Prekursory erupcji w Fagradalsfjall w ubiegłym roku różniły się od prekursorów wielu innych erupcji na świecie, a skład chemiczny lawy zmieniał się w miarę postępu tej erupcji. Jest to jedno z ustaleń opublikowanych w dwóch artykułach naukowych autorstwa badaczy z Uniwersytetu Islandzkiego oraz Islandzkiego Instytutu Meteorologii, które ukazały się w najnowszym numerze czasopisma naukowego Nature.
Islandzcy naukowcy bardzo uważnie śledzili trzęsienia ziemi na półwyspie Reykjanes, które rozpoczęły się w grudniu 2019 roku i osiągnęły swoje szczytowe natężenie z początkiem erupcji z 19 marca 2021 roku, trwającej przez około sześć miesięcy. Gęsta sieć instrumentów pomiarowych i bliskość osad w południowo-zachodniej części Islandii pozwoliły precyzyjnie odwzorować postęp erupcji. W tych rejonach była to pierwsza erupcja od około 800 lat.
W artykule pt. „Deformation and seismicity decline before the 2021 Fagradalsfjall eruption” (Deformacja i spadek aktywności sejsmicznej przed erupcją Fagradalsfjall w 2021 roku) wykazano różnice między erupcją w dolinie Geldingadalur a innymi erupcjami na świecie. Pracami nad artykułem kierowali Freystein Sigmundsson, naukowiec z Instytutu Nauk o Ziemi, oraz Michelle Parks, ekspertka od ruchów skorupy ziemskiej w Islandzkim Instytucie Meteorologii. Pomagało im wielu innych naukowców z tych dwóch instytutów oraz z ÍSOR, a także naukowcy z Wielkiej Brytanii, Nowej Zelandii i Czech.
W tygodniach poprzedzających erupcję na półwyspie Reykjanes ziemia dość mocno się trzęsła. Okres ten charakteryzował się uwalnianiem naprężeń w skorupie ziemskiej, jednak w ostatnich dniach przed erupcją ruchy skorupy ziemskiej i aktywność sejsmiczna w okolicy zmniejszyły się. Nie wyglądało to jak preludium erupcji wulkanicznej, obserwowane w innych częściach świata – zazwyczaj występują w takich przypadkach postępujące ruchy skorupy ziemskiej i wstrząsy na krótko przed erupcją, gdy magma przedziera się na powierzchnię.
Naukowcy odpowiedzialni za artykuł zwracają uwagę, że to odmienne zachowanie wulkanu w Fagradalsfjall można wyjaśnić interakcją ruchów magmy i sił tektonicznych związanych z ruchami płyt skorupy ziemskiej. Gdy magma podąża na powierzchnię przez skorupę ziemską, siły te mogą powodować trzęsienia ziemi i deformacje skorupy. Gdy trzęsienia ziemi zmniejszą się, może to wskazywać, że proces dobiega końca i magma niebawem wypłynie na powierzchnię.
W okresie nieco ponad trzech tygodni przed erupcją w Fagradalsfjall wystąpiła zarówno duża deformacja gruntu, jak i wiele trzęsień ziemi. Jedno i drugie związane było z powstaniem pionowego tunelu magmowego, który sięgał od powierzchni w dół na głębokość ponad 8 km. W tym samym czasie w skorupie ziemskiej została uwolniona energia, która nagromadziła się w wyniku ruchów płyt tektonicznych. Wystąpiły silne trzęsienia ziemi, największe o magnitudzie do 5,6, które również uwalniały energię z naprężeń skorupy ziemskiej.
Naukowcy zaznaczają w artykule, że słabsza aktywność sejsmiczna w ostatnich dniach przed erupcją mogła być ewentualnie przypisana temu, że magma znajdowała się wtedy bliżej powierzchni, gdzie skorupa ziemska jest najsłabsza i magma łatwiej się przez nią wydostaje.
Opis ilustracji: a) Model ruchów skorupy ziemskiej w dniach 24 lutego – 19 marca pokazujący przemieszczenia poziome w postaci strzałek, a pionowe w skali kolorów. Czerwona linia wskazuje tunel magmy, a łamana czarna linia – główną oś płyty tektonicznej b) Liczba trzęsień ziemi na godzinę w funkcji czasu (kolor niebieski) i całkowita liczba trzęsień ziemi (czerwona linia dla całego obszaru badań). c) Ruchy w trzech punktach geodezyjnych w funkcji czasu. W miarę rozwoju sytuacji ruchy skorupy ziemskiej spowalniały, a aktywność sejsmiczna zmniejszała się w ostatnich dniach przed erupcją. [Na podstawie artykułu Freysteina Sigmundssona, Michelle Parks i in.]
„Wyniki tych badań są bardzo ważne, ponieważ normalnie przed erupcją obserwuje się rosnącą aktywność sejsmiczną i zwiększone ruchy skorupy ziemskiej, jednak w ostatnich dniach przed erupcją w Fagradalsfjall 2021 ruchy skorupy ziemskiej i aktywność sejsmiczna zmniejszyły się w obszarze wokół centrów erupcji” – mówi Michelle Maree Parks, ekspertka w dziedzinie ruchów skorupy ziemskiej w Islandzkim Instytucie Meteorologii i jedna z autorek artykułu w Nature. „Wyniki te mają znaczenie dla społeczności międzynarodowej i mogą być wykorzystane przez organizacje monitorujące wulkany na całym świecie oraz interpretujące dane związane z trzęsieniami ziemi” – mówi Michelle.
Zdaniem naukowców, badania pokazują również, że przy przewidywaniu możliwych erupcji musi być brana pod uwagę interakcja między wulkanami a siłami związanymi z tektoniką płyt. Uwolnienie naprężeń na styku płyt tektonicznych i zmniejszenie deformacji oraz częstotliwości trzęsień ziemi może być prekursorem pewnych typów erupcji wulkanicznych.
W drugim artykule, pt. „Rapid shifting of a deep magmatic source at Fagradalsfjall volcano, Iceland” (Szybkie przemieszczanie się magdy z głębokiego źródła w wulkanie Fagradalsfjall na Islandii), omówiono zmiany, jakie zaszły w składzie chemicznym lawy, która wypływała w dolinie Geldingadalur i jej okolicach w miarę postępu erupcji. Sæmundur Ari Halldórsson, naukowiec z uniwersyteckiego Instytutu Nauk o Ziemi, kierował pracami nad badaniem wspieranym przez dużą grupę naukowców, zarówno z Uniwersytetu Islandzkiego, Instytutu Meteorologii, jak i prestiżowych instytucji naukowych z Francji, Stanów Zjednoczonych, Anglii, Szwecji i Włoszech.
Przez pierwsze 50 dni erupcji naukowcy co tydzień pobierali próbki lawy, a także wychwytywali cząsteczki gazów w powietrzu wokół miejsca erupcji i badali skład wyziewów wulkanicznych. Celem tych działań było m.in. znalezienie odpowiedzi na pytanie, jak głęboko w płaszczu ziemskim powstała magma, na jakiej głębokości znajdowała się komora magmowa przed erupcją oraz jakie procesy dominowały w komorze zarówno przed erupcją, jak i w jej trakcie. Podjęto także próbę odpowiedzi na pytanie, czy w erupcji brała udział więcej niż jedna komora magmowa. Odpowiedzi na te pytania można znaleźć w składzie materiałów wulkanicznych, które wydostają się na powierzchnię.
Została przeprowadzona szczegółowa analiza zarówno składu chemicznego lawy, kryształów w niej zawartych, jak i gazów wulkanicznych.
Analizy ujawniły, że lawa w Fagradalsfjall miała swoje źródło w komorze magmowej na dużej głębokości na styku skorupy ziemskiej i płaszcza. Jest to kolejny element odróżniający tę erupcję od większości innych erupcji badanych na Ziemi, gdzie magma pochodziła raczej z komór magmowych zlokalizowanych na niewielkiej głębokości w skorupie ziemskiej. Dotychczas brakowało informacji o najgłębszych częściach systemów wulkanicznych, ale dzięki erupcji w Fagradalsfjall społeczność naukowa zyskuje nową wiedzę o występujących tam procesach.
Na początku erupcji lawa była stosunkowo bogata w magnez w porównaniu z lawą z innych historycznych erupcji na Islandii. Następnie w gazach wulkanicznych zarejestrowano dużą ilość dwutlenku węgla. Sugeruje to, zdaniem naukowców, że w magmie zaszły niewielkie zmiany w drodze w górę przez skorupę ziemską do powierzchni ziemi. Interpretacja różnych warunków – ciśnienia i temperatury – w jakich tworzyła się lawa i jej kryształy, wskazała, że magma pochodziła z komory magmowej na dnie skorupy ziemskiej – na głębokości około 15 km. Dlatego można sądzić, że erupcja była podtrzymywana bezpośrednio z płaszcza Ziemi.
Badanie wykazało również, że skład chemiczny lawy w Fagradalsfjall zmieniał się wraz z postępem erupcji. Sądzi się, że magma napłynęła do komory magmowej podczas erupcji, ale prawdopodobnie uformowała się głębiej w płaszczu Ziemi.
Naukowcy zwracają uwagę, że od dawna twierdzono, że różne rodzaje magmy mogą mieszać się przed erupcjami głęboko w systemach wulkanicznych, ale tutaj mamy wyraźny na to dowód. Zmiany w składzie chemicznym lawy pokazują, że nowa magma może zasilić głęboko położoną komorę magmowej stosunkowo szybko (już w okresie 20 dni) i że może mieszać się z magmą już istniejącą w tej komorze. Wyniki tych badań doprowadzą do lepszego zrozumienia zachowania wulkanów i geochemii płaszcza Ziemi oraz mogą wspomóc rozwój modeli systemów wulkanicznych na całym świecie.
Niezwykle rzadko zdarza się, aby dwa artykuły naukowe islandzkich naukowców ukazały się w tym samym numerze Nature, ponieważ konkurencja dotycząca publikacji materiałów w tym czasopiśmie jest naprawdę duża, a wymagania stawiane autorom niezwykle wysokie.
„Publikacja wyraźnie podkreśla silną pozycję badań z zakresu nauk o Ziemi w Islandii w kontekście międzynarodowym” – mówi Árni Snorrason, dyrektor Islandzkiego Instytutu Meteorologii.
W opracowaniu obu artykułów wzięło udział łącznie ośmiu naukowców z Islandzkiego Instytutu Meteorologii. Dostęp do artykułów (w języku angielskim) można uzyskać TU i TU.
