Hve mikið vita vísindin um núningshita sem myndast í sprungum?

Ef nútíma vísindi myndu viðurkenna möguleikann á að jarðskjálftar séu að valda, eða að minnsta kosti að stuðla að hraungosum, myndi maður ætla að til væru umtalsverðar rannsóknir á viðfangsefninu, og með slíkum rannsóknum myndi koma fram þekking á því hversu mikill núningshiti í raun myndast í sprungum á hreyfingu. Einnig, því meira sem jarðfræðingar vita um núningshita úr jarðskjálftavirkni, því minna myndu þeir hallast að því að hafna honum. Ótrúlega lítið ítarefni er til þegar skoðaðar eru faggreinar í tímaritum um núningshita í sprungum. Það var líkt og það hafi verið ‚ekki fara þangað‘ viðhorf – líkt og það hafi verið að segja að ‚við vitum að hitinn er til kominn vegna kviku‘ þannig að hvers vegna að leita annars staðar? En leit okkar leiddi okkur til þessarar greinar í Science frá 1998:

Möguleikinn á bráðnun vegna núnings í sprungum hefur verið lagður fram af nokkrum rannsakendum. (Frictional Melting During The Rupture Of The 1994 Bolivian Earthquake, Kanmori, Andersen & Heaton, Science, Vol. 279, 6. febrúar 1998, bls. 839).

Ef til vill var það langsótt á þeim tíma að leggja fram þá hugmynd að núningur gæti valdið bráðnun vegna örfárra mælinga sem teknar voru á hitamyndunum í sprungum. Eins og aðrir sérfræðingar á þessu sviði hafa sagt í eftirfarandi tilvitnun, þá vita þeir það hreinlega ekki:

Vandamálið með hitamyndun á yfirborðinu við sprungur hefur ekki verið leyst á fullnægjandi hátt. Það virðist líklegt úr fyrri umræðum að mismunandi sprungur gætu sýnt mismunandi hegðun hvað þetta varðar, ef til vill vegna mismikilla smurningu vegna þrýstings í holufylltum vökva. Þegar tækni byggð á tölulegum aðferðum verða betri og fleiri varmaflæðigögn fást í grennd við stórar sprungur, gæti þessari spurningu verið svarað. Hinsvegar er engin einföld lausn til í dag um það hve mikill núninghiti myndast í sprungum. (Crustal Heat Flow: a guide to measurement and modeling, G. R. Beardsmore, J. P. Cull, Cambridge University Press, 2001, bls. 41).

Þrátt fyrir að jarðfræðingar hafi viðurkennt að þeir vita ekki hversu mikill núningshiti myndast í sprungum, lýsa sumir því yfir að sprungur framleiða ekki nægilega mikinn hita til að mynda bráðið hraun:

Návist sprungna er hinsvegar aðeins ábyrg fyrir því að kvika geti komiægilega mikinn hita til að mynda bráðið hraun:st upp á yfirborðið, hún útskýrir ekki hvers vegna kvikan [innskotshraun] upprunalega myndast. (Mount Etna´s Ferocious Future, Tom Pfeiffer, Scientific American, apríl 2003, bls. 63).

Úr sömu grein í Science vitnað í hér að ofan, viðurkenna rannsakendur töluverða hitamyndun á meðan jarðskjálfti stóð yfir í Bólivíu árið 1994:

Orkumagn sem myndaðist í Bólivíu jarðskjálftanum var sambærilegt eða stærri en varmaorkan í eldgosinu í St. Helens fjallinu árið 1980 en hún var nægilega mikil til að bræða allt að 31 cm lag. (Frictional Melting During The Rupture Of The 1994 Bolivian Earthquake, Kanmori, Andersen & Heaton, Science, Vol. 279, 6. febrúar 1998, bls. 839).

Hið mikla eldgos í St. Helens fjallinu, sem sumir líkja við kjarnorkusprengingu, framleiddi gífurlegt magn af varmaorku, þannig að hvernig getur það verið að spurningar haldast óspurðar um hvernig hiti hefur áhrif á bráðnun á meðan jarðskjálftar eiga sér stað? Er þetta mikilvægur þáttur eða ekki? Hér er svarið úr sömu vísindagrein:

Þessar rannsóknir benda til þess að bráðnun vegna núnings geta átt sér stað ef spennan á sprungusvæðinu er nægilega mikil. Þrátt fyrir þessar rannsóknir, er bráðnum vegna núnings ekki almennt talin vera mikilvægt ferli í jarðskjálftum vegna óvissu í spennustigi.

Það er ótrúlegt að vísindamenn skuli hafa tekið eftir furðumiklu magni af hita sem myndaðist á sprungusvæðinu í jarðskjálftanum í Bólivíu þar sem þykkt bráðnunar var aðeins 3,7 mm:

Ef notuð er dýptin sem varminn smýgur um, Delta d = 3,7 mm, þarf staðbundið hitastig að hækka í stærðargráðuna 52.000°C. (Sama vísindagrein, bls. 840).

Það þarf aðeins 1.700°C til að bræða kísilsteina, þar á meðal kvars, og rannsakendurnir segja að þessi jarðskjálfti hafi myndað hita sem samsvarar rúm 30 sinnum hærra hitastig!

Í annarri vísindagrein, birt árið 2005, útskýrir greinarhöfundur:

Bráðin smurning getur útskýrt magn orku í stórum jarðskjálftum til að vera 10 til 100 sinnum meiri en í smærri jarðskjálftum. (Abstract, Evidence for melt Lubrication during large earthquakes, Geophysical Research Letters, VOL. 32, 5. apríl 2005).

Hann tók eftir því að með því að velta graníti undir þrýstingi, eykst hreyfinúningurinn í réttu hlutfalli við hitastig, þar til það nær markgildi sem samsvarar bræðslumark feldspats (~1150°C), mikilvægur efnisþáttur graníts. Ef hitastigið fer yfir mörkin:

… í náttúrulegum víxlgengum, sem er háð bergtegundinni, getur það leitt til bráðnunar vegna núnings. (Sama vísindagrein).

Jarðfræðingar horfa almennt á sprungur sem rás sem kvika notar til að komast upp á yfirborðið, en þeir eru tregir til að líta á þær sem hitauppsprettu sem getur framleitt bráðið hraun. Þegar hraun flæðir úr sprungum, endurtaka þeir þá ímyndun að sprungan væri beinlínis leiðin sem ‚kvikan‘ notar til að sleppa út. Jarðskjálftar eru tíðir án þess hraun myndast, sem leiðir til þess að sumir rannsakendur koma með þá staðhæfingu að engin bráðnun eigi sér stað vegna hreyfinga í sprungum. En eldgos eru sjaldan, ef nokkurn tímann, afleiðing eins meiriháttar jarðskjálfta, heldur frekar afleiðing jarðskjálftahrina, sem oft standa yfir í viku eða lengur í senn. Snögg losun orku undir álagi framkallar uppsprengingu í hitastigi og síðar eitthvað magn af afgangs hita, en það er langvarandi og stöðug hreyfing jarðskorpunnar sem geymir orku og framleiðir nægan núningshita til að bræða berg.

Að lokum langar mig að deila stuttu myndbandi um bráðnun hrauns vegna núnings, gerð í tilraunastofu.

Vísbendingin um jarðskjálftahrinur og hraun

Margir jarðskjálftar og mörg eldgos voru skoðuð til að svara spurningunni

Að sjálfsögðu framkalla ekki allir jarðskjálftar eldgos vegna þess að þeir standa venjulega stutt yfir. Jarðskjálftahrinur standa venjulega yfir í fleiri daga í einu og fylgja vanalega eldgosum. Vegna nýrrar tækni gátu John Benoit og Steve McNutt frá Háskólanum í Alaska, Jarðvísindastofnun í Fairbanks, rannsakað og greint hundruði jarðskjálftahrina og tengt þær við eldgos á rúmu 10 ára tímabili. Þetta þykir til þessa vera víðáttumesta rannsókn heimsins sinnar tegundar. Rannsóknin innihélt meira en 600 jarðskjálftahrinur víða um heim sem áttu sér stað á tímabilinu 1979 til 1989. Eftirfarandi mynd er skýringamynd jarðskjálftahrina og eldgosa, en hún sýnir niðurstöður þessarar rannsóknar.

Þeir flokkuðu virknina í þrjár gerðir af hrinum. Gerð 1 hrinu (sú algengasta) eru þær sem eru undanfarar eldvirkni, gerð 2 hrinu fylgdi eldvirkni og gerð 3 hrinu voru ekki í neinu sambandi við eldvirkni. Gerð 3 hrinu kom í 39% skipta fyrir en greinilega hafði jarðskjálftavirknin ekki nægan tíma til að framleiða nægilegt mikið magn af hrauni sem nauðsynlegt er fyrir eldgos, eða þeir áttu sér stað of djúpt í jörðu til að hraunið gæti komist upp á yfirborðið. Gerð 3 hrinu stóð yfir aðeins í 3,5 daga að meðallagi, á meðan gerð 1 hrinu stóð yfir í allt að 9 daga, næstum þrisvar sinnum lengur.

Skýringamynd jarðskjálftahrina og eldgosa hér að ofan sýnir hið sérstaka samband á milli jarðskjálftahrina og eldgosa. Takið eftir tímasetningunni á gerð 1 og 2 hrinu miðað við tímasetningu eldgosa.

Önnur þýðingarmikil tengsl er hægt að sjá í gerð 1b hrinu. Flestar jarðskjálftahrinur eru af þessari gerð og það er eina gerðin þar sem jarðskjálftar eiga sér stað rétt á undan eldgosinu. Þessi athugun leiðir okkur skrefi nær því að staðfesta það að jarðskjálftar orsaka hraungos.

Þegar tímar líða og með skráningu fleiri og fleiri eldgosa og með æ fleiri jarðskjálftagögn, halda upplýsingarnar áfram að styðja samband jarðskjálfta og hrauns. Að auki hafa rannsóknir á hitastigi og hitastigsbreytingum í sprungum og á sprungusvæðum gefið okkur gögn sem undirstrika tengslin á milli núningshita og jarðskjálfta. Ef kvika væri ábyrg fyrir jarðskjálftum, myndi hiti vegna aflögunar og kvikuinnskots myndast fyrir jarðskjálftann, ekki eftir. Eins og er, þá virðist lítil sem engin bein þekking vera til um hita og myndun hans í sprungum.