Jordbävningar och naturkatastrofer
Vulkaner
• Vulkaniska strukturer
• Vulkanutbrott – följder och risker
• Vulkaner och klimatet
• Övervakning och riskförebyggande arbete
Vulkaner, strukturer och
hydrotermisk aktivitet
Fem morfologiska huvudgrupper:
•
•
•
•
•
Slaggkoner: kan bildas i alla vulkaniska miljöer
Stratovulkaner: subduktionszoner
Sköldvulkaner: oceanisk miljö (hot spots, spridningsryggar)
Calderor (Ignimbritiska): subduktionszoner, kontinentala hotspots
Lavadomer: subduktionszoner
Vulkaner, strukturer och
hydrotermisk aktivitet
Andra relaterade strukturer:
• Maars
• Pseudokratrar
• Vulkaniska pluggar
Annan relaterad hydrotermisk aktivitet:
• Heta källor
• Fumaroler
• Geysrar
• Black smokers
Slaggkon
Enklaste typen av vulkan
Bildas i ett enskilt vulkanutbrott genom att vulkaniskt
material ansamlas runt den vulkaniska ventilen
Om aktiviteten fortsätter kan slaggkonen utvecklas till en
stratovulkan eller liknande.
Kan bildas i alla vulkaniska
miljöer, antingen som en
enskild vulkan, men ofta som
en parasitvulkan på flanken
av en äldre vulkan
Uppbyggnad av slaggkon på Mauna Kea, Hawaii
Stratovulkaner (1)
Förekommer i subduktionsmiljöer
Även kända som kompositvulkaner
eller sammansatta vulkaner.
Kan bli väldigt höga, upp till 3000 m
över omgivningen
Uppbyggda av omväxlande lager av
tefra (vulkaniskt nedfall, fragmenterad
magma) och lava
Stratovulkaner (2)
Enkla koner
• Slaggkoner som fortsatt växa
• Kan ha branta lutningar
Sammansatta koner
Enkel kon: Mt. Fuji, Japan
• Vulkankomplex med flera olika domer, koner,
kratrar, omväxlande aktiva/inaktiva
• Aktiviteten koncentrerad till en ventil i taget
• Många bildade under inverkan av tektoniska
krafter, t.ex. jordbävningar
Sammansatt kon. Mt Shasta, Kalifornien.
Sköldvulkan
Förekommer i oceanisk
miljö, antingen vid
spridningsrygg eller hotspots
Uppbyggda av lager på lager
av lättflytande basaltisk lava
Liten lutning på flankerna på
grund av den lågviskösa lavan
Mauna Loa, Hawaii
Central ventil eller sprickvulkanism på flankerna
Jordens största berg är en sköldvulkan: Mauna Loa, Hawaii, ca 13 km
över havsbotten
Calderor
Namn från det portugisiska ordet för kittel
Bildas då en ytnära magmakammare helt eller
delvis töms på magma - kollaps av
magmakammarens tak
Kan delas in i tre typer:
- På stratovulkaner: Våldsamma utbrott som
helt tömmer magmakammaren
- På sköldvulkaner: Mindre våldsamma,
behöver inte tömma magmakammaren
- Ignimbritiska: Supereruptioner
Lake Toba, Indonesien
• Ignimbritiska calderor kan ha diametrar på
upp till 100 km, medans de andra två typerna är
generellt mindre än 10 km i diameter
Lavadom
Bildas i subduktionszoner.
Relativt små mängder högviskös lava bygger upp
en “dom”-struktur över och runt utloppsventilen.
Växer huvudsakligen inifrån.
bildas ofta inom kratrarna eller på flankerna av
stora stratovulkaner
Bildar ett lock på vulkanen övertryck!
Novarupta, Alaska
Kan ge upphov till glödmoln vid kollaps
Kan ge upphov till explosiva utbrott av den vulkaniska typen
Maar/Explosionskrater
Bildas vid kontakt mellan
magma och vatten
Phreatomagmatiskt utbrott
Diatrem med större bredd än
djup.
60 – 2000 m i diameter, 10 –
400 m djupa.
Viti, Island, foto: J Alean
Kratern omges av låga kanter och utslungat material, ofta vattenfylld
Kallas ibland tuffkon/ring.
Pseudokrater
Inga egentliga
vulkaner trots
utseendet.
Kan bildas då ett
utflytande lavatäcke
kommer i kontakt med
vatten.
Ofta flera stycken tätt
samlade inom ett
område.
Myvatn, Island
Vulkanisk Plugg
Magma som stelnat i vulkanens
rörsystem
Mer motståndskraftig mot erosion
än omgivande vulkan
Devils tover Wyoming,
USA
Resterna efter vulkan som eroderat
bort.
Även i sverige, t.ex. runt Höör,
skåne, ca 85 – 165 miljoner år gamla
Rallate, Skåne
Fumaroler, geysrar, heta källor
Olika uttryck för hydrotermisk aktivitet.
Ofta alla typer tillsammans inom begränsat
område, hydrotermalt fält.
Magma värmer upp berggrunden och
grundvattenet vilket expanderar och stiger mot
ytan.
Morning glory, Yellowstone, USA
Fumarol: ventil/spricka ur vilken gas och
ånga strömmar mer eller mindre konstant.
Solfatar: fumarol med hög halt svavel.
Old faithfull, Yellowstone,
USA
Fumaroler, geysrar, heta källor
Hydrotermalt fält, Papandayan, Java
Dahren, 2008
Provtagning av gas från fumarol (solfatara)
Dahren, 2008
Varm källa: ansamling av vatten med temperatur mindre eller lika med 100 oC. Ibland
vackert färgde av termofila prokaryoter.
Geyser: Distinkta utbrott av vatten och ånga som överhettats i “rörsystem” under
marken.
Hydrotermal cirkulation under sjöar kan ge upphov till syrareservoarer.
Dahren, 2008
Fumaroler, geysrar, heta källor
Kratersjö, Ijen, Java.
Intensiva svavelrika fumaroler
Sjön består av koncentrerad
H2SO4 (aq).
pH = <1 !
Fumaroler, geysrar,
heta källor
Solfatara, Ijen, Java.
Intensiva svavelrika fumaroler
En stor del av gasen är ren
svavel (S8) som kondenserar
I rören och rinner ut på
marken
Dahren, 2008
“Utbrott” under vatten –
Black smokers
Hydrotermal cirkulation vid spridningsryggarna.
Upptäckta 1977.
o
Temperaturer på upp till 400 C.
Ekosystem som baseras på kemosyntes istället
för fotosyntes.
Ingen rök utan eld – orsaken till de
rykande skorstenarna
1) Havsvatten sipprar in i skorpan.
2-3) Syre och kalium och sedan kalcium, sulfat
samt magnesium avlägsnas från vattnet.
4) När vattnet börjar värmas upp så löses
natrium, kalium och kalcium från skorpan.
5) Magma överhettar vattnet, som löser järn,
zink, koppar och svavel.
6) Vattnet stiger sedan upp till ytan
7) där det blandas med det kalla havsvattnet så
att svarta metall-sulfider bildas.
Vulkanutbrott –
följder och risker
Direkta risker
Pyroklastiskt nedfall
Lavaflöden
Pyroklastiska flöden
Vulkanutbrott
– följder och risker
Indirekta följder (Är en följd av
utbrottet men sker på längre sikt
och kan verka över längre tid än
de direkta följderna)
Indirekta risker
•
•
•
•
•
•
•
•
Jordskred
Tsunamis
Bränder
Jökellopp
Lahar
Vulkaniska gaser
Koldioxidfällor
Klimatpåverkan
Pyroklastiskt nedfall (1)
Även kallat Tefra: vulkaniskt material
som varit luftburet
Klassifieras efter kornstorlek (d) :
Aska: d < 2 mm
Lapilli: 2 mm < d < 64 mm
Bomb: d > 64 mm
Vulkanisk askpartikel
(1/1 000 000 m)
Vulkanisk bomb
>>64 mm
Pelées hår: magma som i luften dragits ut till tunna
fibrer och stelnat till vulkaniskt glas
Vulkanisk aska är små sten/glas fragment,
relativt hårda och vassa med hög densitet.
Bildar cementliknande blandning med vatten, fara
vid inandning.
Endast ett par dm kan leda till kollaps av tak.
Bra ledare som tränger in och sätter igen/
förstör mekanisk och elektronisk utrustning
Pelée-hår, Erta ale, Etiopien
Pyroklastiskt nedfall (2)
Aska: d < 2 mm
Lapilli: 2 mm < d < 64 mm
Bomb: d > 64 mm
Vulkanisk askpartikel
(1/1 000 000 m)
Vulkanisk bomb
>>64 mm
Fara för flygtrafiken.
Kan transporteras med eruptionskolumn ända
upp i stratosfären där det kan stanna flera
månader
Pelée hår kan förgifta boskap – hungersnöd
Hungersnöd största skördaren av mänskligt liv
under de senaste 400 åren.
Pelée-hår, Erta ale, Etiopien
Lavaflöden
Vanligtvis ingen direkt fara för
mänskligt liv.
Kan orsaka stora skador på
infrastruktur, odlings/betesmarker
Usträckningen beroende på den relativa
mängden kiseldioxid
Felsiska lavor rör sig vanligtvis med
hastigheter på max ett par meter i timmen
Island: Eldgjá, ~935, Laki 1783 - 1784
Basaltisk lava
Basaltiska lavor kan i extrema
fall nå hastigheter på 100 km/h
Kan täcka stora områden
aa-Lavaflöde, Hawaii
Pyroklastiska flöden
Samlingsnamn för skred/laviner
av fragmenterad magma
Tre grundtyper
- Kollaps av vulkanisk dom
- Som direkt följd av explosion
- Kollaps av eruptionskolumn.
Kan ha mycket höga hastigheter,
80 - 300 km/h
Höga temperaturerna, upp till
1000 oC
Kan nå flera mil från vulkanen
Färdas på land och vatten
Orsakar enorm förödelse
cirka 100 000 offer de senaste
400 åren
Pinatubo 1991
Montserrat, Karibiska havet, 1995
Jordskred
Kollaps av del vulkan på grund av
ökat tryck från stigande magma eller
jordbävningar.
Vissa vulkaner kan kollapsa av sin
egen tyngd.
Mount Saint Helens 1980
Både indirekt och direkt risk
Tsunamis
Intern tryckvåg med lång våglängd som
skapas då en större mängd vatten snabbt
förflyttas.
När tryckvågen når grundare vatten lyfts
vattnet framåt/uppåt med resultat att en vägg
av vattnet väller in över kustnära regioner
Spår efter tsunami med våghöjd på 300 m
funna på Hawaii
Tsunamirisk om sydvästra flanken av
Kilauea, Hawaii, skulle kollapsa
Generation av Tsunami vid kollaps av vulkan
Tsunamis
Vulkaniska tsunamis skapas av:
Vulkaniska skred som snabbt
transporterar stora mängder material ner i
en sjö/havet. Hawaii, Teneriffa.
Då ett skred inträffar under vattnet, eller i
stora phreatomagmatiska utbrott
Caldera-utbrott i havet. Krakatau 1883.
Tsunamirisk om sydvästra flanken av
Kilauea, Hawaii, skulle kollapsa
Generation av Tsunami vid kollaps av vulkan
Jökellopp
En vulkan täckt av en glaciär
kommer vid utbrott generera stora
mängder smältvatten
När detta vatten slutligen tränger
fram är resultatet ett jökellopp
Vatnajökull, Island 1996
Vanliga på island där flera
vulkaner täcks av glaciärer
Vatnajökull, Island 1996
Lahar (slamlavin)
70 000 offer de senaste 400 åren
Uppstår då vulkanisk material blandas med stora
mängder vatten
Vid vulkanutbrott i vulkaner med snökappor, under
vulkansjöar. Alternativt när kraftiga regn vattenmättar
mäktiga askavlagringar
Pinatubo, 1991, före
Floder kan bli uppdämda av vulkanisk aska och
orsaka en Lahar långt efter vulkanutbrottet
Kan nå långt från vulkanen om topografin är den
rätta
Pinatubo, 1991, efter
Ofta bortglömd indirekt fara
Hög densitet, att närmast likna vid flytande betong.
Vulkaniska gaser
Volatiler lösta i magman frigörs när trycket på
magman minskar.
Vanligaste gaserna är: vattenånga (H 0),
2
Koldioxid (CO2) och svaveldioxid (SO2)
Andra vanliga gaser inkluderar: vätesulfid (H S),
2
kolmonoxid (CO), väteklorid (HCl), och väteflourid
(HF)
Stora utsläpp sker vid vulkanutbrott men kan
även ske före eller efter ett utbrott. Ibland helt utan
synbar anknytning till vulkanutbrott!
Uppskattningsvis 13% av allt svavel frigjort
kommer från vulkaner (43% av det naturliga)
Utsläppen av CO har uppskattats till 1/150 av
2
antrogena utsläpp. Troligen mycket mer!
Kan vara farliga om de förblir marknära där de
kan förgifta eller kväva växter och levande
varelser.
SO omvandlas till svavelsyra i kontakt med
2
regn surt regn
Syrasjö White Island, Nya Zeeland
Koldioxidfällor
●
Koldioxid är en färglös + luktlös gas som är tyngre än luft.
●
Ansamlas i sänkor eller låg terräng.
●
Kan orsaka kvävning. Barn är speciellt utsatta.
●
Bosättning i vulkaniska dalgångar och sänkor är farligt.
●
Ibland används burfåglar som ett alarmsystem av lokalbefolkning
Vulkanaska
●
Vulkanaska är glasfragment
–
Kan skada lungor och luftvägar
–
Kan förstöra motorer i fordon och flygplan
Koldioxidfällor
Lake Nyos, Kamerun, 1986
●
Koldioxid från en magmakammare under sjön tillsätts gradvis till vattnet
●
Sjön är ursprungligen en stor Maar. ~200 m djup. Skiktat vatten!
●
●
Vattnet blev tillslut övermättat med koldioxid Störning av vattnet ger
utsläpp av gasen till atmosfären
Nyos, Kamerun
1700 människor och 3500 boskap
kvävdes till döds
●
Orsakades möjligen av ett mindre
jordskred
●
Idag finns slangar installerade för att
leda upp vatten från botten av sjön,
vilket förebygger övermättning
Vulkaner påverkar klimatet
Vulkaner kan släppa ut stora
mängder SO2 som:
kan nå högt upp i
atmosfären/stratosfären
omvandlas och bildar
sulfataerosoler
Aerosolerna:
Ökar reflektionen av infallande
solstrålning -> avkylning av
atmosfär /troposfär
Absorberar värme utstrålad
från jorden -> uppvärmning av
stratosfär
Gynnar processer som bryter
ned ozon i stratosfären
Klimatpåverkan av historiska
vulkanutbrott
Utbrott
VEI
Magma
Höjd askpelare
3
volym (km )
(km)
Tambora1815
Krakatau 1883
Santa Maria
1902
Katmai 1912
St Helens 1980
Pinatubo 1991
Agung 1963
El Chichón
1982
Laki 1783
7
6
>50
>10
6
6
5
5
4
9
15
0.35
5
0.3-0.6
0.3-0.35
4
4
0.3 (tephra)
14 (lava)
>40
>40
>30
>27
22
>35
18
26
-
Sulfataerosoler (kg)
2 x 1011
5 x 1010
<2 x 1010
2 x 1010
0.3 x 108
>2.5 x 1010
1-2 x 1010
1-2 x 1010
Temperaturminskning norra
halvklotet
(gr C)
0.4-0.7
0.3
0.4
0.2
0-0.1
0.5-0.6
0.3
0.4-0.6
<1 x 1011
1
Övervakning av vulkaner
1. Geodetiska metoder – att registrera formförändringar hos en vulkan
- Elektroniska avståndsmätningar
- Positionsbestämning med GPS, kontinuerligt eller med vissa mellanrum.
- Lutningsmätningar
- Töjningsmätningar
- INSAR (Sattelitradarinterferometri)
1. Seismicitet – att registrera jordbävningar relaterade till magmarörelser
2. Geokemiska metoder – övervaka utsläpp av vulkaniska gaser
3. Petrologiska/geokemiska undersökningar av tidigare lava
4. Gravimetriska mätningar – mäta massförändringar inne i vulkanen
5. Magnetometriska mätningar – mäta förändringar i magnetfältet runt vulkanen
6. Hydroakustiska metoder – mäta vibrationer
7. Geologiskt fältarbete
Vad sker före ett utbrott
Magmakamaren under vulkanen fylls med magma – inflationen
påbörjas.
Det ökade trycket öppnar upp gamla och nya sprickor, främst
ovanför magmakammaren där det litostatiska trycket är minst.
Frigjorda gaser letar sig uppåt genom sprickor
På sin väg kommer gaserna i kontakt med underjordiskt vatten.
Vattnet påverkas i kontakten med gaserna, dels genom att gaser
löses och förändrar kemin, dels genom ändrat tryck och
temperatur.
Detta påverkar bland annat vattnets cirkulation.
På ytan deformeras vulkanen genom att den sväller och
lutningen ökar på dess slutningar
Geodetiska metoder
- landbaserade
Elektroniska avståndsmätningar
- Mäter förändringen i avståndet
mellan två eller flera referenspunkter.
1-dimensionella mätningar.
Nogranhet på 1 mm/km
Övervakning av lavadom med EDM (Electronic
Distance Meter), St Helens 1982
Positionsbestämning med GPS
- Mäter positionen av en enskild
referenspunkt. 3-dimensionella
mätningar (vertikalt, horisontellt) mmnoggrannhet.
Töjningsmätningar
- Utrustning monterad över sprickor eller i borrhål. Mäter hur dessa öppnar eller sluter
sig. Noggrannhet upp till 10-9 m kan uppnås
Lutningsmätningar
- Mäter förändringar i lutningen på vulkanens sluttningar. Antingen med hjälp av
avancerat vattenpass eller med lod. Nogranhet på mellan 0.02 – 0.001 grader
Geodetiska metoder satellitbaserade
Utnyttjar radarbilder tagna vid två tillfällen
Har avståndet förändras fasförskjuts den
sist utsända radarsignalen gentemot den
första
Genom att mäta upp fasförskjutningen
kan avståndsförändringen bestämmas
Elektromagnetisk våg
Principen för INSAR
INSAR för Mount Peilik, Alaska
mellan okt. 1996 – sept. 1998
färgskalan motsvarar ca 28 mm
Seismicitet
Kräver ett nätverk av seismografer i närheten av vulkanen för att de relativt små
(M2-3) jorbävningarna som uppstår då magman rör sig skall kunna registreras
Högfrekventa jorbävningar då berget spricker
Lågfrekventa kontinuerliga/harmoniska jordbävningar från vibrationer i sprickor
Sker vanligtvis i svärmar på ett dussin till hundra åt gången
Högfrekvent vulkanisk jordbävning
Lågfrekvent explosiv jordbävning
Harmoniska vibrationer
Utbrottsvibrationer
Seismiskt nät mount St. Helens
Seismiska signaturer för Karymsky
Övervakning och riskförebyggande
arbete
Geokemiska metoder
●
Kemi i vattendrag
●
Kemi i fumaroler
●
Gashalt i jord
●
Temperatur
●
Studier av tidigare
utbrott – hitta mönster!
Gravimetriska och
magnetometriska mätningar
När ny magma tillförs magmakammaren eller stiger i vulkanen är detta en transport av massa.
Förändringen av massa förändrar det lokala gravitationsfältet.
Mätningar av gravitationsfältet runt vulkanen kan ge en bild av förändringar i
magmakammaren och vulkanen
Dyr utrustning, omständig att placera ut – få gravimetriska stationer
Magnetometrisk utrustning som
används på Etna, Sicilien
Gravimetriska mätningar på Mount Asama, Japan
Gravimetriska och
magnetometriska mätningar
Det lokala magnetfältet runt en vulkan kan påverkas av flera faktorer, t.ex. nya sprickor, gas,
vatten, temperatur, osv.
Svårt att relatera förändringar till magmarörelser
Magnetometriska mätningar endast tillämpat vid ett fåtal vulkaner
-9 T) uppmäta före eller efter utbrott
Förändring på 15 – 20 nT (10
Magnetometrisk utrustning som
används på Etna, Sicilien
Gravimetriska mätningar på Mount Asama, Japan
Hydroakustiska mätningar
Aukustik våg = Tryckvåg
Uppstår då magma rör sig, eller andra
vätskor cirkulerar i vulkanen.
Frekvenser mellan 0.1 – 200 000 Hz
Akustiska vågor dämpas starkt i heterogent
vulkaniskt berg
Kelut, Indonesien (utrustad med
hydroakustiskt mätutrustning)
Dämpningen mindre i vätskor
Hydrofoner i hav, kratersjöar,
brunnar eller vätskefyllda borrade
hål
Metoden mindre vanlig, finns dock
på ett par ställen i Indonesien, Nya
Zeeland och Filipinerna
Taal, Filipinerna (utrustad med hydroakustiskt mätutrustning)
Sammanfattning
●
Plattektonik
●
Typer av vulkanutbrott
●
Vulkaniska miljöer
●
Typer av vulkaner
●
Magmabildning
●
Direkta risker
●
Indirekta risker
●
Vulkaner och klimatet
●
●
Partiell smälta,
differentiering
Mafisk/felsisk
magma/lava/bergart
