توثيق فوهات البراكين: دليل شامل

تعتبر فوهات البراكين سمات جيولوجية ديناميكية ورائعة، توفر رؤى قيمة حول النشاط البركاني، وعمليات الأرض، والمخاطر المحتملة. يعد التوثيق الدقيق والشامل لهذه السمات أمرًا بالغ الأهمية لمختلف التخصصات العلمية، بما في ذلك علم البراكين والجيولوجيا والعلوم البيئية وتقييم المخاطر. يقدم هذا الدليل نظرة عامة مفصلة عن توثيق فوهات البراكين، ويشمل المنهجيات والتقنيات وأفضل الممارسات للباحثين والعلماء والمتحمسين في جميع أنحاء العالم.

لماذا نوثق فوهات البراكين؟

يخدم توثيق فوهات البراكين أغراضًا حاسمة متعددة:

• مراقبة النشاط البركاني: يمكن أن تشير التغييرات في شكل الفوهة وحجمها ودرجة حرارتها وانبعاثات الغازات إلى تحولات في النشاط البركاني، مما قد يؤدي إلى ثورات.
• فهم العمليات البركانية: توفر ميزات الفوهة أدلة حول أنماط الثوران وتكوين الصهارة وعمليات إزالة الغازات.
• تقييم المخاطر: يعد توثيق حجم الفوهة وعمقها ووجود سمات يحتمل أن تكون غير مستقرة أمرًا ضروريًا لتقييم المخاطر والتخفيف من حدتها.
• إنشاء بيانات أساسية: يوفر التوثيق التفصيلي خط أساس للدراسات والمقارنات المستقبلية، مما يسمح للعلماء بتتبع التغييرات بمرور الوقت.
• رسم الخرائط الجيولوجية: تعتبر ميزات الفوهة عناصر مهمة في الخرائط الجيولوجية، مما يوفر سياقًا لفهم المشهد البركاني الأوسع.
• التثقيف والتوعية: يمكن استخدام التوثيق الدقيق والجذاب بصريًا للأغراض التعليمية، وزيادة الوعي العام حول البراكين وتأثيرها.

طرق توثيق فوهات البراكين

يمكن استخدام عدة طرق لتوثيق فوهات البراكين، ولكل منها مزاياها وقيودها. يعتمد اختيار الطريقة على عوامل مثل إمكانية الوصول والميزانية ومستوى التفاصيل المطلوب والأسئلة البحثية المحددة التي تتم معالجتها.

1. تقنيات الاستشعار عن بعد

تتضمن تقنيات الاستشعار عن بعد الحصول على البيانات من مسافة بعيدة، عادةً باستخدام الأقمار الصناعية أو الطائرات أو الطائرات بدون طيار. هذه الطرق مفيدة بشكل خاص لتوثيق الفوهات الكبيرة أو التي لا يمكن الوصول إليها، وكذلك لمراقبة التغييرات بمرور الوقت.

أ. صور الأقمار الصناعية

توفر صور الأقمار الصناعية، مثل البيانات من Landsat و Sentinel و ASTER، معلومات قيمة حول شكل الفوهة والشذوذات الحرارية والغطاء النباتي. يمكن استخدام هذه البيانات لإنشاء خرائط طبوغرافية واكتشاف التغييرات في حجم وشكل الفوهة ومراقبة الاختلافات في درجة حرارة السطح. على سبيل المثال، تم استخدام صور Landsat لتتبع نمو قبة الحمم البركانية في فوهة جبل سانت هيلينز منذ ثورانها عام 1980، ويمكن لقدرات الرادار Sentinel-1 اختراق الغيوم، مما يوفر بيانات أساسية حتى في المناطق التي بها غطاء سحابي متكرر، مثل براكين إندونيسيا.

ب. التصوير الجوي

يوفر التصوير الجوي، الذي يتم الحصول عليه من الطائرات أو الطائرات بدون طيار، بيانات عالية الدقة أكثر من صور الأقمار الصناعية. يمكن استخدام هذه البيانات لإنشاء صور فسيفسائية متعامدة مفصلة ونماذج ارتفاع رقمية (DEMs) للفوهة، مما يسمح بإجراء قياسات دقيقة لأبعاد وأحجام الفوهة. على سبيل المثال، تم استخدام الطائرات بدون طيار المجهزة بكاميرات عالية الدقة لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد مفصلة لفوهات بركان فيلاريكا في تشيلي، مما مكن الباحثين من دراسة ديناميكيات بحيرة الحمم البركانية. ضع في اعتبارك اللوائح المحيطة باستخدام الطائرات بدون طيار والتي تختلف اختلافًا كبيرًا من بلد إلى آخر. قد يكون لبعض المناطق، مثل المناطق القريبة من المطارات أو المتنزهات الوطنية، قيود صارمة أو تتطلب تصاريح لتشغيل الطائرات بدون طيار.

ج. التصوير الحراري

يمكن للتصوير الحراري، باستخدام كاميرات تعمل بالأشعة تحت الحمراء على الأقمار الصناعية أو الطائرات أو الطائرات بدون طيار، اكتشاف الشذوذات الحرارية داخل الفوهة، مما يشير إلى مناطق النشاط البركاني النشط أو النشاط الحراري المائي. يمكن استخدام التغييرات في الأنماط الحرارية لمراقبة النشاط البركاني وتقييم المخاطر المحتملة. على سبيل المثال، تم استخدام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء لمراقبة بحيرة الحمم البركانية الدائمة في فوهة بركان نيراجونجو في جمهورية الكونغو الديمقراطية، مما يساعد على تقييم المخاطر التي تشكلها ثوراته المتكررة. يتطلب استخدام البيانات الحرارية بفعالية معايرة دقيقة وتصحيحًا للغلاف الجوي لضمان قياسات دقيقة لدرجة الحرارة.

د. LiDAR (اكتشاف الضوء والمدى)

يستخدم LiDAR نبضات الليزر لقياس المسافات إلى السطح، وإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد عالية الدقة للفوهة. يمكن استخدام بيانات LiDAR لإنشاء خرائط طبوغرافية مفصلة وقياس عمق وحجم الفوهة واكتشاف التغييرات الطفيفة في شكل الفوهة. تم استخدام مسوحات LiDAR المحمولة جوًا لدراسة التضاريس المعقدة لبحيرة فوهة جبل روايبهو في نيوزيلندا، مما يساعد على فهم نظامها الحراري المائي واحتمال حدوث ثورات فجائية. يمكن أن تكون تكلفة معدات LiDAR ومعالجتها كبيرة، وتتطلب خبرة وبرامج متخصصة.

هـ. InSAR (رادار الفتحة التركيبية التداخلي)

يستخدم InSAR بيانات الرادار من الأقمار الصناعية لقياس تشوه الأرض، بما في ذلك التغييرات في ارتفاع الفوهة. يمكن لـ InSAR اكتشاف الحركات الطفيفة لأرضية الفوهة أو الجدران، مما يشير إلى تسرب الصهارة أو العمليات البركانية الأخرى. على سبيل المثال، تم استخدام InSAR للكشف عن تشوه الأرض المرتبط بتراكم الصهارة تحت كالديرا منتزه يلوستون الوطني في الولايات المتحدة. يمكن أن يكون تفسير بيانات InSAR معقدًا، ويتطلب معرفة متخصصة بالتداخل الراداري والعمليات الجيولوجية.

2. تقنيات المسح في الموقع

تتضمن تقنيات المسح في الموقع إجراء قياسات وملاحظات مباشرة داخل الفوهة. توفر هذه الطرق المعلومات الأكثر تفصيلاً ودقة حول ميزات الفوهة، ولكنها قد تكون أيضًا صعبة وخطيرة بسبب المخاطر البركانية.

أ. مسح GPS

يستخدم مسح GPS (النظام العالمي لتحديد المواقع) أجهزة استقبال GPS لتحديد إحداثيات النقاط داخل الفوهة بدقة. يمكن استخدام بيانات GPS لإنشاء خرائط طبوغرافية وقياس أبعاد الفوهة ومراقبة التغييرات في شكل الفوهة. تم استخدام مسوحات GPS عالية الدقة لتتبع تشوه أرضية فوهة بركان كيلوايا في هاواي، مما يوفر رؤى حول ديناميكيات بحيرة الحمم البركانية. يمكن تقييد الوصول إلى الفوهة بسبب النشاط البركاني أو مخاوف تتعلق بالسلامة، مما يحد من إمكانية تطبيق مسح GPS في بعض الحالات. غالبًا ما يتم استخدام GPS الحركي في الوقت الفعلي (RTK) للحصول على دقة أعلى.

ب. المسح بالمحطة المتكاملة

يستخدم المسح بالمحطة المتكاملة أداة محطة متكاملة لقياس المسافات والزوايا إلى النقاط داخل الفوهة. يمكن استخدام بيانات المحطة المتكاملة لإنشاء خرائط طبوغرافية مفصلة وقياس أبعاد الفوهة ومراقبة التغييرات في شكل الفوهة. تم استخدام مسوحات المحطة المتكاملة لإنشاء خرائط مفصلة لفوهة قمة جبل إتنا في إيطاليا، مما يوفر معلومات قيمة حول نشاطه الثائر. تتطلب المحطات المتكاملة خط رؤية واضحًا بين الأداة والنقاط المستهدفة، وهو ما قد يكون صعبًا في التضاريس شديدة الانحدار أو المغطاة بالنباتات.

ج. رسم الخرائط الجيولوجية

يتضمن رسم الخرائط الجيولوجية تحديد ورسم خرائط لأنواع الصخور المختلفة والرواسب البركانية والميزات الهيكلية داخل الفوهة. توفر الخرائط الجيولوجية معلومات قيمة حول تاريخ وتطور البركان. ساعد رسم الخرائط الجيولوجية التفصيلية لفوهة جبل أونزن في اليابان على فهم العمليات التي أدت إلى تدفقاته البركانية المدمرة في أوائل التسعينيات. يتطلب رسم الخرائط الجيولوجية خبرة في علم البراكين وعلم الصخور والجيولوجيا الهيكلية.

د. أخذ عينات الغاز وتحليله

يتضمن أخذ عينات الغاز وتحليله جمع عينات غاز من الفومارول أو الفتحات داخل الفوهة وتحليل تركيبها الكيميائي. يمكن أن توفر بيانات الغاز رؤى حول مصدر وتكوين الصهارة، بالإضافة إلى عمليات إزالة الغازات. ساعد أخذ عينات الغاز وتحليله بانتظام في فوهة قمة بركان بوبوكاتيبتيل في المكسيك على مراقبة نشاطه وتقييم احتمال حدوث ثورات. يمكن أن يكون أخذ عينات الغاز أمرًا خطيرًا بسبب وجود غازات سامة مثل ثاني أكسيد الكبريت وكبريتيد الهيدروجين.

هـ. القياسات الحرارية

تتضمن القياسات الحرارية استخدام موازين الحرارة أو الكاميرات الحرارية أو الأدوات الأخرى لقياس درجة حرارة الفومارول أو الينابيع الساخنة أو الميزات الحرارية الأخرى داخل الفوهة. يمكن أن توفر البيانات الحرارية معلومات حول تدفق الحرارة من البركان وكثافة النشاط الحراري المائي. ساعدت مراقبة درجة حرارة الفومارول في فوهة بركان وايت آيلاند في نيوزيلندا على تتبع التغييرات في نظامه الحراري المائي. يمكن أن يكون الوصول إلى الميزات الحرارية خطيرًا بسبب ارتفاع درجات الحرارة ووجود أرض غير مستقرة.

و. الملاحظات البصرية والتصوير

تعتبر الملاحظات البصرية والتصوير الفوتوغرافي من المكونات الأساسية لتوثيق فوهات البراكين. يمكن أن تلتقط الملاحظات والصور التفصيلية ميزات وتغييرات مهمة قد لا تكون واضحة من أنواع البيانات الأخرى. على سبيل المثال، يمكن أن يوفر توثيق لون وملمس وكثافة النشاط الفومارولي رؤى قيمة حول حالة البركان. يعد التوثيق الدقيق بالصور المشروحة والأوصاف التفصيلية أمرًا بالغ الأهمية لالتقاط التغييرات الدقيقة التي قد تحدث.

3. التقنيات الناشئة

يتم استخدام العديد من التقنيات الناشئة لتحسين توثيق فوهات البراكين، بما في ذلك:

• تكنولوجيا الطائرات بدون طيار المتقدمة: توفر الطائرات بدون طيار المجهزة بكاميرات فائقة الطيف وأجهزة استشعار الغاز وغيرها من الأدوات المتقدمة قدرات جديدة للاستشعار عن بعد لفوهات البراكين. يمكن لهذه الطائرات بدون طيار جمع بيانات عالية الدقة حول انبعاثات الغازات والشذوذات الحرارية وإجهاد النباتات، مما يوفر رؤى قيمة حول النشاط البركاني.
• الذكاء الاصطناعي (AI) والتعلم الآلي (ML): يتم استخدام خوارزميات الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي لتحليل مجموعات البيانات الكبيرة للاستشعار عن بعد والبيانات الموجودة في الموقع، مما يساعد على تحديد الأنماط والاتجاهات التي قد لا تكون واضحة للمراقبين البشريين. على سبيل المثال، يمكن تدريب خوارزميات التعلم الآلي للكشف تلقائيًا عن التغييرات في شكل الفوهة أو الأنماط الحرارية، مما يوفر تحذيرات مبكرة من الثورات المحتملة.
• الواقع الافتراضي (VR) والواقع المعزز (AR): يتم استخدام تقنيات الواقع الافتراضي والواقع المعزز لإنشاء تصورات غامرة لفوهات البراكين، مما يسمح للباحثين والجمهور باستكشاف هذه الميزات بطريقة آمنة وجذابة. يمكن استخدام محاكاة الواقع الافتراضي لأغراض التدريب، مما يسمح للعلماء بممارسة العمل الميداني في بيئة افتراضية. يمكن أن توفر تطبيقات الواقع المعزز معلومات في الوقت الفعلي حول الميزات البركانية المتراكبة على رؤية المستخدم للعالم الحقيقي.
• شبكات الاستشعار اللاسلكية: يتيح نشر شبكات من أجهزة الاستشعار اللاسلكية داخل وحول فوهات البراكين المراقبة في الوقت الفعلي لمعلمات مختلفة مثل درجة الحرارة وتركيز الغاز وتشوه الأرض. يسهل هذا التدفق المستمر للبيانات فهمًا أكثر ديناميكية للنشاط البركاني ويعزز أنظمة الإنذار المبكر.

أفضل الممارسات لتوثيق فوهات البراكين

لضمان جودة وموثوقية توثيق فوهات البراكين، من المهم اتباع أفضل الممارسات في جمع البيانات ومعالجتها وتحليلها.

1. التخطيط والإعداد

• حدد أهدافًا واضحة: حدد بوضوح أهداف جهد التوثيق، بما في ذلك الأسئلة البحثية المحددة التي تتم معالجتها وأنواع البيانات التي سيتم جمعها.
• إجراء تقييم للمخاطر: قبل دخول فوهة البركان، قم بإجراء تقييم شامل للمخاطر لتحديد المخاطر المحتملة، مثل الغازات البركانية والأرض غير المستقرة والصخور المتساقطة.
• الحصول على التصاريح اللازمة: الحصول على جميع التصاريح والموافقات اللازمة من السلطات المختصة قبل إجراء العمل الميداني.
• جمع معلومات أساسية: جمع معلومات أساسية عن البركان، بما في ذلك تاريخه وجيولوجيته وبيانات المراقبة السابقة.
• وضع خطة لإدارة البيانات: وضع خطة لإدارة وأرشفة البيانات التي تم جمعها، بما في ذلك البروتوكولات الخاصة بتخزين البيانات ونسخها احتياطيًا ومشاركتها.

2. جمع البيانات

• استخدم أدوات معايرة: استخدم أدوات معايرة لضمان دقة وموثوقية القياسات.
• اتبع البروتوكولات الموحدة: اتبع البروتوكولات الموحدة لجمع البيانات، بما في ذلك الإرشادات الخاصة بأخذ العينات وتسجيل البيانات ومراقبة الجودة.
• وثق إجراءات جمع البيانات: وثق جميع إجراءات جمع البيانات بالتفصيل، بما في ذلك الأدوات المستخدمة وطرق المعايرة ومواقع أخذ العينات.
• جمع البيانات الوصفية: جمع البيانات الوصفية حول البيانات، بما في ذلك تاريخ ووقت الجمع وموقع الملاحظة وأسماء جامعي البيانات.
• احتفظ بسجل ميداني تفصيلي: احتفظ بسجل ميداني تفصيلي لجميع الملاحظات والأنشطة، بما في ذلك أي مشاكل تمت مواجهتها أو انحرافات عن الإجراءات المخطط لها.

3. معالجة البيانات وتحليلها

• معالجة البيانات باستخدام البرامج المناسبة: معالجة البيانات باستخدام البرامج والخوارزميات المناسبة، والتأكد من أن الطرق موثقة جيدًا ومُصدَّقة.
• إجراء فحوصات لمراقبة الجودة: إجراء فحوصات لمراقبة الجودة لتحديد وتصحيح الأخطاء في البيانات.
• تصور البيانات: تصور البيانات باستخدام الخرائط والرسوم البيانية والوسائل البصرية الأخرى لتحديد الأنماط والاتجاهات.
• تفسير البيانات في السياق: تفسير البيانات في سياق جيولوجيا البركان وتاريخه ونشاطه الحالي.
• وثق إجراءات معالجة البيانات: وثق جميع إجراءات معالجة البيانات بالتفصيل، بما في ذلك البرنامج المستخدم والخوارزميات المطبقة وفحوصات مراقبة الجودة التي تم إجراؤها.

4. مشاركة البيانات ونشرها

• شارك البيانات مع المجتمع العلمي: شارك البيانات مع المجتمع العلمي من خلال المنشورات والعروض التقديمية ومستودعات البيانات عبر الإنترنت.
• اجعل البيانات في متناول الجمهور: اجعل البيانات في متناول الجمهور من خلال مواقع الويب والخرائط التفاعلية والمواد التعليمية.
• اتبع معايير الاستشهاد بالبيانات: اتبع معايير الاستشهاد بالبيانات لضمان إسناد البيانات بشكل صحيح وحصول مزودي البيانات على تقدير لعملهم.
• الحفاظ على البيانات للاستخدام المستقبلي: الحفاظ على البيانات للاستخدام المستقبلي عن طريق أرشفتها في مكان آمن ويمكن الوصول إليه.

دراسات الحالة

توضح العديد من دراسات الحالة أهمية توثيق فوهات البراكين في فهم العمليات البركانية وتقييم المخاطر.

1. جبل سانت هيلينز، الولايات المتحدة الأمريكية

أدى ثوران جبل سانت هيلينز في عام 1980 إلى تغيير فوهة قمته بشكل كبير. قدم التوثيق اللاحق للفوهة، بما في ذلك نمو قبة الحمم البركانية، رؤى قيمة حول النشاط المستمر للبركان. سمحت بيانات الاستشعار عن بعد، جنبًا إلى جنب مع الدراسات الاستقصائية في الموقع، للعلماء بتتبع معدل نمو القبة ومراقبة انبعاثات الغازات وتقييم احتمال حدوث ثورات مستقبلية. هذه المراقبة المستمرة ضرورية لإعلام تقييمات المخاطر وحماية المجتمعات المجاورة.

2. جبل نيراجونجو، جمهورية الكونغو الديمقراطية

يشتهر جبل نيراجونجو ببحيرة الحمم البركانية الدائمة في فوهة قمته. يعد التوثيق المنتظم لبحيرة الحمم البركانية، بما في ذلك التصوير الحراري وأخذ عينات الغاز، أمرًا ضروريًا لمراقبة نشاط البركان وتقييم المخاطر التي تشكلها ثوراته المتكررة. يلعب مرصد غوما البركاني دورًا حاسمًا في هذا الجهد، باستخدام مجموعة من الاستشعار عن بعد والقياسات في الموقع لتتبع التغييرات في بحيرة الحمم البركانية وتقديم تحذيرات مبكرة من المخاطر المحتملة. هذه المراقبة ضرورية لحماية مدينة غوما، التي تقع بالقرب من البركان.

3. الجزيرة البيضاء (Whakaari)، نيوزيلندا

الجزيرة البيضاء (Whakaari) هي جزيرة بركانية نشطة مع نظام حراري مائي نشط للغاية في فوهتها. تعد المراقبة المنتظمة للفوهة، بما في ذلك قياسات درجة الحرارة وأخذ عينات الغاز والملاحظات البصرية، ضرورية لفهم ديناميكيات النظام الحراري المائي وتقييم احتمال حدوث ثورات فجائية. سلط الثوران المأساوي في عام 2019 الضوء على أهمية المراقبة المستمرة وتقييم المخاطر في هذا البركان. منذ الثوران، تم تنفيذ جهود مراقبة متزايدة لفهم النشاط المستمر بشكل أفضل وتحسين أنظمة الإنذار المبكر.

الخلاصة

يعد توثيق فوهات البراكين عنصرًا حاسمًا في البحث البركاني وتقييم المخاطر. من خلال استخدام مجموعة من الاستشعار عن بعد وتقنيات المسح في الموقع، ومن خلال اتباع أفضل الممارسات في جمع البيانات ومعالجتها وتحليلها، يمكن للعلماء الحصول على رؤى قيمة حول العمليات البركانية وحماية المجتمعات من المخاطر البركانية. مع استمرار تقدم التكنولوجيا، ستعمل الأدوات والتقنيات الجديدة على تعزيز قدرتنا على توثيق وفهم هذه السمات الجيولوجية الديناميكية والرائعة. من الضروري أن نتذكر أن توثيق فوهات البراكين هو عملية مستمرة تتطلب جهدًا وتعاونًا مستمرين بين العلماء وصانعي السياسات والمجتمعات المحلية للتخفيف من المخاطر بفعالية.

يقدم هذا الدليل إطارًا شاملاً لتوثيق فوهات البراكين وتعزيز فهم أفضل لهذه السمات الجيولوجية. من خلال تبني المنهجيات والتقنيات الموضحة هنا، يمكن للباحثين والمهتمين في جميع أنحاء العالم المساهمة في تطوير علم البراكين والتخفيف من المخاطر البركانية.