إلا من خلال المعدات المتطورة التي يستخدمها العلماء، لكنهم لا يزالون قادرين على التنبؤ بالثورات المستقبلية بهذه الطريقة. تظهر البراكين الهاوايية تشوهًا أرضيًا كبيرًا؛ فهناك تضخم في الأرض قبل الثوران ثم انكماش واضح بعد الثوران. ويرجع هذا إلى حجرة الصهارة الضحلة في براكين هاواي. يمكن ملاحظة حركة الصهارة بسهولة على الأرض أعلاه. ^[7]

يمكن أن تؤدي حركة الصهارة والتغيرات في إطلاق الغاز والنشاط الحراري المائي إلى تغيرات في الانبعاث الحراري على سطح البركان. ويمكن قياس هذه التغيرات باستخدام عدة تقنيات:

• قياس الأشعة تحت الحمراء الموجهة للأمام (FLIR) من الأجهزة المحمولة باليد، المثبتة في الموقع، أو عن بعد، أو المحمولة جواً؛
• صور الأقمار الصناعية في نطاق الأشعة تحت الحمراء ؛
• قياس الحرارة في الموقع ( الينابيع الساخنة ، المنافذ البركانية )
• خرائط تدفق الحرارة
• تغيرات المحتوى الحراري للآبار الحرارية الأرضية

هناك أربع طرق رئيسية يمكن استخدامها للتنبؤ بالثوران البركاني من خلال استخدام علم المياه:

• تُستخدم القياسات الهيدرولوجية والهيدروليكية للآبار الجوفية والآبار بشكل متزايد لمراقبة التغيرات في ضغط الغاز تحت السطح والنظام الحراري للبركان. سيؤدي زيادة ضغط الغاز إلى ارتفاع مستويات المياه ثم انخفاضها فجأة قبل الانفجار مباشرة، ويمكن أن يؤدي التركيز الحراري (زيادة تدفق الحرارة المحلية) إلى تقليل أو تجفيف طبقات المياه الجوفية.
• الكشف عن الانهيارات الطينية وغيرها من تدفقات الحطام بالقرب من مصادرها. لقد طور علماء هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية نظامًا غير مكلف ومتين وقابل للحمل وسهل التركيب للكشف عن وصول تدفقات الحطام والفيضانات ومراقبتها باستمرار في وديان الأنهار التي تستنزف البراكين النشطة.
• قد يتم التقاط الرواسب التي سبقت الانفجار البركاني بواسطة قناة نهرية تحيط بالبركان، مما يشير إلى أن الانفجار البركاني قد يكون وشيكًا. يتم نقل معظم الرواسب من مستجمعات المياه المضطربة بركانيًا خلال فترات هطول الأمطار الغزيرة. يمكن أن يكون هذا مؤشرًا على التغيرات المورفولوجية وزيادة النشاط الحراري المائي في غياب تقنيات الرصد الآلية.
• يمكن أن تتعرض الرواسب البركانية التي قد تترسب على ضفة النهر للتآكل بسهولة، مما يؤدي إلى توسيع أو تعميق مجرى النهر بشكل كبير. لذلك، يمكن استخدام مراقبة عرض وعمق قنوات النهر لتقييم احتمالية حدوث ثوران بركاني في المستقبل.

الاستشعار عن بعد هو الكشف عن طريق أجهزة استشعار الأقمار الصناعية للطاقة الكهرومغناطيسية التي يتم امتصاصها أو عكسها أو إشعاعها أو تشتيتها من سطح بركان أو من مادته المتفجرة في سحابة ثوران.

• " استشعار السحب : يستطيع العلماء مراقبة سحب الثوران الباردة غير العادية من البراكين باستخدام بيانات من طولين موجيين حراريين مختلفين لتعزيز رؤية سحب الثوران وتمييزها عن السحب الجوية."
• ' استشعار الغاز : يمكن أيضًا قياس ثاني أكسيد الكبريت عن طريق الاستشعار عن بعد عند بعض الأطوال الموجية نفسها للأوزون. يمكن لمطياف رسم خرائط الأوزون الكلي (TOMS) قياس كمية غاز ثاني أكسيد الكبريت المنبعثة من البراكين أثناء الانفجارات. تم الكشف عن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من البراكين في الأشعة تحت الحمراء ذات الموجة القصيرة باستخدام مرصد الكربون المداري التابع لوكالة ناسا 2. ^[8]
• الاستشعار الحراري : إن وجود علامات حرارية جديدة أو "نقاط ساخنة" قد يشير إلى تسخين جديد للأرض قبل الانفجار، أو يمثل انفجارًا مستمرًا أو وجود رواسب بركانية حديثة جدًا، بما في ذلك تدفقات الحمم البركانية أو التدفقات البركانية.
• استشعار التشوه : يمكن استخدام بيانات الرادار المكاني المحمولة عبر الأقمار الصناعية للكشف عن التغيرات الهندسية طويلة المدى في المبنى البركاني، مثل الارتفاع والانخفاض. في هذه الطريقة، يتم طرح نماذج الارتفاع الرقمية الناتجة عن صور الرادار من بعضها البعض لإنتاج صورة تفاضلية تعرض معدلات التغير الطبوغرافي.
• مراقبة الغابات : مؤخرًا، تم إثبات أنه يمكن التنبؤ بموقع الشقوق البركانية، قبل أشهر أو سنوات من الانفجارات، من خلال مراقبة نمو الغابات. وقد تم التحقق من صحة هذه الأداة القائمة على مراقبة نمو الأشجار في كل من جبل نيراجونجو وجبل إتنا أثناء أحداث ثوران البركان في عامي 2002 و2003. ^[9]
• الاستشعار تحت الصوتي : هناك نهج جديد نسبيًا لاكتشاف الانفجارات البركانية يتضمن استخدام أجهزة استشعار تحت صوتي من شبكة تحت صوتي تابعة لنظام الرصد الدولي (IMS). تأخذ طريقة الكشف هذه إشارات من أجهزة استشعار متعددة وتستخدم التثليث لتحديد موقع الانفجار. ^[10]

تستخدم مراقبة تحركات الكتل البركانية والانهيارات تقنيات مستمدة من علم الزلازل (الجيوفونات)، والتشوهات، والأرصاد الجوية. تعد الانهيارات الأرضية، وسقوط الصخور، والتدفقات البركانية، والتدفقات الطينية (الانهيارات الطينية) أمثلة على انهيارات المواد البركانية قبل وأثناء وبعد الانفجارات.

ربما كان الانهيار الأرضي البركاني الأكثر شهرة هو فشل الانتفاخ الذي تراكم من الصهارة المتطفلة قبل ثوران جبل سانت هيلينز في عام 1980، وقد "فتح" هذا الانهيار الأرضي التسلل الصخري الضحل مما تسبب في فشل كارثي وانفجار ثوران جانبي غير متوقع. غالبًا ما تحدث تساقطات الصخور أثناء فترات التشوه المتزايد ويمكن أن تكون علامة على زيادة النشاط في غياب المراقبة الآلية. تدفقات الطين ( الانهيارات الطينية ) هي رواسب رماد مائية أعيد تحريكها من تدفقات الحمم البركانية ورواسب الرماد المتساقطة، تتحرك إلى أسفل المنحدر حتى بزوايا ضحلة للغاية بسرعة عالية. نظرًا لكثافتها العالية، فهي قادرة على تحريك أشياء كبيرة مثل شاحنات قطع الأشجار المحملة والمنازل والجسور والصخور الكبيرة. تشكل رواسبها عادةً حلقة ثانية من مراوح الحطام حول المباني البركانية، حيث تكون المروحة الداخلية عبارة عن رواسب رماد أولية. لا تزال الرواسب الطينية تشكل خطراً يهدد بفيضانات بسبب المياه المتبقية. وقد تستغرق رواسب الرواسب الطينية عدة أشهر حتى تجف، حتى يصبح من الممكن السير عليها. وقد تستمر المخاطر الناجمة عن نشاط الرواسب الطينية بعد عدة سنوات من ثوران انفجاري كبير.

قام فريق من العلماء الأمريكيين بتطوير طريقة للتنبؤ بالاندفاعات الطينية . وقد تم تطوير طريقتهم من خلال تحليل الصخور على جبل رينييه في واشنطن . يعتمد نظام التحذير على ملاحظة الاختلافات بين الصخور الحديثة والقديمة. الصخور الحديثة موصلات رديئة للكهرباء وتتغير حراريًا بالماء والحرارة. لذلك، إذا عرفوا عمر الصخور، وبالتالي قوتها، فيمكنهم التنبؤ بمسارات الاندفاعات الطينية. ^[11] كما تم وضع نظام من أجهزة مراقبة التدفق الصوتي (AFM) على جبل رينييه لتحليل الهزات الأرضية التي قد تؤدي إلى اندفاعات طينية ، مما يوفر تحذيرًا مبكرًا. ^[12]

كان خبير محلي قد تنبأ بثوران بركان جبل نيراجونجو في السابع عشر من يناير عام 2002 قبل أسبوع من ذلك التاريخ، وكان هذا الخبير يدرس البراكين منذ سنوات. وقد أبلغ السلطات المحلية بذلك، فأرسل فريق مسح تابع للأمم المتحدة إلى المنطقة؛ ومع ذلك، فقد أُعلن أن المنطقة آمنة. ولكن للأسف، عندما ثار البركان، دُمر 40% من مدينة جوما، إلى جانب تدمير سبل عيش العديد من الناس. وزعم الخبير أنه لاحظ تغيرات طفيفة في التضاريس المحلية، وأنه راقب ثوران بركان أصغر بكثير قبل عامين. ولأنه كان يعلم أن هذين البركانين متصلان بصدع صغير، فقد كان يعلم أن جبل نيراجونجو سوف يثور قريبًا. ^[13]

طور الجيولوجيون البريطانيون طريقة للتنبؤ بالثورات المستقبلية لجبل إتنا . لقد اكتشفوا أن هناك فارقًا زمنيًا قدره 25 عامًا بين الأحداث. يمكن أن يساعد رصد أحداث القشرة العميقة في التنبؤ بدقة بما سيحدث في السنوات القادمة. حتى الآن، توقعوا أنه بين عامي 2007 و 2015، سيكون النشاط البركاني نصف ما كان عليه في عام 1972. ^{[14] [ بحاجة لمصدر ]} طرق أخرى للتنبؤ بالنشاط البركاني هي من خلال فحص زيادة نسب ثاني أكسيد الكربون _/ ثاني أكسيد الكبريت _. ستشير هذه النسب إلى إزالة الغازات قبل الانفجار من غرف الصهارة. استخدم فريق من الباحثين جبل إتنا لهذا البحث من خلال مراقبة الغازات مثل H ₂ O و CO ₂ و SO ₂ . أجرى الفريق مراقبة في الوقت الفعلي لجبل إتنا قبل أن يشهد ثورات في يوليو وديسمبر 2006. تعد نسب ثاني أكسيد الكربون _/ ثاني أكسيد الكبريت _مفيدة في أن زيادة هذه النسب هي مقدمة للثورات القادمة بسبب تسارع الصهارة الغنية بالغاز وتجديد حجرة الصهارة. في العامين من الملاحظات التي أجراها الفريق، كانت زيادة هذه النسب بمثابة مقدمة للثورات القادمة. وقد سُجل أنه في الأشهر التي سبقت الثوران، زادت النسب وأدت إلى ثوران بعد أن وصل إلى ذروته. وخلص إلى أن قياس H ₂ O و CO ₂ و SO ₂ يمكن أن يكون طريقة مفيدة للتنبؤ بالنشاط البركاني، وخاصة في جبل إتنا. ^[15] يمكن أيضًا استخدام تنبؤ جبل إتنا بالنشاط البركاني مع تحليل الجاذبية الدقيقة رباعي الأبعاد. يستخدم هذا النوع من التحليل نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ومقياس التداخل بالرادار ذي الفتحة التركيبية (InSAR). يمكن قياس التغيرات في الكثافة، وبعد ذلك، يمكن استرجاع نموذج لإظهار حركات الصهارة والمقاييس المكانية التي تحدث داخل النظام البركاني. في عام 2001، اكتشفت نماذج الجاذبية أن هناك انخفاضًا في كتلة جبل إتنا بمقدار 2.5 × 10 ¹¹ كجم. في النهاية، كان هناك زيادة مفاجئة في الكتلة قبل أسبوعين من الانفجار. عوض البركان عن هذا الانخفاض في الصهارة عن طريق استعادة المزيد من الصهارة من منطقة تخزينها لإحضارها إلى المستويات العليا من نظام السباكة. بسبب هذا الاسترجاع، أدى ذلك إلى ثوران. تُظهر دراسات الجاذبية الدقيقة التي أجراها هذا الفريق هجرة الصهارة والغاز داخل حجرة الصهارة قبل أي ثوران، والتي يمكن أن تكون طريقة مفيدة لأي تنبؤ بالنشاط البركاني. ^[16]

ربما يكون بركان ساكوراجيما أحد أكثر المناطق التي تخضع للمراقبة على وجه الأرض. يقع بركان ساكوراجيما بالقرب من مدينة كاجوشيما ، التي يبلغ عدد سكانها أكثر من 500000 نسمة. تراقب كل من وكالة الأرصاد الجوية اليابانية (JMA) ومرصد ساكوراجيما البركاني (SVO) التابع لجامعة كيوتو نشاط البركان. منذ عام 1995، لم ينفجر ساكوراجيما إلا من قمته دون إطلاق أي حمم بركانية.

تقنيات المراقبة في ساكوراجيما:

• تشير النشاطات المحتملة إلى انتفاخ الأرض المحيطة بالبركان مع بدء تراكم الصهارة أسفله. وفي ساكوراجيما، يتسم هذا بارتفاع قاع البحر في خليج كاجوشيما - مما يؤدي إلى ارتفاع مستويات المد والجزر.
• مع بدء تدفق الصهارة، يمكن اكتشاف ذوبان وانقسام الصخور القاعدية على أنها زلازل بركانية. وفي ساكوراجيما، تحدث هذه الزلازل على عمق يتراوح بين كيلومترين وخمسة كيلومترات تحت السطح. ويتم استخدام نفق مراقبة تحت الأرض للكشف عن الزلازل البركانية بشكل أكثر موثوقية.
• تبدأ مستويات المياه الجوفية في التغير، وقد ترتفع درجة حرارة الينابيع الساخنة وقد يتغير التركيب الكيميائي وكمية الغازات المنبعثة. يتم وضع أجهزة استشعار درجة الحرارة في الآبار التي تستخدم للكشف عن درجة حرارة المياه الجوفية. يتم استخدام الاستشعار عن بعد في ساكوراجيما لأن الغازات سامة للغاية - تزداد نسبة غاز حمض الهيدروكلوريك إلى غاز _ثاني أكسيد الكبريت بشكل كبير قبل فترة وجيزة من الانفجار.
• مع اقتراب الثوران، تقوم أنظمة قياس الميل بقياس الحركات الدقيقة للجبل. ويتم نقل البيانات في الوقت الفعلي إلى أنظمة المراقبة في SVO.
• ترصد أجهزة قياس الزلازل الزلازل التي تحدث مباشرة أسفل الحفرة، مما يشير إلى بداية الثوران. وتحدث هذه الزلازل قبل الانفجار بفترة تتراوح بين ثانية إلى ثانية ونصف.
• مع مرور الانفجار، يسجل نظام قياس الميل استقرار البركان.

وبعيدًا عن التنبؤ بالنشاط البركاني، هناك مقترحات تكهنية للغاية لمنع النشاط البركاني المتفجر عن طريق تبريد غرف الصهارة باستخدام تقنيات توليد الطاقة الحرارية الأرضية . ^[17]

• عقد البراكين
• مشروع إزالة غاز الكربون من أعماق الأرض
• التنبؤ بالزلزال
• المعهد الوطني للجيوفيزياء والبراكين
• هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية
• جوكولهلوب
• مراجل ثلجية

• المنظمة العالمية لمراصد البراكين (WOVO)
• IAVCEI (الجمعية الدولية لعلم البراكين وكيمياء باطن الأرض)
• SI (برنامج سميثسونيان العالمي للبراكين)