Χαρτογράφηση της καρδιάς των ηφαιστείων όταν ξυπνούν

Το ηφαίστειο Βουλκάνο, που βρίσκεται στο ομώνυμο νησί βόρεια της Σικελίας, εισήλθε σε μια φάση αφύπνισης στα τέλη του 2021. 

Οι ηφαιστειακές εκρήξεις μπορούν να έχουν δραματικές συνέπειες. Πώς όμως μπορούμε να προβλέψουμε αυτό το φαινόμενο, το οποίο εκτυλίσσεται έως και δεκάδες χιλιόμετρα κάτω από την επιφάνεια;

Μια ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης (UNIGE), σε συνεργασία με το Εθνικό Ινστιτούτο Γεωφυσικής και Ηφαιστειολογίας (INGV) στην Ιταλία, αναδημιούργησε με επιτυχία ένα τρισδιάστατο μοντέλο του εσωτερικού του ηφαιστείου Βουλκάνο, που βρίσκεται στη βόρεια Σικελία. Αυτή η εικόνα, που δημιουργήθηκε με πρωτοφανή ακρίβεια, ελήφθη συνδυάζοντας κομβικά σεισμικά δίκτυα και τεχνητή νοημοσύνη.

Δημοσιευμένα στο Nature Communications , αυτά τα αποτελέσματα αντιπροσωπεύουν μια σημαντική ανακάλυψη στην κατανόηση των ηφαιστειακών δομών και, ενδεχομένως, στη διαχείριση κινδύνων.

Ο πλανήτης μας φιλοξενεί περισσότερα από 1.500 ενεργά ηφαίστεια , ωστόσο μόνο το 30% αυτών έχει μελετηθεί επαρκώς από τους επιστήμονες. Εν τω μεταξύ, πάνω από 800 εκατομμύρια άνθρωποι ζουν κοντά σε αυτούς τους συχνά απρόβλεπτους γίγαντες. Η ανάπτυξη εργαλείων για την καλύτερη κατανόηση και πρόβλεψη των εκρήξεων αποτελεί επομένως μια σημαντική ερευνητική πρόκληση.

«Μέχρι τώρα, η σεισμολογία των ηφαιστείων είχε επικεντρωθεί κυρίως στα σήματα σεισμών κάτω από τα ηφαίστεια. Μελέτες μεγάλης κλίμακας σίγουρα έχουν βοηθήσει στην περιγραφή των εσωτερικών δομών τους , αλλά πολύ λίγες έχουν εξετάσει λεπτομερώς τι συμβαίνει βαθιά κάτω από το έδαφος», λέει ο Ντάγκλας Στουμπ, διδακτορικός φοιτητής στο Τμήμα Επιστημών της Γης, Τμήμα Επιστημών της Γης και του Περιβάλλοντος, στη Σχολή Θετικών Επιστημών του UNIGE, και κύριος συγγραφέας της μελέτης.

Αυτό οφείλεται στη μοναδική φύση κάθε ηφαιστείου και στη δυσπρόσιτη θέση των γεωλογικών περιοχών όπου γίνονται οι εκρήξεις.

Μια «φωτογραφία» πρωτοφανούς ακρίβειας

Χάρη σε πρόσφατη εργασία της ομάδας του Matteo Lupi, αναπληρωτή καθηγητή στο Τμήμα Επιστημών της Γης, του Τομέα Επιστημών της Γης και του Περιβάλλοντος, Σχολή Θετικών Επιστημών, UNIGE, ο Stumpp δημιούργησε μια τρισδιάστατη εικόνα υψηλής ανάλυσης της εσωτερικής δομής του Vulcano.

Βρίσκεται στο ομώνυμο νησί στη βόρεια Σικελία, το ηφαίστειο εισήλθε σε μια φάση αναταραχής στα τέλη του 2021. Η αφύπνιση χαρακτηρίστηκε από τα λεγόμενα σεισμικά γεγονότα «πολύ μεγάλης περιόδου» , ένα σήμα που υποδεικνύει την κίνηση του μάγματος και του αερίου μέσα στο ηφαιστειακό σύστημα.

«Χρησιμοποιήσαμε μια προσέγγιση σεισμικής τομογραφίας περιβάλλοντος θορύβου, η οποία αποκτήθηκε από ένα κομβικό δίκτυο. Για την επεξεργασία των δεδομένων χρησιμοποιήσαμε νευρωνικά δίκτυα , μια τεχνολογία που μας επιτρέπει να «ακτινογραφούμε» ηφαίστεια. Αυτή η εργασία πραγματοποιήθηκε στο πλαίσιο του κοινού μεταπτυχιακού προγράμματος των Πανεπιστημίων της Γενεύης και της Λωζάνης (ELSTE)», εξηγεί ο ερευνητής.

Με την υποστήριξη και τη συνεργασία της INGV, η ομάδα ανέπτυξε περίπου 200 φορητούς σεισμικούς αισθητήρες σε όλο το νησί. Για ένα μήνα, αυτοί οι υπερσύγχρονοι σεισμογράφοι κατέγραφαν φυσικές δονήσεις του εδάφους σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων.

Είναι γνωστό, για παράδειγμα, ότι ορισμένα κύματα - γνωστά ως δευτερογενή σεισμικά κύματα - διαδίδονται αργά όταν διέρχονται από ζώνες πλούσιες σε ρευστά, επιτρέποντας την ανίχνευση πιθανού μάγματος. Αυτός ο τεράστιος όγκος δεδομένων υποβλήθηκε στη συνέχεια σε επεξεργασία από τον υπερυπολογιστή της UNIGE, Yggdrasil.

«Η τεχνολογία τομογραφίας θορύβου περιβάλλοντος είναι διαθέσιμη εδώ και περίπου 20 χρόνια, αλλά η ανάπτυξη τόσο μεγάλου αριθμού αισθητήρων και η επεξεργασία των δεδομένων τους με τεχνητή νοημοσύνη είναι πραγματικά καινοτόμος», λέει ο Matteo Lupi, επικεφαλής της μελέτης.

Χάρη σε αυτά τα δεδομένα, η ομάδα μπόρεσε να ανακατασκευάσει με ακρίβεια την εσωτερική δομή του Βουλκάνο. Αυτή η μοντελοποίηση αποκαλύπτει επίσης την κατανομή των μαγματικών υγρών στις ανώτερες περιοχές του. «Πρόκειται για μια σημαντική ανακάλυψη συγκρίσιμη με τη μετάβαση από τους υπερήχους στη μαγνητική τομογραφία στην ιατρική», λέει ο ερευνητής.

Από τη γνώση στην πρόληψη

Αυτά τα αποτελέσματα δεν επιτρέπουν ακόμη την πρόβλεψη μιας έκρηξης, αλλά αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό άλμα προς τα εμπρός στην κατανόηση της εσωτερικής δυναμικής των ηφαιστείων.

«Αν μπορούσαμε να επεξεργαστούμε δεδομένα από σεισμική τομογραφία κόμβων περιβάλλοντος σε πραγματικό χρόνο, με τη βοήθεια νευρωνικών δικτύων, θα μπορούσαμε να αναλύσουμε τη συμπεριφορά κάθε περιοχής του ηφαιστειακού συστήματος καθώς ξεδιπλώνεται - και έτσι να σχεδιάσουμε δυναμικά, προσαρμόσιμα σχέδια εκκένωσης. Η εξαιρετικά γρήγορη επεξεργασία τέτοιων τεράστιων όγκων δεδομένων παραμένει μια σημαντική τεχνική πρόκληση, αλλά η ενσωμάτωση της μηχανικής μάθησης και της βαθιάς μάθησης, όπως αποδεικνύεται σε αυτή τη μελέτη, δείχνει ότι αυτή η προοπτική καθίσταται πλέον εφικτή», καταλήγει ο Stumpp.

Γεωδίφης με πληροφορίες από το Πανεπιστήμιο της Γενεύης 

περισσότερο,

Douglas Sami Stumpp et al, Neural Network Nodal Ambient Noise Tomography of a transient plumbing system under unrest, Vulcano, Italy, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62846-z

Nature Communications