Для людей, живущих рядом с вулканами, опасность выходит далеко за пределы потоков лавы и облаков пепла. Некоторые взрывные извержения могут привести к драматическим обрушениям склонов вулканов, подобным тем, что произошли на горе Сент-Хеленс в Вашингтоне и на вулкане Анак-Кракатау в Индонезии. Последнее вызвало цунами, ставшее причиной большинства смертей во время исторических извержений в 1883 году.
Наука и точные триггеры таких катастроф остаются в значительной степени неизвестными. Чтобы помочь учёным прогнозировать обрушение склонов вулканов, известная как фланги или склоны, Кристиэль Вотье, доцент кафедры наук о Земле в Пенсильванском государственном университете и директор центра вычислительных наук и данных в Институте вычислительных наук и данных, возглавила разработку новых моделей, которые могут оценить стабильность вулкана.
Модели, опубликованные в Journal of Geophysical Research: Solid Earth, могут помочь местным властям и сообществам, оценивая потенциал обрушения задолго до того, как земля может полностью и внезапно обрушиться.
«Поступление магмы под вулкан оказывает на кору огромное давление, гораздо более сильное, чем давление воды, — сказала Вотье. — Она оказывает огромное воздействие на породы, которое может помочь дестабилизировать вулкан и привести к обрушению. Но мы не знаем точных условий, которые способствовали бы нестабильности, и оценка запускающих факторов довольно сложна».
Используя частично реальные примеры скольжения склонов вулканов, включая объекты на Гавайях, которые испытали обрушение, Вотье и её коллеги разработали способ прогнозирования того, как склоны будут реагировать на подъём магмы при различных условиях. Магма — это расплавленная порода, которая становится лавой, когда выходит на поверхность Земли. Они также оценили, где скольжение поверхности будет более или менее вероятным, в соответствии с ожидаемыми изменениями стабильности.
Их новые модели основаны на предыдущих знаниях о местонахождении магмы. Подъём магмы под вулканом может вызвать скольжение по существующим разломам — повреждённым участкам, где два блока породы могут двигаться относительно друг друга. Скольжение в этих местах может в конечном итоге привести к обрушению.
«Если у вас есть представление о том, какая область вулкана более подвержена обрушению, вы можете разместить наземные датчики, такие как сейсмометры или GPS, для мониторинга рискованного фланга на поминутной или почасовой основе задолго до обрушения», — сказала Вотье, которая также является сотрудником Института Земли и экологических систем.
Чтобы помочь с прогнозами, исследовательская группа сосредоточилась на наклоне разломов, или угле наклона разлома или трещины в породе относительно горизонтальной поверхности. Исследователи обнаружили, что земля с большей вероятностью обрушится на склонах с неглубокими наклонами разломов под поверхностью — особенно если магма открывает кору под вершиной вулкана.
Они отметили, что топография оказывает значительное влияние на прогнозы движения грунта, фактор, который часто упускается из виду в других исследованиях.
«Это фундаментальное исследование может иметь полезное применение для более точной оценки конкретных опасностей обрушения и областей вулкана, которые более подвержены нестабильности», — сказала Вотье. «В долгосрочной перспективе продвижение этого типа исследований может помочь сообществам, расположенным рядом с вулканами, давая им время подготовиться и эвакуироваться в случае необходимости».
Исторически сложилось так, что обрушения, вызванные вулканической активностью, были особенно опасны для жизни людей. Когда в мае 1980 года произошло извержение горы Сент-Хеленс, её обрушение удалило крышку резервуара магмы, что привело к ещё большему и более сильному взрывному извержению. Всего в результате извержения горы Сент-Хеленс погибло 57 человек; было разрушено 27 мостов и почти 200 домов.
Столетие назад извержение Анак-Кракатау в августе 1883 года — ещё один пример вулканического обрушения — привело к гибели более 36 000 человек и разрушению десятков деревень. Волны от цунами достигали высоты более 30 метров.
После обрушения и извержения вулкана в декабре 2018 года более 400 человек погибли в результате мощного цунами. Вотье и её коллеги также изучили это событие, обнаружив, что склон горы скользил в течение многих лет.
«Эти обрушения могут быть очень и очень опасными», — сказала Вотье, чьи исследования сосредоточены на смягчении природных опасностей, связанных с вулканами, оползнями и землетрясениями.
Она сказала, что наиболее взрывоопасные вулканы образуются вдоль зон субдукции, где одна тектоническая плита погружается под другую. Многие вулканы в зонах субдукции расположены вдоль побережья, в том числе в Индонезии и на Алеутских островах на Аляске. Вулканы на Гавайях также могут быть нестабильны в некоторых местах, хотя они не такие взрывные, как вулканы в зонах субдукции, сказала Вотье.
Дальнейшие исследования могут быть сосредоточены на усилении модельных расчётов и тестировании моделей в других изменяющихся условиях, сказала она.
Другие участники исследования — Джудит Гонсалес-Сантана, бывший аспирант и постдокторант в группе Вотье в области наук о Земле в Пенсильванском государственном университете; Джей Суи Тунг, доцент кафедры геофизики в Техасском технологическом университете; и Тимоти Мастерларк, профессор геологии и горной инженерии в Школе горного дела и технологий Южной Дакоты.
Предоставлено Пенсильванским государственным университетом.