Voorspelling van vulkanische activiteit

Algemene beginselen van de seismologie van vulkanenEdit

• Seismische activiteit (aardbevingen en bevingen) treedt altijd op als vulkanen ontwaken en zich voorbereiden op uitbarstingen en vormt een zeer belangrijk verband met uitbarstingen. Sommige vulkanen hebben normaal gesproken voortdurend geringe seismische activiteit, maar een toename kan wijzen op een grotere waarschijnlijkheid van een uitbarsting. Het soort aardbevingen dat zich voordoet en waar ze beginnen en eindigen zijn ook belangrijke signalen. Vulkanische seismiciteit kent drie hoofdvormen: aardbeving met korte perioden, aardbeving met lange perioden, en harmonische tremor.
• Aardbevingen met korte perioden lijken op normale, door breuken veroorzaakte aardbevingen. Zij worden veroorzaakt door het breken van bros gesteente wanneer magma zich een weg naar boven baant. Deze aardbevingen met korte perioden duiden op de groei van een magmalichaam aan de oppervlakte en staan bekend als “A”-golven. Dit soort seismische verschijnselen wordt vaak ook vulkanisch-tectonische (of VT) verschijnselen of aardbevingen genoemd.
• Aardbevingen met een lange duur worden verondersteld te wijzen op een verhoogde gasdruk in het leidingenstelsel van een vulkaan. Ze zijn vergelijkbaar met het gekletter dat men soms hoort in het loodgieterssysteem van een huis, en dat bekend staat als “waterslag”. Deze oscillaties zijn het equivalent van akoestische trillingen in een kamer, in de context van magmakamers binnen de vulkanische koepel en staan bekend als “B”-golven. Deze staan ook bekend als resonantiegolven en resonantiegebeurtenissen met een lange periode.
• Harmonische trillingen zijn vaak het gevolg van magma dat tegen het bovenliggende gesteente onder het oppervlak duwt. Ze kunnen soms sterk genoeg zijn om door mensen en dieren te worden gevoeld als zoemen of zoemen, vandaar de naam.

Patronen van seismiciteit zijn complex en vaak moeilijk te interpreteren; toenemende seismische activiteit is echter een goede indicator van een toenemend eruptierisico, vooral als gebeurtenissen met een lange periode gaan overheersen en er episoden van harmonische tremor optreden.

Met een soortgelijke methode kunnen onderzoekers vulkaanuitbarstingen opsporen door het monitoren van infra-geluid-sub-audibel geluid onder 20 Hz. Het IMS Global Infrasound Network, oorspronkelijk opgezet om de naleving van de verdragen inzake het verbod op kernproeven te controleren, telt 60 stations over de hele wereld die uitbarstende vulkanen opsporen en lokaliseren.

Seismische case studiesEdit

Een verband tussen gebeurtenissen met een lange periode en dreigende vulkaanuitbarstingen werd voor het eerst waargenomen in de seismische registraties van de uitbarsting van de Nevado del Ruiz in Colombia in 1985. Het optreden van lange-termijngebeurtenissen werd vervolgens gebruikt om de uitbarsting van Mount Redoubt in Alaska in 1989 en de uitbarsting van Galeras in Colombia in 1993 te voorspellen. In december 2000 voorspelden wetenschappers van het Nationaal Centrum voor Rampenpreventie in Mexico-Stad een uitbarsting binnen twee dagen in Popocatépetl, in de buitenwijken van Mexico-Stad. Hun voorspelling was gebaseerd op onderzoek dat was verricht door Bernard Chouet, een Zwitserse vulkanoloog die werkzaam was bij de United States Geological Survey en die voor het eerst een verband had waargenomen tussen gebeurtenissen met een lange periode en een op handen zijnde uitbarsting. De regering evacueerde tienduizenden mensen; 48 uur later barstte de vulkaan uit zoals voorspeld. Het was de grootste uitbarsting van Popocatépetl in duizend jaar, maar niemand raakte gewond.

IJsbergtrillingenEdit

Gelijkenissen tussen ijsbergtrillingen, die optreden wanneer ijsbergen aan de grond lopen, en vulkanische trillingen kunnen deskundigen helpen een betere methode te ontwikkelen om vulkaanuitbarstingen te voorspellen. Hoewel ijsbergen een veel eenvoudiger structuur hebben dan vulkanen, zijn ze fysiek gemakkelijker te bewerken. De overeenkomsten tussen vulkaan- en ijsbergtrillingen zijn onder meer de lange duur en amplitudes, evenals gemeenschappelijke verschuivingen in frequenties.

GasemissiesEdit

Gas- en aspluim uitgebarsten uit Mount Pinatubo, Filippijnen.

Als magma het oppervlak nadert en de druk ervan afneemt, ontsnappen gassen. Dit proces lijkt op wat er gebeurt als je een fles bruisende drank opent en er kooldioxide ontsnapt. Zwaveldioxide is een van de hoofdbestanddelen van vulkanische gassen, en toenemende hoeveelheden zwaveldioxide kondigen de komst van steeds grotere hoeveelheden magma aan de oppervlakte aan. Zo kwam op 13 mei 1991 een toenemende hoeveelheid zwaveldioxide vrij uit de berg Pinatubo op de Filippijnen. Op 28 mei, slechts twee weken later, was de uitstoot van zwaveldioxide gestegen tot 5.000 ton, tien maal de eerdere hoeveelheid. De Mount Pinatubo barstte later op 12 juni 1991 uit. Bij verschillende gelegenheden, zoals vóór de uitbarsting van de Mount Pinatubo en de uitbarsting van Galeras in Colombia in 1993, zijn de zwaveldioxide-emissies gedaald tot een laag niveau vóór de uitbarstingen. De meeste wetenschappers geloven dat deze daling van het gasniveau wordt veroorzaakt door het afsluiten van gasgangen door verhard magma. Een dergelijke gebeurtenis leidt tot verhoogde druk in het leidingenstelsel van de vulkaan en een verhoogde kans op een explosieve uitbarsting. Een multi-component gasanalysesysteem (Multi-GAS) is een instrumentenpakket dat wordt gebruikt om in real time metingen met hoge resolutie van vulkanische gaspluimen te verrichten. Met multi-GAS-metingen van CO2/SO2-verhoudingen kan de pre-eruptieve ontgassing van opstijgende magma’s worden gedetecteerd, waardoor vulkanische activiteit beter kan worden voorspeld.

GrondvervormingEdit

Opzwellen van een vulkaan geeft aan dat magma zich nabij het oppervlak heeft opgehoopt. Wetenschappers die een actieve vulkaan in de gaten houden, zullen vaak de helling meten en veranderingen in de zwellingsgraad bijhouden. Een toename van de zwellingsgraad, vooral wanneer deze gepaard gaat met een toename van de zwaveldioxide-emissies en harmonische trillingen, is een zeer waarschijnlijk teken van een op handen zijnde gebeurtenis. De vervorming van Mount St. Helens voorafgaand aan de uitbarsting van 18 mei 1980 was een klassiek voorbeeld van deformatie, aangezien de noordzijde van de vulkaan naar boven uitpuilde terwijl zich daaronder magma opbouwde. De meeste gevallen van bodemvervorming kunnen meestal alleen worden waargenomen door geavanceerde apparatuur die door wetenschappers wordt gebruikt, maar toch kunnen zij op deze manier toekomstige uitbarstingen voorspellen. De vulkanen van Hawaï vertonen een aanzienlijke bodemvervorming; de grond wordt opgeblazen vóór een uitbarsting en vervolgens duidelijk weer leeggelopen na de uitbarsting. Dit is te wijten aan de ondiepe magmakamer van de Hawaiiaanse vulkanen; beweging van het magma is boven op de grond gemakkelijk waarneembaar.

Thermische monitoringEdit

Zowel beweging van het magma, veranderingen in het vrijkomen van gas en hydrothermale activiteit kunnen leiden tot thermische emissiviteitsveranderingen aan het oppervlak van de vulkaan. Deze kunnen met verschillende technieken worden gemeten:

• vooruitkijkende infrarood radiometrie (FLIR) van hand-held apparaten die ter plaatse, op afstand, of vanuit de lucht zijn geïnstalleerd;
• infrarood band satellietbeelden;
• in-situ thermometrie (hete bronnen, fumarolen)
• warmtefluxkaarten
• enthalpieveranderingen in geothermische bronnen

HydrologieEdit

Er zijn 4 hoofdmethoden die kunnen worden gebruikt om een vulkaanuitbarsting te voorspellen met behulp van hydrologie:

• Hydrologische en hydraulische metingen in boorgaten en putten worden steeds meer gebruikt om veranderingen in de gasdruk en het thermisch regime van een vulkaan onder de grond te volgen. Verhoogde gasdruk doet het waterpeil stijgen en vlak voor een uitbarsting plotseling dalen, en thermische focussering (verhoogde plaatselijke warmtestroom) kan watervoerende lagen verkleinen of uitdrogen.
• Opsporing van lahars en andere puinstromen dicht bij hun bronnen. USGS-wetenschappers hebben een goedkoop, duurzaam, draagbaar en gemakkelijk te installeren systeem ontwikkeld om de aankomst en passage van puinstromen en overstromingen in rivierdalen die op actieve vulkanen afwateren, op te sporen en continu te volgen.
• Voor de uitbarsting kan sediment worden opgepikt door een rivierkanaal rond de vulkaan dat aangeeft dat de eigenlijke uitbarsting mogelijk op handen is. De meeste sedimenten worden uit vulkanisch verstoorde stroomgebieden getransporteerd tijdens perioden van hevige regenval. Dit kan een aanwijzing zijn voor morfologische veranderingen en verhoogde hydrothermale activiteit bij afwezigheid van instrumentele monitoringtechnieken.
• Volkanische afzetting die op een rivieroever kan worden geplaatst, kan gemakkelijk worden geërodeerd waardoor de riviergeul drastisch breder of dieper wordt. Daarom kan het monitoren van de breedte en diepte van de riviergeul worden gebruikt om de waarschijnlijkheid van een toekomstige vulkaanuitbarsting te beoordelen.

Remote sensingEdit

Remote sensing is de detectie door sensoren van een satelliet van elektromagnetische energie die wordt geabsorbeerd, gereflecteerd, uitgestraald of verstrooid van het oppervlak van een vulkaan of van zijn uitgebarsten materiaal in een uitbarstingswolk.

• ‘Cloud sensing: Wetenschappers kunnen de ongewoon koude eruptiewolken van vulkanen volgen met behulp van gegevens van twee verschillende thermische golflengten om de zichtbaarheid van eruptiewolken te vergroten en ze te onderscheiden van meteorologische wolken
• ‘Gas sensing: Zwaveldioxide kan ook worden gemeten door teledetectie op enkele van dezelfde golflengten als ozon. Total Ozone Mapping Spectrometers (TOMS) kunnen de hoeveelheid zwaveldioxidegas meten die door vulkanen bij uitbarstingen wordt uitgestoten. Kooldioxide-emissies van vulkanen zijn gedetecteerd in het kortegolf-infrarood met behulp van NASA’s Orbiting Carbon Observatory 2.
• Thermische detectie: De aanwezigheid van nieuwe significante thermische signaturen of “hot spots” kan wijzen op nieuwe opwarming van de grond vóór een uitbarsting, een uitbarsting in uitvoering vertegenwoordigen of de aanwezigheid van een zeer recente vulkanische afzetting, met inbegrip van lavastromen of pyroclastische stromen.
• Deformatie sensing: Satellietradargegevens kunnen worden gebruikt om geometrische veranderingen in het vulkanische bouwwerk op lange termijn op te sporen, zoals opheffing en depressie. Bij deze methode, interferometrische synthetische apertuurradar (InSAR), worden digitale hoogtemodellen die uit radarbeelden zijn afgeleid, van elkaar afgetrokken om een differentieel beeld te verkrijgen dat de mate van topografische verandering weergeeft.
• Bosbewaking: Onlangs is aangetoond dat de plaats van eruptieve breuken maanden tot jaren vóór de uitbarstingen kan worden voorspeld door de groei van de bossen te volgen. Dit instrument, gebaseerd op de bewaking van de groei van de bomen, is gevalideerd op zowel de Niyragongo als de Etna tijdens de uitbarstingen van de vulkaan in 2002-2003.
• Infrageluiddetectie: Een betrekkelijk nieuwe aanpak voor het opsporen van vulkaanuitbarstingen is het gebruik van infrageluidsensoren van het infrageluidnetwerk van het International Monitoring System (IMS). Deze opsporingsmethode neemt signalen van meerdere sensoren en gebruikt driehoeksmeting om de plaats van de uitbarsting te bepalen.

Massabewegingen en massale uitbarstingenEdit

Monitoring van massabewegingen en massale uitbarstingen maakt gebruik van technieken die geleend worden uit de seismologie (geofoons), deformatie, en meteorologie. Aardverschuivingen, steenlawines, pyroklastische stromen en modderstromen (lahars) zijn voorbeelden van massale verschuivingen van vulkanisch materiaal voor, tijdens en na uitbarstingen.

De bekendste vulkanische aardverschuiving was waarschijnlijk het falen van een uitstulping die was opgebouwd uit magma vóór de uitbarsting van Mount St. Helens in 1980. Deze aardverschuiving “ontkurkte” de ondiepe magmatische intrusie waardoor een catastrofaal falen en een onverwachte zijwaartse uitbarsting plaatsvond. Rotsvallen doen zich vaak voor tijdens perioden van verhoogde vervorming en kunnen een teken zijn van verhoogde activiteit wanneer er geen instrumentele controle is. Modderstromen (lahars) zijn geremobiliseerde gehydrateerde asafzettingen van pyroclastische stromen en asvalafzettingen, die zich zelfs onder zeer ondiepe hoeken met hoge snelheid omlaag bewegen. Door hun hoge dichtheid zijn zij in staat grote voorwerpen zoals geladen houtvrachtwagens, huizen, bruggen en rotsblokken te verplaatsen. Hun afzettingen vormen gewoonlijk een tweede ring van puinwaaiers rond vulkanische bouwwerken, waarbij de binnenste waaier bestaat uit primaire asafzettingen. Stroomafwaarts van de afzetting van hun fijnste lading, kunnen lahars nog steeds een overstromingsrisico vormen door het achterblijvende water. Het kan vele maanden duren voordat lahar-afzettingen zijn opgedroogd, totdat ze begaanbaar zijn. De gevaren van laharactiviteit kunnen nog jaren na een grote explosieve uitbarsting bestaan.

Een team van Amerikaanse wetenschappers ontwikkelde een methode om lahars te voorspellen. Hun methode werd ontwikkeld door het analyseren van gesteenten op Mt. Rainier in Washington. Het waarschuwingssysteem is afhankelijk van de verschillen tussen vers gesteente en ouder gesteente. Vers gesteente geleidt elektriciteit slecht en wordt hydrothermisch veranderd door water en hitte. Als men dus de ouderdom van de rotsen kent, en dus de sterkte ervan, kan men de trajecten van een lahar voorspellen. Op Mount Rainier is ook een systeem van akoestische stroommonitors (AFM) geplaatst om aardschokken te analyseren die tot een lahar zouden kunnen leiden, zodat men eerder gewaarschuwd is.