Τα δίκτυα φυσικο-χημικής παρακολούθησης των ηφαιστείων της Σαντορίνης

Το Ινστιτούτο Μελέτης και Παρακολούθησης του Ηφαιστείου της Σαντορίνης (ΙΜΠΗΣ), λειτουργώντας συνεχώς από το 1995, έχει κατορθώσει να εξασφαλίσει τη συνεχή λειτουργία του Ηφαιστειολογικού Παρατηρητηρίου της Σαντορίνης και των δικτύων παρακολούθησης των ηφαιστείων της (σεισμολογικό, γεωδαιτικό, οργάνων για γεωφυσικές και χημικές μετρήσεις) τα οποία εγκαταστάθηκαν και λειτουργούν στην περιοχή από τότε μέχρι σήμερα, με συνεχείς βελτιώσεις και συμπληρώσεις. Μέσω όλων των ήδη εγκατεστημένων δικτύων, η Σαντορίνη παρακολουθείται με ένα αξιόπιστο σύστημα για την έγκαιρη ενημέρωση σε περίπτωση μιας πιθανής νέας επαναδραστηριοποίησης του ηφαιστείου αντίστοιχης αυτής του 2011-2012, αλλά και τη διάψευση αναίτιων συναγερμών και φημολογιών για το ηφαίστειο, που θα μπορούσαν να έχουν πολύ δυσμενείς επιπτώσεις στην κοινωνία και τον τουρισμό της Σαντορίνης.

Συζητάμε με τον Δρ Γιώργη Βουγιουκαλάκη, Πρόεδρο του ΙΜΠΗΣ και συντονιστή των δικτύων φυσικο-χημικής παρακολούθησης, επιδιώκοντας να υπάρξει μια πλήρης και τεκμηριωμένη ενημέρωση για αυτό το πεδίο και τις μεθόδους παρακολούθησης, που δεν έχουν ίσως μέχρι σήμερα συζητηθεί εκτενώς και κατανοηθεί πλήρως.

Κύριε Βουγιουκαλάκη, να ξεκινήσουμε με μια σύντομη αναφορά στον ρόλο και τη σπουδαιότητα αυτών των δικτύων στην ανίχνευση και εκτίμηση των πρόδρομων φαινομένων πιθανής ηφαιστειακής ανησυχίας;

Για να έχουμε τη δυνατότητα να ανιχνεύσουμε και να εκτιμήσουμε μια ηφαιστειακή διέγερση, μια κατάσταση ανησυχίας που οφείλεται στην κίνηση τηγμένου πετρώματος, επιβάλλεται να διαθέτουμε ένα πλήρες και πολύ-παραμετρικό δίκτυο παρακολούθησης.

Τρία είναι τα δίκτυα που μας επιτρέπουν να εκτιμήσουμε μια ηφαιστειακή διέγερση: το σεισμολογικό, το γεωδαιτικό, και το φυσικο-χημικό. Εάν δεν τα διαθέτουμε όλα, σε πλήρη λειτουργία και σωστή διάταξη, δεν μπορούμε να εκτιμήσουμε με ασφάλεια οποιοδήποτε φαινόμενο που θα μπορούσε να οφείλεται σε κινήσεις του μάγματος κάτω από το ηφαίστειο. Συμβαίνει πολλές φορές να καταγράφεται μόνο σεισμική διέγερση, μόνο τοπογραφικές μεταβολές του ανάγλυφου, ή μόνο φυσικο-χημικές αλλαγές, που όμως κατά κανόνα δεν οφείλονται και δε συνιστούν ηφαιστειακή διέγερση. Μόνο όταν συνδυάζονται και συνεκτιμώνται τα τρία φαινόμενα, μπορούμε να καταλήξουμε σε σαφή διαπίστωση για το εν εξελίξει γεγονός. Είναι επίσης τεκμηριωμένο το γεγονός ότι μια ηφαιστειακή διέγερση είναι πιθανό να καταγραφεί νωρίτερα από ένα των τριών δικτύων και στη συνέχεια να ακολουθήσουν οι ενδείξεις των υπόλοιπων. Αυτό συνέβη και εδώ στη διέγερση του 2011-2012, όπου οι πρώτες ενδείξεις καταγράφηκαν από τα δίκτυα φυσικο-χημικής παρακολούθησης, με αύξηση των θερμοκρασιών των θερμών πηγών του Αγίου Νικολάου στην Παλαιά Καμένη.

Να πάμε στη δεύτερη ερώτηση… Τι ακριβώς παρακολουθούν τα δίκτυα αυτά και γιατί;

Από τα βασικά και ουσιώδη πρόδρομα φαινόμενα διαφοροποίησης της κατάστασης ηρεμίας ενός ενεργού ηφαιστείου είναι οι μεταβολές στη θερμική κατάσταση του χώρου (αύξηση θερμοκρασιών και θερμικής ροής) και στη χημική και ισοτοπική σύσταση των θερμών ρευστών (υγρών και αερίων) που εκλύονται στην περιοχή του.

Η θερμοκρασία είναι μία από τις φυσικές παραμέτρους που αυξάνονται χαρακτηριστικά σε περίπτωση εκδήλωσης διέγερσης του ηφαιστείου. Η παρακολούθηση των μεταβολών της θερμοκρασίας αποτελεί για αυτό βασικό και αναγκαίο συστατικό ενός ολοκληρωμένου δικτύου παρακολούθησης.

Στη Σαντορίνη η θερμική παρακολούθηση γίνεται με:

– Συνεχή καταγραφή της μέγιστης θερμοκρασίας ατμίδας, στο πεδίο ατμίδων της κορυφής της Νέας Καμένης, από ψηφιακό καταγραφικό το οποίο καταγράφει τις τιμές της θερμοκρασίας κάθε μισή ώρα. Τα δεδομένα αποθηκεύονται στη μνήμη της συσκευής και από εκεί μεταφέρονται σε Η/Υ ανά τρίμηνο ή εξάμηνο, όταν η ομάδα εργασίας επισκέπτεται τη Νέα Καμένη. Η μέγιστη θερμοκρασία που καταγράφεται εδώ είναι 95,6°C, ενώ μικρές διακυμάνσεις της προς χαμηλότερες τιμές ερμηνεύονται ως επιρροή των ατμοσφαιρικών και καιρικών μεταβολών (Σχήμα 1).

– Συνεχή καταγραφή και μετάδοση σε σχεδόν πραγματικό χρόνο μέσω κινητής τηλεφωνίας, της μέγιστης θερμοκρασίας ατμίδας καθώς και της θερμοκρασίας εδάφους σε τρία σημεία του ίδιου χώρου από τον σταθμό που εγκαταστάθηκε τον Μάιο του 2015 και αναβαθμίστηκε το 2021 (Σχήμα 2).

– Περιοδική θερμομέτρηση όλων των “θερμών σημείων” της Σαντορίνης. Σε εξαμηνιαία ή ετήσια βάση θερμομετρούνται οι θερμές πηγές στη Νέα Καμένη (όρμος Αγίου Γεωργίου), στην Παλαιά Καμένη (όρμος Αγίου Νικολάου) και στην Πλάκα της Θήρας. Oι τιμές που έχουν καταγραφεί κατά τα έτη 2022-2023 παρουσιάζονται ίδιες με αυτές των προηγούμενων ετών. Μετράται επίσης σε ετήσια βάση η θερμοκρασία του θερμού υδροφόρου που έχει εντοπιστεί από τη γεωθερμική γεώτρηση S2 του ΙΓΜΕ, στην περιοχή της νότιας Θήρας (Αγία Άννα). Εδώ καταγράφεται και η στάθμη της γεώτρησης.

– Περιοδικός έλεγχος, σε εξαμηνιαία ή ετήσια βάση της θερμικής κατάστασης του χώρου του πεδίου των ατμίδων στην κορυφή της Νέας Καμένης, καθώς και της θερμοκρασίας και του ρυθμού εκροής των θερμών ρευστών στους όρμους του Αγίου Γεωργίου της Νέας Καμένης και του Αγίου Νικολάου της Παλαιάς Καμένης. Αυτό επιτυγχάνεται με τη λήψη ψηφιακών εικόνων υψηλής ευκρίνειας και βίντεο από κάμερα υπέρυθρων. Στα Σχήματα 3 έως 5 προβάλλονται οι λήψεις του Σεπτεμβρίου του 2023 για την περιοχή του πεδίου των ατμίδων της Νέας Καμένης και του Νοεμβρίου του 2023 για τις θερμές εκροές στον όρμο του Αγ. Νικολάου στην Παλαιά Καμένη.

– Περιοδική καταγραφή της θερμοκρασίας εδάφους σε 104 σημεία, κατανεμημένα σε κάναβο με βρόγχο πλευράς 20 μέτρων, στην κορυφή της Νέας Καμένης. Πρόκειται για τα ίδια σημεία όπου μετράται και η παθητική ροή του CO2 από το έδαφος (Σχήμα 6).

Η παρακολούθηση της θερμοκρασίας θερμών ρευστών και εδάφους προκύπτει ως αυτονόητο μέγεθος που θα αλλάξει αν κάτι θερμό ξεκινήσει να ανεβαίνει. Οι αλλαγές στη χημική σύσταση των ρευστών πως προκύπτουν;

Στην περίπτωση εκδήλωσης διέγερσης του ηφαιστείου, οι αέριες φάσεις που περιέχονται στο μάγμα ανέρχονται ταχύτερα από αυτό στην επιφάνεια του εδάφους, μεταβάλλοντας συχνά δραματικά τη χημική σύσταση των θερμών ρευστών στις ατμίδες, τις θερμές πηγές και στο έδαφος.

Ένα από τα αέρια που παρουσιάζει σοβαρές πρόδρομες ποσοτικές διακυμάνσεις σε τέτοιες περιπτώσεις είναι το διοξείδιο του άνθρακα (CO2). Η παρακολούθηση των τιμών του στη Σαντορίνη γίνεται με τους παρακάτω τρόπους:

Στη Νέα Καμένη, σε μια επιλεγμένη θέση όπου υπάρχει έντονη διάχυση αερίων από το έδαφος, είχε εγκατασταθεί από το ΙΜΠΗΣ, από το 1995, ειδικός σταθμός αυτόματης μέτρησης της φυσικής παθητικής ροής του CO2 και μετάδοσης κάθε μια ώρα των καταγραφών με ραδιοζεύξη, στο Ηφαιστειολογικό Παρατηρητήριο στο Φηροστεφάνι. Παράλληλα μετρούνται, καταγράφονται και μεταδίδονται η θερμοκρασία εδάφους στη θέση του σταθμού, η υγρασία στο έδαφος, η θερμοκρασία του αέρα και η βαρομετρική πίεση, στοιχεία απαραίτητα για να εκτιμηθούν και αναχθούν οι τιμές ροής του CO2 που καταγράφει ο σταθμός.

Ο σταθμός αυτός στα επόμενα χρόνια αναβαθμίστηκε και μετακινήθηκε σε νέα θέση, όπου λειτούργησε κανονικά έως το 2020. Στη συνέχεια όμως παρουσίασε προβλήματα επικοινωνίας αποτέλεσμα των οποίων ήταν να υπάρχουν σήμερα διαθέσιμες οι μετρήσεις έως και τον Οκτώβριο του 2020. Η διακύμανση των τιμών που καταγράφηκαν αυτή την περίοδο είναι από 12 έως 229 ppm/s, με μέση τιμή τα 94 ppm/s, τιμές που εκτιμιούνται ως το φάσμα διακύμανσης της κατάστασης ηρεμίας του ηφαιστείου.

Στο Σχήμα 7 προβάλλονται οι καταγραφές του σταθμού ενδεικτικά για τον Σεπτέμβριο του 2020. Παράλληλα προβάλλονται και οι καταγεγραμμένες διακυμάνσεις της ατμοσφαιρικής πίεσης και της υγρασίας του εδάφους στη συγκεκριμένη θέση, καθώς τα μεγέθη αυτά επηρεάζουν τη διακύμανση της ροής του διοξειδίου.

Στο Σχήμα 8 προβάλλεται η καταγραφή της θερμοκρασίας του εδάφους από τον ίδιο σταθμό. Στη συνέχεια έγινε δυνατό να αποκατασταθεί η ζεύξη με το σταθμό, παρουσιάστηκαν όμως προβλήματα στη λειτουργία των αισθητήρων μέτρησης του CO2, και το όργανο μέτρησης στάλθηκε στην εταιρία που το κατασκευάζει στην Ιταλία για επισκευή. Το όργανο επανήλθε λειτουργικό τον Ιανουάριο του 2022 και στάλθηκε ξανά στην Ιταλία για επανέλεγχο και ρύθμιση. Μετά από νέα βλάβη έχει παροπλιστεί, αναμένοντας τη χρηματοδότηση του ΙΜΠΗΣ ώστε να αποσταλεί και να επαναλειτουργήσει.

Σε ετήσια ή εξαμηνιαία βάση, εκτελούνται περιοδικές μετρήσεις της παθητικής εκροής του CO2 από το έδαφος σε τρεις περιοχές:

Στην κορυφή της Νέας Καμένης, όπου καταγράφεται και η μέγιστη εκροή στο χώρο της Σαντορίνης. Εδώ έχουν οριστεί 104 σημεία, κατανεμημένα σε κάναβο με βρόγχο πλευράς 20 μέτρων, τα οποία επαναμετρούνται σε εξαμηνιαία η ετήσια βάση (Σχήμα 6). Στις εικόνες του Σχήματος 9 προβάλλονται οι χάρτες ροής του CO2 τεσσάρων περιόδων μέτρησης, του 2015, 2018, 2019 και 2021. Με βάση αυτές τις μετρήσεις έχει οριστεί ένα φάσμα διακύμανσης των τιμών σε κατάσταση ηρεμίας, μεταξύ 90 και 700 γραμμομορίων ανά τετραγωνικό μέτρο ανά ημέρα. Εκφράζοντας αυτές τις τιμές σε τόνους CO2 ανά ημέρα, στο μετρούμενο χώρο εκλύονται κατά μέσο όρο 7.557 τόνοι διοξειδίου του άνθρακα ανά ημέρα, τιμές που μπορούν να αυξηθούν στους 9.764 ή να μειωθούν στους 6.616 τόνους ανά ημέρα.

Σε ετήσια ή εξαμηνιαία βάση, εκτελούνται επίσης περιοδικές μετρήσεις της παθητικής εκροής του CO2 από το έδαφος σε δύο περιοχές της Θήρας όπου τέμνονται από τις ενεργές ηφαιστειο-τεκτονικές γραμμές της Καμένης και του Κουλούμπου. Μετράται επίσης η συγκέντρωση Ραδονίου (βραχύβιο ραδιενεργό αέριο, δείκτης ενεργότητας ηφαιστειο-τεκτονικών δομών). Οι τιμές που καταγράφονται σε αυτές τις περιοχές δεν έχουν ποτέ μέχρι σήμερα υπερβεί τις φυσιολογικές τιμές εκροής και είναι ίδιες με τον υπόλοιπο χώρο της Θήρας.

Σε ετήσια ή εξαμηνιαία βάση, εκτελούνται δειγματοληψίες και στη συνέχεια πλήρεις χημικές αναλύσεις στοιχείων και ισοτόπων, των θερμών ρευστών που εκρέουν α) στις ατμίδες της Νέας Καμένης, β) στις θερμές πηγές Αγίου Γεωργίου (Νέα Καμένη) και Αγίου Νικολάου (Παλαιά Καμένη). Οι τιμές που προέκυψαν για το 2022 και 2023 βρίσκονται μέσα στα όρια διακύμανσης που έχουν οριστεί ως κατάσταση ηρεμίας του χώρου. Στην εικόνα του Σχήματος 10 προβάλλονται οι διακυμάνσεις των δύο πλέον χαρακτηριστικών αερίων – δεικτών κατάστασης του ηφαιστείου, του CO2 και του H2 από το 2010 έως και το 2023.

Οι παραπάνω μετρήσεις και αναλύσεις πραγματοποιούνται σε συνεργασία με την ΕΑΓΜΕ και το Τμήμα Επιστημών της Γης του Πανεπιστημίου της Φλωρεντίας, με την ομάδα του Καθ. Orlando Vaselli.

Αυτές τις ημέρες πραγματοποιήσαμε, σε συνεργασία με το συνάδελφο Vaselli, την ετήσια δειγματοληψία για τις ατμίδες και τις απαραίτητες εργασίες συντήρησης του σταθμού θερμικής παρακολούθησης στη Νέα Καμένη. Για να έχετε μια εικόνα και από τη διαδικασία των δειγματοληψιών, η οποία είναι ιδιαίτερα απαιτητική και χρειάζεται μεγάλη εμπειρία, ειδικό εξοπλισμό και γνώση, παραθέτω τις φωτογραφίες από τη φετινή δειγματοληψία σε Νέα και Παλαιά Καμένη. (Εικόνες 11-13)

Από όλες αυτές τις μετρήσεις, αναλύσεις και στοιχεία, τι συμπεράσματα συνάγονται;

Το βασικό συμπέρασμα από όλα τα παραπάνω είναι ότι οι υψηλές τιμές έκκλησης CO2 και Η2 που καταγράφηκαν στην περίοδο 2011-2012 έχουν επανέλθει από το 2013 και διατηρούνται έως και σήμερα σε επίπεδα κατάστασης ηρεμίας. Η θερμική κατάσταση του ηφαιστείου παρουσιάζει επίσης την ίδια σταθερή εικόνα ηρεμίας.

Όλα όσα μας είπατε μέχρι τώρα αφορούν την παρακολούθηση του ενός ενεργού ηφαιστειακού κέντρου μας. Με το άλλο, το Κουλούμπο τι κάνουμε;

Καλή ερώτηση. Το Κουλούμπο, όντας υποθαλάσσιο και με τις θερμές εκδηλώσεις του να εκδηλώνονται σε βάθος 500 μέτρων, είναι πολύ δύσκολο να το παρακολουθήσουμε με την πληρότητα και την πυκνότητα το δικτύου των Καμμένων. Το κόστος μιας μόνο αποστολής στο Κουλούμπο αγγίζει το ύψος του συνολικού προϋπολογισμού του ΙΜΠΗΣ για όλα τα δίκτυα παρακολούθησης. Η παρακολούθηση φυσικο-χημικών παραμέτρων σε πραγματικό χρόνο εκεί είναι ανέφικτη και τεχνικά, ενώ και η εγκατάσταση σταθμών ψηφιακής καταγραφής που θα ανακτώνται περιοδικά είναι επίσης σχεδόν ανέφικτη λόγω κόστους.

Για τους λόγους αυτούς σήμερα αρκούμαστε στη σεισμική μόνο παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο, ενώ συλλέγουμε στοιχεία για τη φυσικο-χημική κατάσταση κάθε φορά που είναι δυνατό να εκτελεστεί εκεί ωκεανογραφική έρευνα, πραγματοποιώντας δειγματοληψίες τόσο των ρευστών που εκλύονται όσο και των αποθέσεων τους στις καμινάδες που δημιουργούν εκεί. Η καλύτερη εξέλιξη θα ήταν η εξασφάλιση ενός ποσού που θα μας επέτρεπε να γίνεται μια περιοδική δειγματοληψία ετησίως, ώστε να διαμορφώνουμε σαφή εικόνα και για τα φυσικο-χημικά μεγέθη.

Ποια είναι τα σχέδια και οι στόχοι για το δίκτυο φυσικοχημικής παρακολούθησης. Θεωρείται ότι το σημερινό δίκτυο καλύπτει τις ανάγκες της παρακολούθησης της Σαντορίνης ή απαιτείται επιπλέον εξοπλισμός και σταθμοί;

Σε ό,τι αφορά στις Καμένες, το σημερινό δίκτυο είναι ικανοποιητικό. Για να το κάνουμε πλήρες, σχεδιάζουμε να εγκαταστήσουμε ακόμα δύο σταθμούς θερμικής παρακολούθησης σε πραγματικό χρόνο στις θερμές πηγές του Αγίου Νικολάου της Παλαιάς Καμένης και του Αγίου Γεωργίου της Νέας Καμένης. Πρέπει βέβαια το ταχύτερο δυνατό να αποκατασταθεί και η λειτουργία του σταθμού μέτρησης της ροής του διοξειδίου στην κορυφή της Νέας Καμένης.

Σε ότι αφορά το Κουλούμπο, προσπαθούμε και ελπίζουμε να εξασφαλιστεί πάγια χρηματοδότηση για ένα πλόα ανά έτος όπου θα συλλέγονται τα απαραίτητα φυσικο-χημικά δεδομένα και θα γίνονται επίσης γενικότερες παρατηρήσεις και μετρήσεις και για το τοπογραφικό ανάγλυφο του πυθμένα.

Προϋπόθεση βέβαια για τη μελλοντική ομαλή λειτουργία και την επέκταση των δικτύων φυσικο-χημικής παρακολούθησης είναι να συνεχίσει η υποστήριξή τους από την ΕΑΓΜΕ, η οποία έχει εξασφαλιστεί μέσω του μνημονίου συνεργασίας που βρίσκεται σε ισχύ, από τους Ιταλούς συναδέλφους που προσφέρουν ανιδιοτελώς τη μοναδική και πολύτιμη εμπειρία και τα εξειδικευμένα εργαστήρια αναλύσεων, καθώς και από τον Δήμο Θήρας και τη ΓΕΩΘΗΡΑ ΜΑΕ, που χρηματοδοτούν το ΙΜΠΗΣ και προσφέρουν την απαραίτητη υποστήριξη στο πεδίο με τη μεταφορά των επιστημονικών ομάδων στη Νέα και Παλαιά Καμένη όποτε ζητηθεί (Εικόνα 14).