بخشی از مقاله
نقش و اهمیت روش هاي ژئودزي در مطالعه پدیده ژئودینامیکی آتشفشان به منظور جلوگیري از خسارات ناشی از آن بر تاسیسات شهري
چکیده
با توجه به قرار گرفتن اکثر آتشفشان هاي فعال در مجاورت شهر هاي پر جمعیت ،در این مطالعه ،ابتدا به بررسی چگونگی فوران آتشفشان و اثرات ناشی از آن بر طبیعت و مواد آتشفشا نی ایجاد شده پرداخته میشود، سپس با توجه به این که روش هاي گوناگونی براي آشکارسازي و پیش بینی فوران آتشفشان وجود دارد این روش ها را به دو دسته ژئودزي و غیر ژئودزي تقسیم نموده و به روش هاي غیر ژئودزي در این زمینه اشاره شده و توضیح مختصري در ارتباط با هر کدام از روشهاي غیر ژئودزي موجود ارائه خواهد شد.
در بخش سوم بر روشهاي ژئودزي پیش بینی و فوران آتشفشان متمرکز شده وتوضیحاتی در این زمینه ارائه خواهد شد و در نهایت نتیجه گیري هایی در این زمینه انجام میشود . تکنیکهاي آشکارسازي تغییر شکل براي محیط هاي آتشفشانی از تکنیکهایی مثل ترازیابی دقیق تا EDM و اخیرا به استفاده از GPS توسعه یافته است. با توجه به مطالعه انجام شده، GPS روش مناسبی براي پیش بینی فوران آتشفشان میباشدکه در ادامه به طور مفصل توضیحاتی در این زمینه ارائه خواهد شد.
واژههاي کلیدي: فوران ،آتشفشان ،ماگما،ژئودزي ،GPS
-1 مقدمه :
درجهانی که زندگی می کنیم شاهد قدرت نمایی هاي متعدد پروردگار هستیم یکی از این نمونه قدرت نمایی ها پدیده زیبا و حیرت انگیز آتشفشان است، این پدیده درعین حال که داراي جذا بیت هاي فراوان است، یکی از ترسناك ترین وقایع طبیعی می باشد، به علاوه انفجار آتشفشان ها ، اغلب واقعه ویرانگري است و اثرات زیادي بر طبیعت و زندگی انسان ها دارد . درجهانی که جمعیت در آن روز به روز درحال افزایش است، بسیاري از جمعیت شهري درمجاورت آتشفشان هاي فعال قرار دارند. اثرات مخرب آتشفشان تامبرا1دراندونزي در 1815، کوه پیلائی2 در جزایرکاراییب در 1902، و آتشفشاندر نوادوریوز3 در کلمبیا 1985بر این حقیقت تاکید دارند .
بنابراین آشکارسازي آتشفشان ها به منظور پیش گیري از فجایع ناشی از فوران امري لازم و ضروري است. پیش بینی موفقیت آمیز فوران انفجاري کوه پنیاتوبو4 در 1991 در فیلیپین (دومین فوران بزرگ در قرن بیستم) جان هزاران نفر را نجات داد چنانکه 60000نفر در روز قبل از فوران محل را ترك کردند. به هر حال، هر آتشفشان یکتاست و ویژگی ها و رفتار خاص خود را دارد. با وجود 1500 آتشفشان که قابلیت فعال شدن را دارند و 70 آتشفشان فعال که 10% جمعیت دنیا را به طور مستقیم در معرضدهند،خطر قرار می کنترل طولانی مدت آتشفشان به منظور پیش بینی فوران آنها در جهان امروزي امري غیرقابل اجتناب است.
این که یک آتشفشان کی فوران خواهد کرد سئوال ضروري است که دانشمندان با دقت هر چه بیشتر باید به آن پاسخ دهند. تکنیکهاي مختلفی مانند لرزه نگاري، گرانی سنجی،روش شیمیایی، هیدرولوژیکی، استفاده از تکنیک تداخل سنجی را داراي، EDM و GPS براي مطالعه آتشفشان ها به کا ر گرفته میشوند.
تغییر شکل زمین به صورت یک بالا آمدگی ماگماي آتشفشانی به عنوان یک پروسه مهم فعالیت فورانی در یک آتشفشان تشخیص داده می شود. قبل از این که یک فوران اتفاق بیفتد، سطح زمینمعمولاً به سبب افزایش فشار داخل مخزن ماگمایی که در عمق کم واقع شده است بالا می آید و ماگماي زیر آتشفشان به سمت بالا حرکت می کند. بعد از این ماگما از دودکش رها شد رفتار سطح زمین عکس می شود و یک کاهش تورم دامنه آتشفشان مشاهده میشود. به علاوه، الگو و نرخ جابجایی هاي سطحی و عمق و نرخ افزایش فشار داخل مخزن ماگماي زیرزمینی اطلاعات مهمی را راجع به وضعیت آتشفشان می دهد. همچنانکه تغییر شکل زمین با نزدیک شدن به زمان فوران در خلال ساعتها و ماهها اتفاق می افتد، آشکارسازي ژئودتیکی یک ابزار مؤثر براي کاهش خطر است.
تکنیکهاي آشکارسازي تغییر شکل براي محیط هاي آتشفشان از تکنیکهایی مثل ترازیابی دقیق تا EDM ها اخیراًو به استفاده از تکنیک تداخل سنجی راداري و استفاده از GPS توسعه یافته است.
شایداولین تغییر شکل زمینی ثبت شده مرتبط با یک واقعه آتشفشانی کاري بود که توسط آقاي امري در 1914 گزارش داده شد.
تحقیق او شامل جابجایی هاي قائم روي کوه آتشفشاناُز 5 در ژاپن بود که تا 2متر را با ترازیابی دقیق، قبل و بعد گزارشازفوران 1910 داد. همچنین یک رشد 100 متري سطح زمین نزدیک دهانه در زمان فوران گزارش داده شد.
از دهه 1960 تا دهه 1980 تکنیکهاي نقشه برداري قدیمی براي آشکارسازي تغییر شکل زمین به کار رفته استمعمولاً. این شبکه ها شامل ترازیابی براي آشکارسازي حرکات قائم و شبکه هاي مثلث بندي براي تعیین جابجایی هاي مسطحاتی بودند.
معرفی ابزار EDM توانایی اندازه گیري فواصل بلند را به طور دقیق و سریع فراهم کرد. آقاي سوگاندا در 1993 یک تغییر فاصله مسطحاتی 2 متري را بین نقاطی که در دهانه آتشفشان مراپی6 در اندونزي پراکنده شده بود از 4 برداشت EDM که بین 1988 تا 1992 انجام شد گزارش کرد. در کوه انزن ژاپن مشاهدات EDM رشد قله گدازه را با نرخ 70 تا 80 سانتی متر در ساعت در خلال چندین روز قبل از فوران 24می سال 1991 نشان داد.
با توسعه GPS در دهه 1980 به سرعت آشکار شد که GPS براي آشکارسازي تغییر شکل ایجاد شده بـه وسـیله حرکـت تکتونیـک ، نشست زمین و فعالیت آتشفشانی است مناسب است.
در سالهاي اخیر، تکنیک تداخل سنجی را داراي به طور فزاینده براي تهیه نقشه توپوگرافی آتشفشان ها و آشکارسازي تغییر شکل زمـین بـه کار می رود. با استفاده از تصاویر ماهواره ERS1 گرفته شده بین 1992 و 1993 آقاي بریول در سال 1997 یک کاهش تورم مرتبط بـا جریانات گدازه 1986، 87 و 89 کوه اتنا1 ایتالیا را آشکار کرد. اطراف منفذ آتشفشان نیوتریدنت2 در آلاسکا، یک بالا آمـدگی 7 تـا 9 سانتی متري در یک دوره دو ساله به وسیله آقاي لو مشاهده شد. موارد مطالعاتی دیگر به وسیله آقاي رسن در 1996، آقاياُملونـگ در سال 2000 و آقاي فوجی وارا در سال 2000 گزارش داده شد. به سبب این که منطقه وسیعی بـا تصـویر تـداخل سـنجی را داراي ( 100 کیلومتر در 100 کیلومتر) پوشش داده می شود، تأثیر هزینه آن و توانایی در نفوذ در ابرها، استفاده از تداخل سنجی را داراي یک گزینه سودمند در زمینهاي پیچیده و غیرقابل دسترس است.
به هر حال، پوشش گیاهی متراکم و پوشش برف مـانع از اسـتفاده از تـداخل سـنجی را داري بـه عنـوان یـک ابـزار کنتـرل تغییـر شـکل آتشفشان است.
سیستم GPS ،وسیله اي مناسب به منظور آشکارسازي آتشفشان ها میباشد زیرا اندازه گیري هاي GPS می تواند موقعیتهاي سه بعدي را در حد دقت سانتی متر نتیجه دهد بر خلاف ترازیابی که فقط ارتفاع را اندازه میگیرد یا EDM که فقط فواصل را به دست می دهد. به علاوه نیازي به دید بین ایستگاهی در یک شبکه GPS نیست، اندازه گیري ها مستقل از شرایط جوي، 24 ساعته و در فواصلنسبتاً بلند انجام می شود.
بنابراین GPS داراي محاسن بیشتري نسبت به تکنیکهاي دیگر میباشد، با توجه به این که بیشتر آتشفشان هاي دنیا، ارتفاع بلند دارند.
-2 فرآیند ژئودینامیکی آتشفشان
آتشفشان ها حفره هایی در پوسته زمین هستند که از طریق آنها ماگماي جمع شده به وسیله گاز و خاکستر بیرون مـی آیـد.در شـکل((1 نقشه آتشفشان هاي فعال دنیا نشان داده شده است.
همچنان که ماگما به عنوان نتیجه ذوب صخره هاي آتشفشانی بیرون می آید، ترکیبات آن بسته به دماي ذوب تشکیل می شوند. در دماي بسیار بالا، ترکیبات ماگما شبیه به صخره اولیه است.
ماگماي اولیه داغ تر و سبک تر از مواد اطراف است، بالا می آید و درنقطه اي که دودکش ماگما نامیده می شود متوقف می شود. در دودکش ماگما، ماگما اولیه تبدیل به ماگما ثانویه یا همان گدازه می شود، در هنگامی که به طرف سطح بالا می آید دماي آن کاهش می یابد و تعدادي از ترکیبات آن کریستالی می شوند. گاهی اوقات همه ماگما کریستال می شود و هیچ فورانی اتفاق نمی افتد اما در بیشتر مواقع ماگما به سطح می آید. گازها، فشار ماگمارا افزایش می دهند که در نهایت به عنوان گدازه فوران می کند. گدازه می تواند دمایی در حد هزار درجه سانتی گراد و جریانی در حد 165 متر در ثانیه داشته باشد.[1]
-3 روشهاي غیر ژئودزي آشکارسازي و پیش بینی فوران آتشفشان
حال که با ویژگی ها و خطرات آتشفشان آشنا شدیم به این نتیجه می رسیم که فهمیدن این نکته که یک آتشفشـان کـی فـوران خواهـد کرد، از مسائل و نکات ضروري است و دانشمندانی که در این زمینه کار می کنند باید به ایـن سـؤال پاسـخ دهنـد. تکنیکهـاي مختلفـی براي پاسخ به این سؤال وجود دارد که از جمله آنهـا روشـهاي لـرزه نگـاري، گرانـی سـنجی، شـیمیایی، و سـنجش از دور ، اسـتفاده از EDM , GPS و تیلت مترمی باشد. شکل (2) برخی ازروشهاي موجود را نشان میدهد.
با توجه به اهمیت ژئودزي در زمینه موضوع پدیده ژئودینامیکی آتشفشان، این روشها را به 2 دسته روشهاي ژئودزي و غیرژئودزي در بحث آشکارسازي تغییر شکل آتشفشان و پیش بینی فوران تقسم خواهیم کرد:
روشهاي غیرژئورزي که این روشها شامل لرزه نگاري ،شیمیایی وسنجش از دور بوده و روشهاي ژئودزي که این روشها شامل گرانی سنجی،استفاده از EDM وGPS می باشند.
-1-3 روش لرزه نگاري
فعالیت زمین لرزه اي زیر یک آتشفشانتقریباً همیشه قبل از یک فوران افزایش می یابد، زیرا ماگما و گازهاي آتشفشانی در ابتدا باید با نیرویی راهی براي باز کردن مسیر خود به سمت زمین باز کنند. هنگامی که ماگما و گازهاي آتشفشانی یا جریانات حرکـت مـی کننـد،
سبب شکستن صخره ها یا لرزیدن شکاف ها می شوند. هنگامی که صخره ها شکسته می شوند، زمین لرزه هاي با فرکانس بـالا رخ مـی دهند. اما هنگامی که شکاف ها می لرزند، زمین لرزه هاي با فرکانس پایین یا تکان هاي پیوسته که لرزه آتشفشـان نامیـده مـی شـود رخ می دهد. بیشتر زمین لرزه هاي آتشفشانی از نظر اندازه کمتر از2 یا3 ریشتر هستند و کمتر از 10 کیلـومتر زیـر آتشفشـان رخ مـی دهـد.
زمین لرزه ها تمایل دارند که در گروههایی شامل 12 تایی تا چند صدتایی رخ دهند. در طول چندین دوره از فعالیت هاي زمین لرزه اي بزرگ، دانشمندان براي آشکارسازي لرزشهاي ضعیف و قوي از نظر نوع و شدت فعالیت هاي لرزه اي ، همچنین براي تعیین زمان یـک فوران، بخصوص هنگامی که یک آتشفشان به طور مستقیم قابل مشاهده نباشد تلاش می کنند. شکل (3) مراحل ایجاد یک زمـین لـرزه آتشفشانی را نشان میدهد.
لرزه نگار دستگاهی است که لرزش هاي زمینی را که در اثر پروسه هاي گوناگون بخصوص زمین لرزه اتفاق می افتد اندازه می گیرد.
براي دنبال کردن یک فعالیت زمین لرزه اي آتشفشانینوعاً بین 4 تا 8 لرزه نگار در حدود 20 کیلومتري دهانه آن در مکان هاي مختلف روي آتشفشان نصب می شود، که بخصوص براي آشکارسازي زمین لرزه هاي کوچکتر از 1 تا 2 ریشتر از نظر اندازه مهم است. گاهی اوقات این زمین لرزه هاي کوچک تنها نشانه اي است که خبر از در حال فوران بودن آتشفشان می دهد. اگر لرزه نگار دورتر از 50 کیلومتر واقع شود، این لرزه هاي کوچک ممکن است آشکار نشوند. نمونه هایی از این روش در مناطقیدر مثل کوه هلنز1 در واشنگتن 1992 و کوه پیناتوبو در فیلیپین به کار گرفته شد. [2]
-2-3 روش شیمیایی
دانشمندان تشخیص دادند که گازهاي حل شده در ماگما نیروي محرك فورانهاي آتشسفشانی است. اما تنها تکنیکهاي جدید اجازه اندازه گیري انواع مختلف گازهاي آتشفشان را که دراتمسفررهامی شود، می دهد. گازهاي آتشفشان گوگردي و بخارهاي مرئی معمولاً اولین چیزهایی هستند که مردم هنگامی که یک آتشفشان فعال را می بینند، به آن توجه می کنند. گازهاي دیگر هم که نامرئی هستند، از طریق منفذهاي فعال و سطوح زمین متخلخل به اتمسفر می روند. هنگامی که ماگما به سطح زمین می آید و همچنین هنگامی که سرد و کریستال گونه زیرزمین است، این گازها خارج می شوند. در آوریل 1991 در کوه پیناتوبو فیلیپین خروج گاز دي اکسید گوگرد یک فوران انفجاري را باعث شد.
هدف اولیه در کنترل گاز، تعیین تغییرات در گازهاي خارج شده از آتشفشان است، بالاخص دي اکسید کربن و دي اکسید گوگرد.
چنین تغییراتی همراه با اطلاعات کنترلی دیگر، براي فراهم کردن هشدارهاي فوران و درك بهتر چگونگی کار کرد آتشفشان به کار گرفته می شود. در سالهاي اخیر، توجه زیادي به گازهاي آتشفشانی آزاد شده می شود که به خاطر اعلام خطرهاي ارزشمندي است که آنها مطرح می کنند و اثر آنها روي اتمسفر و آب و هواي زمین است.
گازهایی که به وسیله بیشتر آتشفشانها آزاد می شود، براي نمونه برداري و اندازه گیري بر یک پایه مشخص مشکل است، بخصوص هنگامی که یک آتشفشان فعال باشد، نمونه برداري مستقیم از گاز نیازمند این است که دانشمندان یک منفذ آتشفشانی داغ را که معمولاً در ارتفاع روي یک دامنه آتشفشانی یا داخل دهانه آن است، ببینند. در تعدادي از آتشفشانها ، گازها به طور مستقیم داخل دریاچه هاي دهانه آتشفشان تخلیه می شوند. مکان دور دست این سایت هاي نمونه برداري، شدت و گاهی بخارهاي پرخطر، آب و هواي بد و احتمال فوران ناگهانی، گاهی برداشت منظم گازها را غیرممکن و خطرناك می سازد. اندازه گیري گازها از راه دور امکان پذیر است اما مستلزم آب و هواي ایده ال و دسترسی به هواپیماي مناسب یا یک شبکه از راهها اطراف آتشفشان است. شرایط بادي مساعد و مطلوب مورد نیاز است تا گازها را از منافذ حمل کرده و به جایی که قابل اندازه گیري باشد ببرد. در بعضی مواقع ، تحت شرایط نامطلوب فقط تعداد کمی از سنسورها براي ثبت پیوسته گاز قابل دسترسی اند.
دانشمندان با مشکل دیگري به نام گازهاي اسیدي مثل SO2 رو به رو هستند که به آسانی در آب حل می شوند. بنابراین، آتشفشانها با آب هاي سطحی و زیر سطحی فراوان مانع از اندازه گیري گازهاي اسیدي متصاعد شده در هنگام بالا آمدن ماگما به طرف سطح و حتی بعد از فورانهاي انفجاري می شوند. چون CO2 کمتر در حضور آب پنهان می شود، اندازه گیري آن هنگامی که آتشفشان شروع به فعالیت می کند یا بین فورانها براي تعیین این که آزاد شدن گاز ماگما به طور دقیق چه موقع اتفاق می افتد مهم است.[3]
-3-3 روش سنجش از دور
در سالهاي اخیر، تکنیکهاي تداخل سنجی راداري1 به طور گسترده براي تهیه نقشه توپوگرافی آتشفشانها و آشکار کردن تغییر شکلهاي زمین استفاده می شود. تداخل سنجی راداري قابلیت ایجاد یک تصویر با جزئیات جابجایی سطحی دارد که یک مزیت بزرگ نسبت به تکنیکهاي دیگر است. استفاده از تصاویر ماهواره ERS1 که بین سالهاي 1992 تا 1993 برداشت شده است، به وسیله آقاي بریول در سال1997،یک کاهش تورم مرتبط با جریان گدازه 1989، 1986-1987 در کوه اتنا در ایتالیا را نشان داد. اطراف منفذ آتشفشان نیوتریدنت در آلاسکا،یک بالا آمدگی 7تا9سانتی متري در یک پریود دو
