Предотвращение вулканической катастрофы: мониторинг «пенистых» магматических газов на наличие сигналов извержения
Иллюстрация извержения массивного вулкана

Мониторинг состава магматических газов может помочь предсказать опасные извержения вулканов. Ученые хотят извлечь знания из этого открытия и построить круглосуточную систему мониторинга вулканической активности и раннего предупреждения.

Состав газов мог предвещать повышенную вулканическую активность.

Извержения вулканов опасны, но, к сожалению, их также сложно предсказать. Теперь группа ученых из Токийского университета обнаружила, что соотношение атомов в определенных газах, выбрасываемых из вулканических фумарол (разрывов на поверхности Земли), может служить индикатором того, что происходит с магмой глубоко под ней. Это работает так же, как сдача анализа крови для проверки вашего здоровья. Это может указывать на то, что вещи могут «нагреваться» вулканически.

В частности, изменения соотношения аргона-40 и гелия-3 могут свидетельствовать о пенистой магме, что сигнализирует о риске различных типов извержений. Понимание того, какие соотношения каких газов указывают на определенный тип активности магмы, является большим шагом. Затем исследователи надеются создать круглосуточную систему мониторинга вулканической активности и раннего предупреждения, разработав портативное оборудование, которое может проводить измерения на месте в режиме реального времени.

Благодаря своему геотермально активному местоположению, город Кусацу, префектура Гумма (на заднем плане этого изображения), является одним из самых популярных мест в Японии для принятия онсэнов (горячих источников). Однако кислотное и ярко-бирюзовое кратерное озеро Югама определенно не подходит для купания. Кредит: Томоя Обасе

Мысль о том, что вы стоите на вулкане, заставляет вас дрожать от волнения или страха? Для многих людей жизнь в тени вулкана является частью повседневной жизни. В Японии насчитывается 111 действующих вулканов и ежегодно происходит в среднем 15 вулканических «событий», включая извержения. Однако эти события, которые могут быть смертельными, как известно, трудно предсказать.

Гора Онтакэ, второй по высоте вулкан Японии и известное туристическое место, неожиданно изверглась в 2014 году, в результате чего, к сожалению, погибло 58 человек, а пятеро пропали без вести. Хотя сейсмическая активность обычно является признаком раннего предупреждения, некоторые извержения (в том числе извержение на Онтаке) могут происходить без четких сигналов о землетрясении. Поэтому организациям по смягчению последствий стихийных бедствий, таким как Японское метеорологическое агентство, было бы полезно использовать другие надежные способы предупреждения жителей о следующем потенциальном бедствии.

Фумаролы — это дыры и трещины на поверхности Земли (коры), которые выделяют газ и пар и часто возникают вокруг вулканов. Выбрасываемый газ состоит из смеси химических веществ. Его состав может дать нам представление о том, что происходит под земной корой в мантии, где магма (расплавленная порода) формируется и выталкивается вверх, в конечном итоге извергаясь в виде лавы. Исследователи уже знают, что соотношение изотопов (атомов элемента с одинаковыми химическими свойствами, но разной массой) некоторых газов может указывать на скрытую активность магмы.

«Мы знали, что соотношение изотопов гелия иногда изменяется от низкого значения, как у гелия, обнаруженного в земной коре, до высокого значения, как у мантии Земли, когда активность магмы возрастает. Это было основано на наблюдении соотношения изотопов гелия в газе холодного источника на острове Эль-Йерро, на Канарских островах (в Атлантическом океане у северо-западного побережья Африки), где в 2011 году произошло извержение», — пояснил профессор Хирочика Сумино из Исследовательский центр передовой науки и технологий. «Но мы не знали, почему у нас было больше мантийного гелия во время магматических волнений».


Хиротика Сумино (темно-зеленая куртка), Томоя Обасе (синяя куртка) и Хироши Шинохара (оранжевая куртка) собирают пробы газа из фумарол в геотермальной зоне Татеяма Дзигокудани («Адская долина») в префектуре Тояма, Япония. Сбор проб газа из фумарол опасен из-за токсичного газа и горячего пара, поэтому необходимы противогаз, очки, каска и перчатки. Но Сумино говорит, что результаты этого исследования показывают, что понимание, полученное из образцов, того стоит. Кредит: Юки Хибия

Чтобы получить более глубокое представление, Сумино и исследовательская группа решили отслеживать газы из шести фумарол вокруг действующего вулкана Кусацу-Сиране, который находится примерно в 150 километрах (90 миль) к северо-западу от Токио в префектуре Гунма. Команда собирала образцы каждые несколько месяцев в течение семи лет с 2014 по 2021 год. После сбора они отвозили образцы обратно в лабораторию и анализировали их с помощью современного оборудования, называемого масс-спектрометром благородных газов. Это позволило им точно измерить изотопный состав, в том числе состав ультраследовых (крошечных, но важных) изотопов, таких как гелий-3, которого обычно больше в мантии, чем в земной коре или воздухе.

«Нам удалось обнаружить изменения в соотношении магмы аргон-40/гелий-3, связанные с магматическими волнениями. Используя компьютерные модели, мы обнаружили, что соотношение отражает степень пенообразования подземной магмы, образуя пузырьки вулканических газов, которые отделяются от жидкой магмы», — пояснил Сумино. «Количество пены магмы определяет, сколько магматического газа поступает в гидротермальную систему под вулканом и насколько плавучей является магма. Первое связано с риском фреатического извержения, при котором увеличение давления воды в гидротермальной системе вызывает извержение. Последнее увеличит скорость подъема магмы, что приведет к магматическому извержению.

На этой карте показано расположение фумарол, пробы которых взяла группа. Также показано место самого последнего, неожиданного и смертоносного извержения в январе 2018 года, в результате которого погиб один человек и 11 получили ранения. Фото: Томоя Обасе.

«Когда вы сравниваете вулкан с человеческим телом, обычные геофизические методы, представленные наблюдениями за землетрясениями и деформациями земной коры, аналогичны прослушиванию грудной клетки и измерению размеров тела. В этих случаях трудно определить, какая проблема со здоровьем вызывает шум в груди или внезапное увеличение веса, без подробного медицинского осмотра. С другой стороны, анализ химического и изотопного состава элементов в фумарольных газах подобен анализу дыхания или крови. Это означает, что мы смотрим на фактический материал, непосредственно полученный из магмы, чтобы точно знать, что происходит с магмой».

На данный момент образцы газа должны быть собраны в полевых условиях и доставлены обратно в лабораторию для анализа, что является сложным и трудоемким процессом. Тем не менее, Сумино имеет опыт усовершенствования масс-спектрометров благородных газов и надеется разработать новый инструмент, который позволит им выполнять тот же анализ, но в режиме реального времени и в полевых условиях.

«Мы хотим иметь возможность обнаруживать изменения в активности магмы как можно скорее», — сказал Сумино. «Сейчас мы разрабатываем портативный масс-спектрометр для локального мониторинга в режиме реального времени соотношения изотопов инертных газов в фумарольных газах. Наш следующий шаг — установить протокол анализа инертных газов с помощью этого нового прибора, чтобы воплотить в реальность наблюдение за всеми действующими вулканами — по крайней мере, за теми, которые могут причинить бедствие местным жителям — 24 часа в сутки, семь дней в неделю. неделя."

Ссылка: «Мониторинг магмо-гидротермальной системы по благородным газам и изотопному составу углерода фумарольных газов» Томоя Обасе, Хиротика Сумино, Котаро Тояма, Каори Кавана, Кохей Ямане, Муга Ягути, Акихико Терада и Такеши Охба, 21 ноября 2022 г., Научный Отчеты .
DOI: 10.1038/s41598-022-22280-3

Финансирование: эта работа была поддержана Министерством образования, культуры, спорта, науки и технологий (MEXT) Японии в рамках его Комплексной программы исследований вулканов следующего поколения и развития человеческих ресурсов (номер гранта программы JPJ005391) и Второе землетрясение и вулкан. Программа наблюдения и исследования опасностей (исследования по уменьшению опасности землетрясений и извержений вулканов).

геофизика
Дата публикации: 2022.11.22