Następny wielki wybuch. Czy uda się przewidzieć śmiercionośną erupcję Mount St. Helens?

W Sekcji Archeo w pulsarze prezentujemy archiwalne teksty ze „Świata Nauki” i „Wiedzy i Życia”. Wciąż aktualne, intrygujące i inspirujące.

Wczesnym rankiem 18 maja 1980 roku Arlene Edwards, fotografka prasowa z Portland w stanie Oregon, wsiadła do samochodu i razem ze swoją 19-letnią córką Jolene pojechała do sąsiedniego stanu Waszyngton. Po przejechaniu mostu na rzece Columbia skierowały się na północ ku skalnemu grzbietowi, z którego rozpościerał się świetny widok na wulkan Mount St. Helens, wznoszący się na wschód od nich w odległości około 15 km. Arlene wyjęła aparat fotograficzny i przystąpiła do obserwacji góry. Od dwóch miesięcy wulkan wyrzucał w powietrze pyły i gorące gazy, a Edwards była jedną z wielu dziesiątek osób, które wdrapały się na strome granie wokół wulkanu, aby móc na niego patrzeć z bezpiecznej, jak im się wydawało, odległości. Był ładny, ciepły niedzielny poranek. Pod niebieską kopułą bezchmurnego nieba wznosił się piękny i groźny wulkan z charakterystycznymi lodowcami pokrytymi teraz pyłem wulkanicznym.

Nagle kobiety zobaczyły, jak cała północna strona Mount St. Helens zaczyna się osuwać do pobliskiej doliny. Z dziury, która powstała w miejscu, gdzie przed chwilą znajdował się wierzchołek i zbocze góry, uniosła się ciemnoszara, złowróżbnie wyglądająca chmura sproszkowanych skał i gorących gazów. Obłok powiększał się błyskawicznie, szybko zasłaniając całe niebo na wschód od miejsca, gdzie znajdowały się Arlene i jej córka. Chmura ruszyła w ich kierunku. Po paru sekundach w nie uderzyła.

Arlen spadła do 300-metrowej przepaści; jej ciało znaleziono później pośród wielkich, połamanych przez podmuch konarów drzew iglastych. Jolene, uduszoną przez pyły wulkaniczne, znaleziono w pobliżu samochodu matki. Wokół wulkanu znaleziono ciała 55 innych osób zabitych przez erupcję wulkaniczną, której skala kompletnie zaskoczyła naukowców.

Ponad trzy i pół dekady później w odległości kilkuset metrów od skalnej grani, gdzie stały Arlene i Jolene Edwards, klęczał, pochylony nad aparaturą pomiarową, Carl Ulberg, świeżo upieczony sejsmolog z University of Washington. Przed nim znajdował się wielki plastikowy pojemnik do połowy zakopany w ziemi. Carl zaglądał do środka, grzebiąc rękami w plątaninie kabli i mikroprocesorów. Po chwili wyjął z pojemnika kartę pamięci. W oddali lśnił w słońcu wulkan Mount St. Helens. Jego krater był częściowo wypełniony przez świeżą lawę, która napłynęła podczas kilku łagodnych erupcji w latach 2004–2008. Ulberg schował kartę pamięci, na której zarejestrowane były dane na temat drżeń ziemi w ciągu ostatnich sześciu miesięcy, do przenośnej plastikowej kasety, a następnie umieścił w sejsmometrze nową kartę. „W ten właśnie sposób próbujemy się dowiedzieć, co dzieje się pod tym wulkanem” – wyjaśnił mi, wskazując górę.

Ta oraz 69 innych terenowych stacji sejsmicznych rozmieszczonych wokół Mount St. Helens rejestrują od trzech lat najmniejsze pomruki skorupy ziemskiej – od trzęsień ziemi przez eksplozje ładunków wybuchowych po szum fal oceanicznych uderzających o odległy brzeg morski. Aparaturę zainstalowano w ramach projektu Imaging Magma Under St. Helens, w skrócie iMUSH, którego celem jest monitorowanie wędrówki magmy przemieszczającej się z wnętrza skorupy ziemskiej ku powierzchni. To jedno z najbardziej ambitnych i kompleksowych działań podjętych w celu szczegółowego poznania „systemu hydraulicznego” wulkanu – układu podziemnych komór i kanałów, w których gromadzi się i którymi wędruje gorąca magma. Tradycyjne wyobrażenia na temat budowy wulkanów są dość proste: na dole mamy komorę z magmą, od której odchodzi w górę komin wulkaniczny z wylotem w kraterze. Jednak pod Mount St. Helens płynna materia skalna wędruje poprzez kilka połączonych ze sobą rezerwuarów, przechodząc po drodze rozmaite przemiany chemiczne mogące zwiększyć impet erupcji. Magma zasilająca wulkan przemieszcza się zarówno horyzontalnie, jak i wertykalnie, omijając przeszkody i wykorzystując istniejące już uskoki i głębokie szczeliny skalne. Jej ruchowi towarzyszą płytsze i głębsze trzęsienia ziemi, które mogą zapowiadać przyszłe eksplozje, gdy już komora wulkaniczna ponownie wypełni się magmą.

Dane gromadzone w ramach projektu iMUSH mają znaczenie nie tylko dla milionów ludzi żyjących w sąsiedztwie Mount St. Helens i innych wulkanów pasma Gór Kaskadowych – obszar ten obejmuje między innymi miasta Vancouver, Seattle, Portland, Reno i Sacramento – ale również dla żyjących w cieniu innych groźnych wulkanów na Ziemi. W okresie od 1980 roku do teraz w wyniku erupcji wulkanicznych zginęło na świecie łącznie ponad 25 tys. ludzi. Dlatego pilnie potrzebne są dokładniejsze metody prognozowania zachowania wulkanów, szczególnie tych mających wybuchową naturę. Na lądach większość takich stożków, w tym również Mount St. Helens, wyrasta powyżej stref zderzenia wielkich płyt tektonicznych – w takich miejscach ciepło z wnętrza globu łatwiej dociera do jego powierzchni. Zamiarem uczestników iMUSH jest stworzenie uniwersalnych narzędzi do prognozowania zachowania wulkanów, niezależnie od ich zewnętrznego wyglądu. „Wulkany to indywidualiści – zauważa Michael Clynne, geolog z ośrodka U.S. Geological Survey (USGS) w Menlo Park w Kalifornii. – Ale kiedy naprawdę dobrze poznamy jeden z nich, myślę, że łatwiej będzie śledzić, co dzieje się wewnątrz innych”.

Przeniknąć skały

Najgłębsze odwierty wykonane przez człowieka na Ziemi miały długość około 12 km, tymczasem „korzenie” wulkanów są wielokrotnie głębsze. Załóżmy, że masz wiertło, za którego pomocą mógłbyś dotrzeć na dowolną głębokość, i zacząłbyś nim wiercić taką dziurę w pobliżu Mount St. Helens. Przez pierwsze 70 km drążyłbyś swój otwór w dość typowych skałach skorupy kontynentalnej, jednak potem napotkałbyś coś, co mogłoby cię zaskoczyć. Wiertło wgryzłoby się bowiem w skały pochodzenia oceanicznego, obfitujące w wodę oraz skamieniałości dawnych organizmów morskich.

Owe skały stanowią pozostałość niedużej płyty tektonicznej – fragmentu dna północnego Pacyfiku. Zanurza się ona w głąb płaszcza Ziemi pod zachodnim skrajem Ameryki Północnej. Zjawisko to zwane jest subdukcją. To główna siła napędowa ziemskiego wulkanizmu. Fragmenty dawnej skorupy oceanicznej są wciągane w dół, pod skorupę kontynentalną, a na dużych głębokościach ogrzewają się i dają początek płynnej magmie, która jest lżejsza od otaczających ją skał i zaczyna się przeciskać do góry. Płyta oceaniczna, która zanurkowała pod Amerykę Północą, odpowiada za powstanie łuku stoków wulkanicznych od Mount Garibaldi w Kolumbii Brytyjskiej do Lassen Peak w północnej Kalifornii. Ale nie tylko – to jej zawdzięczają istnienie tysiące małych pól lawowych oraz niewielkich stożków rozsianych w całych Górach Kaskadowych.

Jednak pod pewnymi względami Mount St. Helens różni się od pozostałych wulkanów tworzących ten południkowo przebiegający łuk niestabilności geofizycznej. Po pierwsze, wulkan ten znajduje się około 50 km na zachód od głównej linii łuku. Po drugie, pomiary sejsmologiczne sugerują, że warstwy skalne leżące bezpośrednio pod Mount St. Helens są zbyt chłodne, aby mogła w nich tworzyć się magma. Skąd więc wulkan czerpie swoje paliwo? Choć położony trochę z boku, Mount St. Helens jest od kilku stuleci najbardziej aktywną górą Gór Kaskadowych. W pierwszej połowie XIX wieku jego erupcja trwała z krótkimi przerwami przez cztery dekady, a około roku 1480 wybuchł kilka razy potężniej niż w 1980 roku.

Celem projektu iMUSH jest znalezienie wyjaśnienia tego nietypowego zachowania wulkanu, a kluczem do rozwiązania zagadki jest nadzwyczaj dokładne śledzenie dróg wędrówki magmy wulkanicznej „od płyty oceanicznej znajdującej się na głębokości kilkudziesięciu kilometrów aż do czubka wulkanu – podkreślają twórcy inicjatywy badawczej. – Całą zgromadzoną aparaturę ustawiliśmy i uruchomiliśmy w jednym tylko celu: aby ustalić, co właściwie dzieje się pod Mount St. Helens – mówi Ken Creager, geofizyk z University of Washington i jeden z liderów projektu. – Ponieważ żadna pojedyncza metoda nie wystarczy, zastosowaliśmy wiele narzędzi równocześnie. Mamy zamiar uzyskać pełny obraz wędrówek magmy pod wulkanem”.

W grudniu zeszłego roku kilkudziesięciu badaczy uczestniczących w iMUSH zebrało się przy wielkim, prostokątnym stole w San Francisco. Wszyscy, gdyby ich zapytać, określiliby siebie geologami, ale geologia składa się z wielu specjalności, a większość badaczy ma stosunkowo małe pojęcie o tym, co dokładnie robią ich koledzy. Dla przykładu, Ulberg jest sejsmologiem zajmującym się zbieraniem i analizowaniem sygnałów sejsmicznych. Jednak wśród zgromadzonych w San Francisco naukowców byli też geochemicy, tradycyjni geolodzy oraz specjaliści od pomiarów ziemskiego pola magnetycznego. Grupa ta spotkała się, by wymienić wynikami badań, porównać je i znaleźć punkty wspólne.

Najłatwiej dostępne okazały się te dane, które zdobyto za pomocą różnych technik sejsmologicznych, co może się wydać zaskakujące, jeśli wziąć pod uwagę, że sejsmologia jest niczym uderzenie młotkiem w wielowarstwową kulę i odgadywanie na podstawie analizy dźwięków, co kryje się w jej środku. Po erupcji w 1980 roku wokół Mount St. Helens ustawiono na stałe sejsmometry, które nasłuchują wszelkich drżeń i wibracji pojawiających się w pobliżu wulkanu. Fale sejsmiczne wędrują szybciej przez twarde, chłodne i gęste skały, a wolniej przez skałę gorącą i częściowo płynną. Porównując zapisy z tej sieci stałych sejsmometrów monitorujących wulkan, geofizycy ustalili, gdzie pod jego powierzchnią rezyduje magma.

Projekt iMUSH miał umożliwić uszczegółowienie tego obrazu poprzez uzupełnienie go o nowe dane pozyskane dzięki aparaturze diagnostycznej nowej generacji, znacznie dokładniejszej od tych instrumentów, które zainstalowano dwie, trzy dekady temu. Sejsmometr, który serwisował Ulberg, był właśnie takim nowym urządzeniem pomiarowym. „Instrumenty wykorzystane w iMUSH umożliwiły stworzenie obrazu wnętrza skał o rząd wielkości dokładniejszego od dotychczasowego” – mówi Seth Moran, geofizyk z USGS Cascades Volcano Observatory. Sejsmometry rejestrowały fale pochodzące z naturalnych drżeń skorupy, a także z dwóch tuzinów wybuchów ładunków umieszczonych w odwiertach.

Połączone komory

Pierwsza niespodzianka znajduje się bezpośrednio pod kopułą lawową w kraterze Mount St. Helens. Wcześniejsze badania wskazywały na istnienie płytkiego zbiornika magmy zaledwie 2–3 km pod kraterem. Z nowych ustaleń wynika, że znajduje się tu sieć szczelin, którymi przeciska się magma z większych głębokości.

Dopiero pod tą strefą szczelin rozciąga się właściwa komora wulkaniczna znajdująca się na głębokości od 8 do 18 km. Widać ją na starszych i najnowszych pomiarach, ale te ostatnie są znacznie bardziej nasycone detalami. Według standardowego wyobrażenia pod wulkanami znajdują się wielkie „komory” magmy połączone z powierzchnią cienkimi przewodami zwanymi kominami. Jednak „im dłużej prowadziliśmy badania, tym wyraźniej widzieliśmy, że w górnej części skorupy nie ma dużych ilości płynnej magmy, jej wielkie nagromadzenia to rzadkość – relacjonuje Brandon Schmandt, sejsmolog z University of New Mexico. – Tylko od 1 do 10% objętości przestrzeni międzyskalnych wypełnia płynna magma. W żaden sposób nie przypomina to komory”. Rezerwuar magmy pod Mount St. Helens wygląda więc bardziej jak gąbczasta papka niż jak zbiornik cieczy. Za sprawą reakcji chemicznych magma znajdująca się w różnych częściach tego rezerwuaru może zawierać różne składniki.

Kolejna niespodzianka znajduje się poniżej tego magazynu magmy: pomiary sejsmiczne ujawniły obecność wielkiej masy skalnej zbyt chłodnej i gęstej, by magma mogła ją przeniknąć. Fale sejsmiczne pokonały tę strefę z bardzo dużą prędkością, co wskazywało na materiał o nadzwyczaj dużej gęstości. Aby ominąć tę blokadę, magma zmienia kierunek wędrówki i płynie na południowy wschód. „Przemieszcza się po linii najmniejszego oporu, opływa warstwy skalne o dużej gęstości, po czym zbiera się powyżej i dalej już prostą drogą zmierza ku górnemu rezerwuarowi” – mówi Alan Levander, sejsmolog z Rice University.

Dokładna znajomość podziemnych szlaków przemieszczania się magmy może pomóc w przewidywaniu przyszłych erupcji. Po erupcji w 1980 roku sejsmolodzy zarejestrowali głębokie i względnie długo trwające wstrząsy, których epicentra znajdowały się wzdłuż tras wędrówek magmy. Podobne trzęsienia, pojawiające się przed i po erupcjach, odnotowano też w sąsiedztwie innych wulkanów na świecie. „Ogólna koncepcja jest taka, że magma porusza się, aby zainicjować erupcję albo żeby uzupełnić niedobory w rezerwuarze powstałe po erupcji” – zauważa John Vidale, sejsmolog z University of Washington. Zatem te tak zwane głębokie, długie trzęsienia ziemi nie zawsze zapowiadają erupcję. Czasami odnotowuje się je wyłącznie po opróżnieniu rezerwuaru. Jednak „zawsze, gdy coś takiego rejestrujemy, wiemy, że gdzieś pod nami odbywa się ruch materii skalnej, a wulkan jest wtedy groźniejszy niż zwykle”.

Płyta widmo

Fale sejsmiczne to nie jedyny sposób zajrzenia do wnętrza globu. Wysoko nad naszymi głowami naładowane cząsteczki wyrzucone przez Słońce bombardują ziemskie pole magnetyczne. Jedną z konsekwencji jest wzbudzanie przepływu prądów elektrycznych we wnętrzu globu. Rozmieszczając sieć detektorów elektromagnetycznych na powierzchni Ziemi, geofizycy potrafią zmierzyć zmiany tych prądów w czasie – z kolei te zmiany odpowiadają obecności ciekłych substancji. „Kiedy skała zaczyna się topić, w naszej aparaturze pojawia się światełko niczym lampki na świątecznej choince” – mówi Paul Bedrosian z USGS.

Bardzo niecierpliwie czekano na zdobycie takich danych magnetotellurycznych w ramach iMUSH, mając nadzieję, że pozwolą rozwiązać ciągnącą się od dawna kontrowersję. Poprzednie takie pomiary geoelektryczne, dość fragmentaryczne, wskazywały na obecność wielkiego rezerwuaru ciekłych skał na obszarze od Mount St. Helens na zachodzie po Mount Adams na wschodzie oraz Mount Rainier na północy. Niektórzy geolodzy doszli do wniosku, że te trzy wulkany wynurzają się z rozległego morza magmy. Znacznie dokładniejsze dane zebrane w ramach iMUSH nie potwierdziły tej idei, ale wskazały jeszcze jedną intrygującą możliwość, a mianowicie na występowanie pod wulkanami rozległej strefy skał osadowych zagrzebanych przez tektonikę płyt, a zawierających duże ilości wody. Skały te towarzyszą krawędzi ostatniego dużego kawałka Ameryki Północnej doklejonego tektonicznie do północno-zachodniego Pacyfiku. To płyta-widmo, kiedyś będąca częścią bazaltowego regionu zwanego Siletzia, teraz znajduje się głęboko pod ziemią i położona jest w większości na zachód od autostrady Interstate 5 w stanach Waszyngton i Oregon. W strefie szwu łączącego Siletzię z resztą Ameryki Północnej ciekłe skały z głębi Ziemi mogą przenikać ku powierzchni. Mount St. Helens leży ponad tym szwem lub bardzo blisko niego.

Obecność tego obszaru słabszej skorupy ziemskiej może tłumaczyć, skąd wzięły się te bloki gęstych skał pod Mount St. Helens. Magma wstrzykiwana od dołu do strefy szwu wychładza się i zastyga, zmuszając kolejne potoki magmy do szukania własnej drogi wokół tych skamieniałych intruzji. Dane magnetotelluryczne, podobnie jak sejsmiczne, ujawniły obecność nagromadzeń gęstszych, wystudzonych skał, wokół których migruje świeża magma, chociaż obie techniki umiejscawiają skały w nieco innych lokalizacjach. Pogodzenie tych rozbieżności w celu opracowania ujednoliconej mapy podziemi Mount St. Helens to „najciekawsza część badań” – uważa Adam Schultz, który prowadzi badania magnetotelluryczne na Oregon State University.

Wiele przepisów na lawę

Jednakże najbardziej złożone dane nie pochodzą z pomiarów sejsmicznych czy magnetotellurycznych. Gromadzi się je, zbierając kawałki skał i analizując ich skład. Choć może się to wydać sprzeczne z intuicją, to z tego pojedynczego wulkanu wypłynęła podczas erupcji lawa różnych rodzajów. Jedno uważne spojrzenie geologa na wielość tekstur i odcieni skał odsłaniających się w ścianach krateru przekonuje, że wyjaśnienie ich pochodzenia, składu i rozmieszczenia – jest zadaniem niezwykle trudnym. „Kiedy magma pnie się do góry, po drodze zaczyna się różnicować, potem znów rusza do góry, krystalizuje, porywa zestalone kawałki i wchłania je, aż w końcu dociera na powierzchnię – mówi Olivier Bachmann, petrolog obecnie pracujący w Szwajcarii, który odegrał ważną rolę w uruchomieniu projektu iMUSH. – Skały wędrujące we wnętrzu Ziemi zachowują się, jakby znajdowały się w wielkiej pralce.”

Jeden rodzaj skał jest szczególnie znaczący. Wszędzie wokół wulkanu można znaleźć kawałki pumeksu, jasno zabarwionej skały przypominającej piankę, tak lekkiej, że unoszącej się na wodzie. Pod lupą skała wygląda, jakby ją poddano torturom. Znajdujące się w niej bąbelki powietrza zostały wyciągnięte w długie pasemka, co sugeruje, że już zastygająca lawa była jeszcze rozrywana. Z tej skały można się dowiedzieć wiele na temat erupcji z 1980 roku. Składa się ona z dacytu zawierającego dużo krzemionki. Jej obecność zwiększa lepkość magmy, która zatyka wtedy kominy wulkaniczne i nie pozwala uciec gazom. To pierwsza przyczyna, dla której erupcja z 1980 roku okazała się taka eksplozywna: lepki dacyt utknął pod wulkanem, powodując wzrost ciśnienia gazów, które uwolniły się raptownie, kiedy zapadła się północna flanka Mount St. Helens.

Ale wulkan ten w swojej historii pozbywał się także wielu innych typów lawy. Po jego południowej stronie można natknąć się na tunele i jaskinie lawowe podobne do tych na zboczach wulkanów hawajskich. Stożek, który istniał przed 1980 rokiem, formował się przez 2500 lat, częściowo ze skał andezytowych. Jak to możliwe, by jeden wulkan wytwarzał lawę różnych rodzajów?

Marzeniem badaczy jest stworzenie wiarygodnej hipotezy równocześnie tłumaczącej powstanie magmy dacytowej w 1980 roku oraz lawy innych rodzajów podczas wcześniejszych wybuchów. Dawnika L. Blatter, Thomas W. Sisson i W. Ben Hankins – wszyscy troje są geologami z USGS – opublikowali ostatnio pracę zawierającą nową propozycję wyjaśnienia zagadki Mount St. Helens. Wykorzystali dane z projektu iMUSH, ale podstawę do ich rozważań stanowiły wcześniejsze badania wykonane wspólnie przez grupę z USGS i Vanderbilt University, która określiła wiek cyrkonów krystalizujących często w magmach bogatych w krzemionkę. Cyrkony z law z Mount St. Helens wielokrotnie przechodziły cykle podgrzewania i schładzania. „Były ugniatane jak ciasto” – mówi Sisson. Na przestrzeni tysięcy lat kolejne iniekcje stopionych skał podpływających od dołu regularnie podgrzewały strefę gąbczastej papki skalnej. Za każdym razem podgrzana wzbogacała się o kolejną porcję krzemionki pobranej z otaczających skał. W rezultacie stała się bardzo lepka. Po dostarczeniu do tego systemu odpowiedniej dawki energii lepka magma w końcu utorowała sobie drogę na powierzchnię.

Czasami jednak iniekcja magmy z dołu była tak intensywna, że przebijała się ona przez środek rezerwuaru bez większego modyfikowania jej składu. Geofizyk Wes Thelen z Cascades Volcano Observatory potwierdza, że czasami magma z wnętrza globu może „uciec z płaszcza, nie zatrzymać się w komorze magmowej i wypłynąć na zewnątrz”. Wtedy z Mount St. Helens wylewa się lawa o małej lepkości.

Ten scenariusz może dotyczyć innych części globu. Wiele wulkanów znanych z katastrofalnych wybuchów produkuje w większości lawy dacytowe. Tak jest w przypadku Pinatubo na Filipinach, Krakatau w Indonezji i greckiego wulkanu Thíra.

Przygotowując się na nieuniknione

W tej chwili wulkan Mount St. Helens jest spokojny. Turyści oglądający krater i naukowcy pracujący na jego krawędziach nie muszą się obawiać nagłej erupcji. Ale ten odpoczynek kiedyś się skończy. Po erupcji w 1980 roku już kilka razy – ostatnio w 2016 roku – serie względnie płytkich wstrząsów umiejscowionych pod kraterem wskazywały na ruchy magmy. Takie drżenia nie oznaczają, że erupcja jest nieunikniona, ale informują o tym, że „system ponownie się ładuje” – mówi Creager.

Z wulkanami wiąże się znacznie więcej zagrożeń niż wybuchowe erupcje. Opady pyłów i popiołów wulkanicznych podobne do tych z przeszłości zniszczyłyby dziś wiele miejscowości. Wulkaniczne spływy błotne mogą bez ostrzeżenia runąć do dolin rzecznych. W tej chwili za bardziej niebezpieczny od Mount St. Helens uważany jest wulkan Mount Rainier, który wznosi się na południowy wschód od Seattle i Tacomy. Ponad 150 tys. mieszkańców stanu Waszyngton mieszka i pracuje na obszarach objętych przez jego dawne spływy błotne.

Dzięki danym zebranym w ramach projektu iMUSH geolodzy uzyskali dokładniejszy, ale też bardziej złożony obraz procesów zachodzących pod Mount St. Helens. Łatwiej będzie im teraz interpretować podpowierzchniowe sygnały ostrzegawcze. Znajomość tych detali może uratować wiele ludzkich istnień.