Het bestuderen van het gesmolten gesteente dat ongeveer 20 kilometer onder het aardoppervlak kookt, zou wetenschappers kunnen helpen de vulkanische activiteit beter te voorspellen. Dat blijkt uit een studie die op 10 mei in het tijdschrift werd gepubliceerd Wetenschappelijke vooruitgang, kunnen deze ondergrondse reservoirs waar rotsen voor het eerst smelten tot vloeibaar magma helpen voorspellen hoe explosief een uitbarsting kan zijn. Betere voorspellingen van een vulkaanuitbarsting kunnen mogelijk levens redden en geef mensen meer tijd om uit de gevarenzone te komen.
Dieper magma
Voorspellen wanneer een uitbarsting zou kunnen plaatsvinden, is voor wetenschappers nog steeds behoorlijk moeilijk. Vulkanen vertonen niet lang hetzelfde gedrag. Veel van hun uitbarstingsgeschiedenissen dateren van voordat de mens überhaupt bestond, dus het volgen van hun uitbarstingsintervallen is moeilijk. Uitbarstingen worden meestal voorspeld op basis van de activiteit van de vulkaan en de bovenste paar kilometer korst eronder. Deze aardkorstlaag bevat gesmolten gesteente dat mogelijk op het punt staat uit te barsten. De activiteit in diepere magmareservoirs is echter niet zo goed bestudeerd.
Om meer te weten te komen over deze magmareservoirs verder onder de grond, heeft een team van het Imperial College London en de Universiteit van Bristol de frequentie, samenstelling en omvang van vulkaanuitbarstingen over de hele wereld bestudeerd. Ze beoordeelden gegevens over 60 van de meest explosieve vulkaanuitbarstingen in negen landen: Argentinië, Chili, El Salvador, Indonesië, Japan, Nieuw-Zeeland, Nicaragua, Rusland en de Verenigde Staten.
[Related: A volcanologist shows what makes magma go boom.]
“We keken naar vulkanen over de hele wereld en groeven dieper dan eerdere studies die zich concentreerden op ondiepe ondergrondse kamers waar magma wordt opgeslagen vóór uitbarstingen”, zei co-auteur en geowetenschapper Catherine Booth van het Imperial College London in een verklaring. “We concentreerden ons op het begrijpen van het magmabronreservoir diep onder onze voeten, waar extreme hitte vast gesteente tot magma smelt op een diepte van ongeveer 10 tot 20 kilometer. [6.2 to 12.4 miles].”
Wetenschappers combineerden deze mondiale gegevens met geavanceerde computermodellen om de samenstelling, structuur en geschiedenis van gesteenten diep onder de aardkorst van dichterbij te bekijken. Ze vergeleken het met informatie verzameld van actieve vulkanen om beter te begrijpen hoe magma diep onder de grond bouwt en zich gedraagt, voordat het door de aardkorst naar de vulkaan opstijgt.
Drijvend magma
Met behulp van deze gegevens creëerden de onderzoekers computersimulaties die de complexe processen van magmastroom en -opslag diep in de aarde nabootsen. Door deze simulaties kregen ze nieuw inzicht in het cruciale onderdeel dat uitbarstingen kan veroorzaken: drijfvermogen.
“In tegenstelling tot eerdere opvattingen suggereert onze studie dat het drijfvermogen van magma, en niet het aandeel vast en gesmolten gesteente, de oorzaak is van uitbarstingen,” zei Booth. “De groei van magma wordt beheerst door de temperatuur en de chemische samenstelling ervan in vergelijking met het omringende gesteente. Naarmate magma zich ophoopt, verandert de samenstelling ervan om minder dicht te worden, waardoor het ‘spannender’ wordt en het kan stijgen.”
Wanneer het magma stroperig genoeg wordt om te blijven drijven, stijgt het op en ontstaan er scheuren in het vaste gesteente erboven. Het stroomt dan woedend door deze breuken en veroorzaakt een uitbarsting.
Magma-gedrag
Naast het identificeren van het drijfvermogen van magma als een belangrijke factor die vulkaanuitbarstingen veroorzaakt, heeft het team ook gekeken naar hoe magma zich gedraagt wanneer het vlak voor een uitbarsting ondiepere ondergrondse kamers bereikt. Als het magma hier langer wordt opgeslagen, leidt het volgens het team tot kleinere uitbarstingen.
[Related: Volcano on island in the Galapagos spews lava into the sea.]
Verwacht mag worden dat grotere reservoirs grotere en explosievere uitbarstingen zullen veroorzaken, maar uit het onderzoek is gebleken dat deze grote reservoirs meer warmte afvoeren. Deze dissipatie vertraagt het proces waarbij vast gesteente smelt tot vloeibaar magma. Het team gelooft dat de grootte van het reservoir een andere sleutel is om nauwkeuriger te voorspellen hoe groot een uitbarsting zal zijn.
Uit de studie bleek ook dat uitbarstingen zelden geïsoleerd zijn. In plaats daarvan maken ze deel uit van een zich herhalende cyclus van activiteiten. Het magma dat vrijkwam door de vulkanen die ze bestudeerden, was ook rijk aan silicium. Het is bekend dat deze natuurlijke verbinding een rol speelt bij het bepalen hoe stroperig – of plakkerig – en explosief magma is. Magma met een hoog silicagehalte heeft de neiging stroperiger te zijn, wat resulteert in een intensere uitbarsting.
“Door ons begrip van de processen achter vulkanische activiteit te verbeteren en modellen te bieden die licht werpen op de factoren die uitbarstingen beheersen, is onze studie een belangrijke stap in de richting van een betere monitoring en voorspelling van deze krachtige geologische gebeurtenissen”, studeerde co-auteur en geoloog aan het Imperial College London. Matt Jackson zei in een verklaring.
Magma gebruiken voor betere voorspellingen
Volgens het team omvatten enkele van de beperkingen van het onderzoek dat hun model zich concentreerde op de manier waarop magma naar boven stroomt. De originele reservoirs in hun model hadden ook alleen gesmolten gesteente en kristallen.
“Er zijn echter aanwijzingen dat deze bronreservoirs andere vloeistoffen bevatten, zoals water en koolstofdioxide, en dat magma kan wervelen en zijdelings stromen,” zei Jackson.
In toekomstige studies wil het team deze modellen verfijnen door driedimensionale magmastromen op te nemen en rekening te houden met verschillende vloeistofsamenstellingen. Ze hopen dat dit wetenschappers uiteindelijk in staat zal stellen vulkaanuitbarstingen nauwkeuriger te voorspellen en zich beter voor te bereiden op toekomstige natuurrampen.