Okamžiky před erupcí: co mají společného islandská sopka a česká zemětřesení?

20. 10. 2022

V březnu roku 2021 vybuchla na poloostrově Reykjanes sopka Fagradalsfjall. Vědci z Geofyzikálního ústavu AV ČR ale událost očekávali a oblast i narůstající aktivitu sledovali déle než rok. Když se vulkán hluboko v podzemí probouzel k životu, přímo nad ním sbírala data síť seismických stanic, kterou provozuje Akademie věd ČR. Díky tomu čeští vědci podrobně popsali procesy, které nakonec vedly až k samotné erupci. Čím jsou tato data užitečná v našem středoevropském prostředí a proč se islandská a česká zemětřesení tak nápadně podobají?

Sopečnou aktivitou a zemětřeseními je Island pověstný. Přesto bychom si na poloostrově Reykjanes, seismicky nejaktivnější oblasti celého Islandu, na výbuch sopky počkali hodně dlouho. Dojde k němu totiž průměrně jednou za 800 až 1000 let. Ještě donedávna platilo, že naposledy tady vulkán vyvrhl žhavou lávu v roce 1240. Na vědce z Geofyzikálního ústavu AV ČR se však usmálo štěstí, nemuseli čekat ani oněch osm staletí. Dne 19. března 2021 před sedmou hodinou večerní vybuchla sopka Fagradalsfjall.

Nešlo ale o žádné velké překvapení. Náznaky, že pod zdánlivě klidným povrchem vulkánu dochází k dramatickým proměnám, odborníci pozorovali již celý rok. Zatímco se sopka postupně probouzela, přímo nad ní sbírala data síť seismických stanic, kterou provozují čeští geofyzici. Jako jedni z prvních tak o nevyhnutelné erupci věděli.V březnu roku 2021 vybuchla na poloostrově Reykjanes sopka Fagradalsfjall. Seismologové ale událost očekávali a oblast sledovali déle než rok. Díky tomu podrobně popsali procesy, které nakonec vedly až k samotné erupci.

Uprostřed měnící se krajiny
Poloostrov Reykjanes tvoří samotný jihozápadní cíp Islandu. Ačkoli je od hlavního města Reykjavíku vzdálený asi jen 30 kilometrů, jde o řídce osídlenou a pustou krajinu. Je to dáno především zdejší geodynamickou aktivitou. Poloostrov se totiž nachází na Středoatlantském hřbetu, který rozděluje Euroasijskou a Severoamerickou tektonickou desku. Právě zde hřbet poprvé vystupuje z hloubek oceánu na souš. Slabší zemětřesení jsou na denním pořádku a často je od sebe dělí pouze několik hodin bez otřesů. Vulkanická aktivita je mnohem vzácnější, ale i tak tvoří většinu krajiny zčernalá lávová pole a zbytky vyvržených hornin.

Vegetaci tady najdeme jen sporadicky. Zato geotermální projevy jako horké prameny, gejzíry a vývěry plynů jsou zcela běžné. Energii, která se ze zemských útrob dostává k povrchu v podobě přehřáté páry, využívají dvě geotermální elektrárny a také nedaleké luxusní lázně. Koupel v jezírcích s mineralizovanou vodou známých jako Modrá laguna si užívají turisté, kteří ani netuší, že se jedná o vedlejší produkt jedné z elektráren. Zemská kůra na Rykjanesu je již v relativně malých hloubkách dostatečně horká na to, aby se využívání geotermální energie vyplácelo. V některých oblastech už pouhé dva kilometry pod povrchem naměříme teplotu vyšší než 280 ˚C.

Pokud bychom šli dále na západ, pryč od turistických atrakcí a hlouběji do vulkanické scenérie, pravděpodobně bychom dřív nebo později narazili na nenápadnou technickou stavbu: ze země vystupující tyč, ukotvenou několika kovovými lanky. Podle fotovoltaického panelu a malé větrné elektrárny na vrcholku bychom asi neodhalili, k čemu slouží. Možná proto, že bychom účel hádali jen při pohledu na malou část celé aparatury. To nejdůležitější se skrývá pod zemí, v kontejneru upevněném na betonových pilířích. Je jím seismometr, který nepřetržitě snímá pohyby okolního terénu.

Jedna ze seismických stanic sítě REYKJANES, která pokrývá většinu zemětřesně aktivního poloostrova.

Podobných seismologických stanic bychom na poloostrově nalezli celkem patnáct. Společně tvoří lokální síť REYKJANET, která zaznamenává seismickou i vulkanickou aktivitu na ploše přibližně 60 × 20 kilometrů. V provozu je od roku 2013 a spravují ji odborníci z Geofyzikálního ústavu AV ČR spolu s vědci z Ústavu struktury a mechaniky hornin AV ČR. Samozřejmě, za pomoci islandských kolegů. Je jedinou seismickou sítí, kterou česká Akademie věd provozuje v zahraničí.

Když se země třese
Na našem území podobná síť, nazvaná WEBNET, funguje již déle než tři desetiletí. Slouží k výzkumu takzvaných zemětřesných rojů, série stovek slabších otřesů trvajících několik týdnů, které jsou typické pro západní Čechy. Opakovaně se v této krajině projevují s odstupem několika let, a tak má za sebou západočeská síť řadu úspěšných měření. Všech 25 stanic, které pokrývají většinu výskytů rojů mezi Chebem, Aší a Sokolovem, dnes optimálně funguje: stojí dál od zdrojů rušení, stranou lidské činnosti a do přesnosti kalibrace se promítla léta zkušeností. „Díky tomu jsou naše data ze západních Čech pro světovou seismologickou komunitu obzvláště cenná,“ doplňuje Jana Doubravová. Know-how, které odborníci získali z českého prostředí, tak mohli využít při stavbě sítě na Islandu.

Co je zemětřesný roj?
Zemětřesný roj je série po sobě rychle jdoucích zemětřesení, jejichž ohniska se shlukují blízko sebe. Vyskytují se hlavně ve vulkanicky aktivních nebo geotermálních oblastech. Na evropském kontinentu je seismologové detekují na Islandu, v Řecku a Itálii, ale také v západních Čechách. Pro roje je typické, že rozdíly v síle jednotlivých otřesů jsou podstatně menší než u klasických tektonických zemětřesení. To je dáno tím, že v jejich průběhu se nahromaděná deformační energie na tektonických zlomech uvolňuje postupně a vznikají tak desítky, až tisíce slabých zemětřesení. Silnější rojová zemětřesení často doprovázejí charakteristické dunivé zvuky a nejsilnější otřesy mohou způsobit menší škody na budovách. Za posledních 22 let došlo v západních Čechách k pětici silnějším rojům. Při tom posledním, v roce 2018, pocítili některé otřesy i lidé žijící na severu Prahy a v Liberci.

Proč vědce-našince vzdálený poloostrov Reykjanes zajímá? Protože tamější zemětřesení se chovají nápadně podobně jako ta, která už po desetiletí sledují u nás. Otřesy se zde objevují ve shlucích a trvají několik dnů, týdnů, někdy i měsíců; také se jedná o zemětřesné roje. Obě lokality přitom nemohou být více odlišné. Island leží v místě neustálých tektonických pohybů, naproti tomu Český masiv je stabilní a geologicky kompaktní. Měření seismické aktivity na Islandu tak může pomoci s vysvětlením mechanismu, proč zemětřesné roje vznikají i u nás v Čechách.

Ve svých začátcích však síť na Islandu nedosahovala úrovně české. Nedostatek přístrojů donutil vědce při jejím zařizování použít tři rozdílné typy seismometrů a celková naměřená data bylo obtížné složit dohromady. Stanice navíc nebyly připojené na internet a pro sběr dat se k nim museli výzkumníci každých několik měsíců vracet. V roce 2019 pro modernizaci sítě uvolnila prostředky Akademie věd. „Nové přístroje nám byly šité přímo na míru,“ připomíná Josef Horálek. „Bylo to čiré štěstí, protože tři čtvrtě roku na to začala ona mimořádně silná seismická aktivita, která po dalším roce vyústila až ve vulkanickou erupci.“ Některá starší zařízení by totiž byla pro tento typ signálů nevhodná, byla příliš citlivá a z jejich dat by se nedalo tolik vyčíst.

Relativní ticho před bouří
Neobvykle silná seismická aktivita na začátku roku 2020 proměnila poloostrov Reykjanes v senzaci. Postupně se sem sjížděli odborníci z různých koutů Evropy a mnozí s sebou přivezli vlastní přístrojové vybavení. Měřit začali i vědci z Univerzity v Cambridge. Jenže jejich seismometry byly také příliš citlivé, a tak velká část jimi získaných dat byla znehodnocená. Pozice našich vědců byla zcela unikátní. Již od počátku měli k dispozici fungující a dobře vybavenou síť, která vulkán ze všech směrů doslova obepínala. Sám Islandský meteorologický úřad, který je zodpovědný za monitorování seismicity na Islandu, na poloostrově provozuje jen pětici stanic, a to v jeho nejvzdálenějších koutech. Jsou součástí seismického varovného systému. Česká síť je tedy hustější a její měření přesnější, přestože jejím účelem není měřit vulkanickou činnost. Sílící otřesy však měly podobu zemětřesných rojů, k jejichž měření uzpůsobena byla.

Červený bod vyznačuje ohnisko vulkanické činnosti. Žluté štítky stanice seismické sítě v okolí.

Ohniska zemětřesení po poloostrově migrovala, a tak bylo zřejmé, že jejich zdrojem je magma přelévající se v hloubkách několika kilometrů pod povrchem. Vulkán si dával na čas a aktivita se stupňovala jen pozvolně. Přesto během jediného roku seismická síť zaznamenala více než 30 tisíc zemětřesení, nejsilnější v únoru 2021. Otřáslo se i hlavní město Reykjavík, naštěstí bez vážnějších škod. Povrch země se však na některých místech poloostrova zdvihnul či poklesl o dvanáct centimetrů. V pátek 19. března toho roku, pět kilometrů od nejvyššího výzdvihu, došlo k erupci.

Kdo si počká
Kvůli tehdy řádící pandemii a přísným karanténním opatřením bylo pro odborníky velmi obtížné se na území severského ostrova dostat. Na místo soptícího vulkánu se tak mohli vědci vypravit až o dalšího půl roku později v září. Ale i tehdy sopka v pravidelných intervalech stále prokazovala značnou aktivitu, a zatímco některé dny žádné viditelné erupce neprovázely, několik dalších dní chrlila lávu bez přestání. Čeští geofyzici museli dokonce své islandské kolegy požádat, aby jednu ze stanic přemístili, hrozilo, že ji proudící láva pohltí.

Jakmile však letadlo s českým týmem na palubě na Islandu konečně přistálo, sopka se zcela uklidnila. Na místě erupce zůstala jen černošedá zvlněná krajina s koryty, jimiž se ještě před nedávnem řítily potoky žhavé lávy a které zcela změnily ráz krajiny. Pozůstatky, jež se nahromadily v hlubokých údolích, ztuhly, ale stále ještě byly teplé.

Láva se pohybovala pomaleji a zprvu vytékala jen z několika míst. Proto mohli čeští vědci pořídit snímky lávového pole z bezprostřední blízkosti.

Vědci vulkán i jeho okolí po několik dalších dní sledovali, ale jedinou zaznamenanou seismickou aktivitou byly otřesy způsobené podupáváním kolegů, kteří se dali do údržby jedné ze stanic. Žádné z měření nenasvědčovalo, že by se vulkán ještě projevil. Zklamaní členové výpravy se chystali k odletu do Čech, když je uprostřed noci zastihla zpráva islandských kolegů: sopka se probouzí. Ještě za tmy se vědci vydali na cestu. Brzy se jim naskytla jedinečná podívaná, prýštící proudy a řeky tekoucí lávy ozařující okolní noc. I je samotné překvapilo, jak řídká a divoká láva při svém pohybu je, přestože na povrchu rychle tuhne. Druhý den, za husté mlhy, se k vulkánu vydali znova. „Unikátní na celé situaci bylo, že výlev byl pozvolný. Láva tekla sice rychle a tryskající gejzíry dosahovaly do výše stovky metrů, ale do ovzduší neunikaly žádné jedovaté plyny,“ vzpomíná Jana Doubravová s tím, že podobné poklidné erupce jsou vzácné. Přesto policie brzy oblast z bezpečnostních důvodů uzavřela. Kromě původního kráteru totiž začala láva prýštit i z několika puklin na úpatí kopce, celkem z asi deseti míst.

Pod povrchem
V sobotu 18. září 2021 přestala láva téct nadobro. Měření ze seismické sítě REYKJANET pak posloužila českým vědcům a zahraničním kolegům k vypracování řady studií popisujících mechaniku a procesy, jež erupci předcházely. Studie vědeckého týmu z Islandu, Německa, Itálie, Číny a České republiky, kterou otiskl prestižní časopis Nature Geoscience, se zaměřila na vysvětlení výzdvihů a poklesů zemského povrchu v širším okolí sopky.

Předpokládá se, že v hloubce kolem 15 až 20 kilometrů pod vulkánem se nachází masivní rezervoár magmatu. Během období trvajícího stovky let se z něj uvolňoval oxid uhličitý, který cestami v propustné hornině pronikal vzhůru, blíže k povrchu. Asi čtyři kilometry pod zemí pak narazil na ložiska geotermální vody, ve které se rozpouštěl. Výsledný nahromaděný tlak pak zvedl povrch země v místech, která jsou od lokality erupce často vzdálená i několik kilometrů. Snížením tlaku poklesl i zemský povrch a tento proces se několikrát opakoval.

Josef Horálek a Jana Doubravová tvoří srdce týmu, který se zabývá výzkumem zemětřesných rojů v Čechách a na Islandu.

Zásadní podobnost islandských zemětřesných rojů s těmi v západních Čechách tkví právě v tomto mechanismu. Podobně jako pustina poloostrova Reykjanes je i krajina západního cípu České republiky produktem vulkanické činnosti v minulosti. I zde tedy hraje důležitou roli oxid uhličitý. Ten se v hloubkách kolem 7 až 10 kilometrů mísí s přehřátou mineralizovanou vodou o teplotě až 300 ˚C. Tlak pak směs vytlačuje z hlubin Země systémem puklin k povrchu. Cestuje především po tektonických zlomech a snižuje jejich pevnost. Tím se postupně uvolňuje tektonické napětí nahromaděné na zlomech a vznikají zemětřesné roje.

Zpátky k páře
Zemětřesné roje na našem území, jakkoli působí menší škody, mají hned dvě pozitiva. Zaprvé, uvolňují hromadící se energii postupně v sérii slabých otřesů a mají tak menší negativní dopady na životy obyvatel. Za druhé, poukazují na fakt, že i u nás se vyskytují geotermální zdroje. Ostatně spolupráce Geofyzikálního ústavu AV ČR s islandskými vědci je založena na projektu Technologické agentury ČR nazvaném Přirozená seismicita jako nástroj pro vyhledávání zdrojů geotermální energie, který je financován z prostředků Evropské hospodářské pomoci. Island už elektřinu z turbín poháněných párou z útrob Země využívá, v západních Čechách jsou však tyto zdroje příliš hluboko na to, aby se vyplatily. Data z islandské erupce a modely na nich založené nám však tyto zdroje pomyslně přibližují. Prozatím jsou cenné především pro vědeckou komunitu. „Je to vůbec poprvé, co máme k dispozici taková měření. Jsou unikátní nejen v českém, ale minimálně i evropském měřítku,“ říká Josef Horálek.

V budoucnosti díky nim může probublat na povrch nejedna příležitost. Podobně jako další náhlá zemětřesná aktivita na poloostrově Reykjanes, která předznamenává, že se sopka Fagradalsfjall v průběhu psaní tohoto článku opět probouzí k životu.

Ing. Jana Doubravová, Ph.D.
V seismickém oddělení Geofyzikálního ústavu AV ČR pracuje od roku 2010. Je odbornicí na zpracování naměřených dat a detekci seismických jevů pomocí automatických algoritmů. Věnuje se také lokalizaci ohnisek zemětřesných rojů. Podílí se na údržbě a vyhodnocování výsledků ze sítí WEBNET a REYKJANET. Svou disciplínu popularizuje v tisku i dalších médiích a spravuje Seismickou expozici v Geofyzikálním muzeu ve Skalné.

Ing. Josef Horálek, CSc.
Vede tým zkoumající zemětřesné roje a lokální seismicitu. Založil výzkumný program pro monitorování seismicity pomocí sítě WEBNET na Chebsku a Kraslicku a sítě REYKJANET na Islandu. Zabývá se pokročilými metodami zpracování a vyhodnocování dat, zdrojovými a spouštěcími mechanismy zemětřesných rojů a mikrozemětřesnými aktivitami. V Geofyzikálním ústavu AV ČR pracuje od roku 1972. Je autorem či spoluautorem více než padesáti vědeckých publikací převážně věnovaných problematice zemětřesných rojů.

Text je převzatý z časopisu A / Věda a výzkum, který vydává Akademie věd ČR.

Výtisky zasíláme zdarma všem zájemcům. Kontaktovat nás můžete na adrese predplatne@ssc.cas.cz.

3/2022 (verze k listování)
3/2022 (verze ke stažení)