Οι επιστήμονες είχαν υποψιαστεί ότι κάπου κάτω από τη Χαβάη, ένα μυστικό ήταν ενταφιασμένο σε πέτρα – κάτι που παίζει πρωταγωνιστικό ρόλο στην επιρροή το περίφημο ηφαιστειογενές της αλυσίδας του νησιού. Τώρα, με τη βοήθεια σχεδόν 200.000 σεισμών και ένα πρόγραμμα μηχανικής μάθησης, ο Wilding και οι συνεργάτες του το ανακάλυψαν επιτέλους.
Σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε την Πέμπτη στο περιοδικό Επιστήμη, η ομάδα αποκάλυψε μια κρυμμένη στο παρελθόν συλλογή από κρύπτες μάγματος που μπορεί να λειτουργούν σαν η καρδιά των ηφαιστείων που χτυπά πάνω. Η ανακάλυψη προσφέρει μια πιθανή λύση σε ένα μακροχρόνιο μυστήριο – πώς ταξιδεύει το μάγμα από τον βαθύ μανδύα στην επιφάνεια της Χαβάης; Η εργασία δίνει στους επιστήμονες ένα πολύτιμο νέο παράθυρο στη συμπεριφορά ορισμένων από τα πιο ιδιότροπα και επικίνδυνα ηφαίστεια στη Γη.
Οι ρηχές δεξαμενές μάγματος που τροφοδοτούν τις εκρήξεις της Χαβάης είναι γνωστές εδώ και αρκετό καιρό. Αυτό οφείλεται εν μέρει στα σεισμικά κύματα, τα οποία παρακολουθούνται στενά στη Χαβάη από ένα διαρκώς διευρυνόμενο δίκτυο αισθητήρων. Τα κύματα λειτουργούν σαν υπέρηχος για τη Γη. Οι αλλαγές στην ταχύτητα και την τροχιά τους κατά τη διάρκεια των υπόγειων ταξιδιών τους λένε στους επιστήμονες τι είδους ύλη έχουν ταξιδέψει, παρέχοντας ενδείξεις για τη θερμοκρασία, την πυκνότητα και τη σύνθεσή της.
Αλλά για να κατανοήσουν πραγματικά τι οδηγεί αυτές τις ηφαιστειακές μονάδες παραγωγής ενέργειας, οι επιστήμονες πρέπει να γνωρίζουν τι συμβαίνει στη διεπιφάνεια του στριμωγμένου μανδύα και του στερεού φλοιού. Αυτό αποκαλύπτει επιτέλους η νέα μελέτη με απροσδόκητες λεπτομέρειες.
Το γιγάντιο χαρακτηριστικό που περιγράφεται στο έγγραφο αποτελείται από αρκετούς επιμήκεις θαλάμους που ονομάζονται περβάζια. Όταν οι εκρήξεις αποστραγγίζουν το μάγμα από τις ρηχές δεξαμενές πάνω, αυτά τα βαθιά ριζωμένα περβάζια φαίνεται να αντιδρούν. Μια κακοφωνία από σεισμούς σηματοδοτεί όταν μεμονωμένοι θάλαμοι αρχίζουν να γεμίζουν με λιωμένο πέτρωμα σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, κάτι σαν «αίμα που ορμάει σε μια καρδιά», είπε ο Wilding.
«Απλώς το κοιτούσαμε, και ήταν απλά συγκλονιστικό, ήταν πραγματικά», είπε Ζάχαρι Ρος, γεωφυσικός στο Caltech. «Από τότε, δεν μπορώ να βγάλω την εικόνα του από το μυαλό μου».
Κεν Ρούμπινένας ηφαιστειολόγος στο Πανεπιστήμιο της Χαβάης που δεν ασχολήθηκε με τη μελέτη, είπε: «Είναι μια πολύ κομψή μελέτη και ένα εξαιρετικά ενδιαφέρον αποτέλεσμα».
Όπως μεγάλο μέρος του πλανήτη, η Χαβάη δεν θα υπήρχε χωρίς ηφαιστειακό. Από αμνημονεύτων χρόνων, μια βαθιά ριζωμένη κρήνη από υπερθερμασμένο βράχο, γνωστή ως λοφίο μανδύα, πυρπολεί την κάτω πλευρά της τεκτονικής πλάκας του Ειρηνικού. Καθώς η πλάκα συνέχισε να παρασύρεται, μια διαδοχή επικών ηφαιστείων υψώθηκε πάνω από τα κύματα, δημιουργώντας την αλυσίδα των νησιών της Χαβάης.
Σήμερα, η αλυσίδα φιλοξενεί μια μικρή οικογένεια ενεργών ηφαιστείων, συμπεριλαμβανομένου του υδραργύρου Mauna Loa και ο υπερκινητικός Κιλαουέα στο Μεγάλο Νησί, και τα δύο σταμάτησε να εκρήγνυται ταυτόχρονα αυτο το μηνα.
Ένα επίμονο σεισμικό θόρυβο από μια περιοχή νοτιοδυτικά της Kilauea και 20 μίλια κάτω από το έδαφος είχε υποδείξει προηγουμένως ότι συλλογή βλαβών μπορεί να υπάρχουν εκεί, δημιουργώντας μονοπάτια για το μάγμα να ταξιδεύει από τα βάθη του Άδη σε δεξαμενές κοντά στην επιφάνεια. Και από τη δεκαετία του 1980, ειδικά είδη σεισμών που υποδηλώνουν υγρά περιαγωγής υπαινίσσονται ότι το μάγμα αναδεύεται στην περιοχή. Αλλά μέχρι πρόσφατα, η αληθινή φύση αυτού του υπόγειου λαβύρινθου βασιζόταν περισσότερο σε εικασίες παρά στην επιστημονική αλήθεια.
«Ήταν αυτό το μυστηριώδες κουτί στο μανδύα», είπε ο Wilding. «Έχουμε πραγματικά πολύ λίγη ιδέα για το τι συμβαίνει».
Αυτό που χρειάζονταν οι επιστήμονες ήταν μια συνεχής ακμή σε σεισμούς που προέρχονταν από αυτήν ακριβώς την περιοχή, αρκετή για να φωτίσει έντονα αυτή τη σκιερή ζώνη. Τα πράγματα έμοιαζαν ελπιδοφόρα το 2015, όταν ο θόρυβος της περιοχής ενισχύθηκε λίγο.
Αλλά το τυχερό διάλειμμα της ομάδας ήρθε το 2018, όταν, αφού η Kilauea είχε ξεσπάσει λίγο πολύ συνεχώς για 35 χρόνια, ένα σεκάνς έκρηξης σε στυλ μεγάλου φινάλε ξεκίνησε στο ηφαίστειο. Η εκδήλωση παρήγαγε λάβα αξίας 320.000 πισινών ολυμπιακών διαστάσεων σε μόλις τρεις μήνες – και η γρήγορη αφαίμαξη της ρηχής δεξαμενής μάγματος του ηφαιστείου προκάλεσε δραματική κατάρρευση της κορυφής του.
Σε μια συναρπαστική ανατροπή, οι γεωλόγοι κατέγραψαν μια συγκλονιστική άνοδο της βαθιάς σεισμικής δραστηριότητας το 2019 πολύ κάτω από την πόλη Pāhala, η οποία βρίσκεται περίπου 25 μίλια νοτιοδυτικά της Kilauea. Σίγουρα, σκέφτηκαν οι επιστήμονες, αυτό δεν μπορεί να είναι τυχαίο.
Ενώ η καταιγίδα του σεισμού Pāhala ήταν μια ευκαιρία να ανακαλυφθεί ο θαμμένος μαγματικός θησαυρός του νησιού, οι επιστήμονες μόνοι τους δεν θα μπορούσαν να αναγνωρίσουν πολλούς από τους μεμονωμένους σεισμούς σε αυτήν την κακοφωνία, ειδικά τους πιο συνηθισμένους μικρότερους που θα μπορούσαν να πνιγούν από μεγαλύτερα κτυπήματα.
Μη διατεθειμένη να χάσει ούτε έναν ρυθμό από το γεωλογικό τύμπανο, η ομάδα από το Caltech τροφοδότησε ολόκληρη την καταγραφή της σεισμικής καταιγίδας σε ένα πρόγραμμα μηχανικής μάθησης – μια τεχνική που ο Ross και οι συνάδελφοί του είχαν χρησιμοποιήσει στο παρελθόν για να εντοπίσει εκατομμύρια κρυφούς σεισμούς στην Καλιφόρνια. Το πρόγραμμα γρήγορα έμαθε τι ήταν πραγματικός σεισμός και τι ξένος θόρυβος, στη συνέχεια εντόπισε και χαρακτήρισε χιλιάδες σεισμούς που θα είχαν χάσει τα συμβατικά προγράμματα ανίχνευσης σεισμικών σημάτων και οι ανθρώπινοι αναλυτές τους.
Από τον Νοέμβριο του 2018 έως τον Απρίλιο του 2022, το σύστημα κατέγραψε περίπου 192.000 σεισμούς κάτω από την Παχάλα. Σχεδιάζοντας αυτά τα φωτεινά σημεία σε έναν χάρτη, η ομάδα έμεινε έκπληκτη όταν ανακάλυψε μια συλλογή από παλλόμενες μαγματικές δομές – την ηφαιστειακή καρδιά της νότιας Χαβάης.
Μερικοί από τους σεισμούς προήλθαν από μια περιοχή βάθους 28 έως 32 μιλίων: αυτοί οι σεισμοί μακράς περιόδου συνήθως αποδίδονται σε δονήσεις που δημιουργείται από την κίνηση των υγρών, συμπεριλαμβανομένου του μάγματος. Το μεγαλύτερο μέρος της σεισμικότητας προήλθε από μια περιοχή βάθους 22 έως 27 μιλίων. Αυτοί οι ηφαιστειο-τεκτονικοί σεισμοί – το είδος που παράγονται όταν ένα ρήγμα κινείται και οι βράχοι σπάνε μέσα σε μια ηφαιστειακή περιοχή – σκιαγράφησαν μια σειρά από σχεδόν οριζόντιες δομές σε σχήμα φύλλου, μερικές από αυτές μήκους τεσσάρων μιλίων και πλάτους τριών μιλίων.
Σε διαφορετικές χρονικές στιγμές, οι επιστήμονες ανίχνευσαν αυξήσεις της σεισμικής δραστηριότητας μέσα σε ξεχωριστά φύλλα. Η ομάδα υπέθεσε ότι αυτά τα φύλλα ήταν περβάζια, τσέπες μάγματος των οποίων τα δικά τους γκρίνια παρακολούθησαν λιωμένο βράχο που ανεβαίνει ορμητικά από την κάτω περιοχή γεμάτη με υγρό κοντά στην κορυφή του λοφίου του μανδύα.
Σε αναζήτηση μιας βαθύτερης σύνδεσης
Αυτός ο νέος τρισδιάστατος χάρτης ενός βασικού τμήματος του κυκλοφορικού συστήματος της Χαβάης «είναι εξαιρετικός», είπε Τζάκι Κάπλαν-Άουερμπαχ, σεισμολόγος ηφαιστείων στο Πανεπιστήμιο της Δυτικής Ουάσιγκτον που δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη. Είναι «απίστευτα ωραίο», είπε, ότι οι επιστήμονες δεν μπορούν μόνο να δουν αυτή την κρυμμένη καρδιά, αλλά μπορούν επίσης να αντιληφθούν τους σπασμούς των κοιλιών μέσα.
Το σύμπλεγμα Pāhala Sill Complex, όπως είναι τεχνικά γνωστό η καρδιά, φαίνεται να έχει αρκετές αρτηρίες που διακλαδίζονται από αυτό. Ένα σημαντικό μονοπάτι, που χαρακτηρίζεται από σεισμούς που σπάζουν βράχους, φαίνεται να οδηγεί ακριβώς σε μια από τις ρηχές δεξαμενές μάγματος της Κιλαουέα. Δεν είναι ίσως τυχαίο, λοιπόν, ότι το σύμπλεγμα των περβάζων άρχισε να βροντάει ανελέητα το 2019. Κατά τη διάρκεια της έκρηξης του 2018, το Kilauea αποστραγγίστηκε από ένα σημαντικό μέρος της ρηχής παροχής μάγματος του, προκαλώντας πτώση πίεσης. Σε απάντηση, το μάγμα αναρροφήθηκε στα μαρσπιέ για να εξισορροπηθεί η πίεση. Παρόμοια γεγονότα συνέβησαν κατά τη διάρκεια του Kilauea συντομότερη έκρηξη του 2020.
Περαιτέρω εργασία μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση του αμφιλεγόμενου ερωτήματος εάν η Kilauea και η Mauna Loa, που είναι σχετικά στενοί γείτονες στην επιφάνεια, είναι κατά κάποιο τρόπο συνδεδεμένος σε μεγάλα βάθη. Μέχρι σήμερα, υπάρχουν ελάχιστα συγκεκριμένα στοιχεία για αυτήν την υπόθεση, και οι ειδικοί γενικά συμφωνούν ότι τα δύο ηφαίστεια είναι σε μεγάλο βαθμό ανεξάρτητος ο ένας του άλλου.
Η νέα μελέτη δεν ανατρέπει ακόμη αυτή τη συναίνεση. Δείχνει μια άλλη κύρια αρτηρία του συμπλέγματος περβάζι, και πάλι σημαδεμένη από σεισμούς που σπάζουν βράχους, που εκτείνεται προς το Mauna Loa. Αλλά αυτό σταματά λίγο σε ένα μεγάλο οριζόντιο ρήγμα και δεν φαίνεται να φτάνει σε μια από τις ρηχές δεξαμενές μάγματος του Mauna Loa.
Επίσης, δεν είναι βέβαιο ότι το μάγμα κινείται σε κάποιο από αυτά τα μονοπάτια. Αυτό θα άλλαζε εάν μελλοντική εργασία ανιχνεύσει σεισμούς μακράς περιόδου που προέρχονται από αυτούς – το είδος που υποδηλώνει την παρουσία υγρών, που πιθανόν να είναι μάγμα.
«Τα αποτελέσματα είναι εκπληκτικά», είπε Νταϊάνα Ρομάν, γεωφυσικός στο Ινστιτούτο Επιστήμης Carnegie στο DC που δεν συμμετείχε στη μελέτη. Αλλά «δεν είναι ακόμη σαφές εάν το μάγμα που εισχωρεί στην Παχάλα τροφοδοτεί άμεσα τις εκρήξεις του Μάουνα Λόα και του Κιλαουέα».
Ο Roman έχει μελετήσει επίσης τους σεισμούς της Pāhala. Συνέγραψε το 2021 χαρτί κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ήταν το αποτέλεσμα της εισβολής μάγματος σε βάθος, προκαλώντας ταυτόχρονη αναταραχή στο Mauna Loa και στο Kilauea, συμπιέζοντας και τα δύο υποκείμενα υδραυλικά δίκτυά τους. Η νέα μελέτη υποστηρίζει αυτή την έννοια της έμμεσης σύνδεσης. Αλλά ακόμα και με αυτόν τον χαρτογραφημένο μαγματικό ιστό, είναι πολύ νωρίς για να καλέσουμε έναν πιο σαφή σύνδεσμο.
Ωστόσο, μεγάλο μέρος του κάτω κόσμου της Χαβάης παραμένει ανεξερεύνητο και μπορεί να εντοπιστούν περισσότερες μαγματικές αρτηρίες, είπε ο Ross.
«Τι άλλο υπάρχει ακόμα εκεί μέσα που δεν έχει ανάψει;» αυτός είπε. Κάθε φορά που η κολασμένη υπόγεια επιφάνεια της Χαβάης σείεται ξανά με μανία, η ομάδα από το Caltech θα είναι έτοιμη να ρίξει τα φώτα της δημοσιότητας πάνω της, ελπίζοντας να αποκαλύψει αυτό που προς το παρόν παραμένει κρυμμένο.