Wetenschappers die proberen te begrijpen hoe en wanneer vulkanen kunnen uitbarsten, staan ​​voor een uitdaging:veel van de processen vinden diep onder de grond plaats in lavabuizen die karnen met gevaarlijke gesmolten aarde. Bij uitbarsting, alle ondergrondse markeringen die aanwijzingen hadden kunnen bieden die leidden tot een ontploffing, worden vaak vernietigd.

Maar door gebruik te maken van observaties van kleine kristallen van het mineraal olivijn dat werd gevormd tijdens een gewelddadige uitbarsting die meer dan een halve eeuw geleden op Hawaï plaatsvond, Onderzoekers van Stanford University hebben een manier gevonden om computermodellen van magmastroom te testen, waarvan ze zeggen dat ze nieuwe inzichten over eerdere uitbarstingen kunnen onthullen en mogelijk toekomstige uitbarstingen kunnen helpen voorspellen.

"We kunnen kwantitatieve kenmerken van de stroom voorafgaand aan de uitbarsting afleiden uit deze kristalgegevens en leren over de processen die tot de uitbarsting hebben geleid zonder in de vulkaan te boren, " zei Jenny Suckale, een assistent-professor geofysica aan de Stanford's School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth). "Dat is voor mij de heilige graal in de vulkanologie."

De millimetergrote kristallen werden ontdekt begraven in lava na de uitbarsting van de Kilauea-vulkaan in 1959 op Hawaï. Een analyse van de kristallen onthulde dat ze in een vreemde, maar verrassend consistent patroon, waarvan de Stanford-onderzoekers veronderstelden dat het werd gevormd door een golf in het ondergrondse magma dat de richting van de kristallen in de stroom beïnvloedde. Ze simuleerden dit fysieke proces voor de eerste keer in een studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang 4 december

"Ik had altijd het vermoeden dat deze kristallen veel interessanter en belangrijker zijn dan we ze de eer geven, " zei Sukel, wie is senior auteur van het onderzoek.

detective werk

Het was een toevallige ontmoeting die Suckale ertoe bracht gevolg te geven aan haar vermoeden. Ze kreeg inzicht toen ze luisterde naar een presentatie van een afgestudeerde Stanford-student over microplastics in de oceaan, waar golven ervoor kunnen zorgen dat niet-sferische deeltjes een consistent misoriëntatiepatroon aannemen. Suckale rekruteerde de spreker, dan-Ph.D. studente Michelle DiBenedetto, om te zien of de theorie kon worden toegepast op de vreemde kristaloriëntaties van Kilauea.

"Dit is het resultaat van het speurwerk van het waarderen van de details als het belangrijkste bewijsstuk, ' zei Sukel.

Samen met Zhipeng Qin, een onderzoeker in de geofysica, het team analyseerde kristallen van slakken, een donkere, poreus gesteente dat zich vormt bij het afkoelen van magma dat opgeloste gassen bevat. Als een vulkaan uitbarst, het vloeibare magma - bekend als lava zodra het de oppervlakte bereikt - wordt geschokt door de koelere atmosferische temperatuur, snel de natuurlijk voorkomende olivijnkristallen en bubbels insluiten. Het proces gaat zo snel dat de kristallen niet kunnen groeien, effectief vastleggen van wat er gebeurde tijdens de uitbarsting.

De nieuwe simulatie is gebaseerd op kristaloriëntaties van Kilauea Iki, een putkrater naast de belangrijkste topcaldera van de Kilauea-vulkaan. Het biedt een basislijn voor het begrijpen van de stroom van Kilauea's leiding, de buisvormige doorgang waardoor het hete magma onder de grond naar het aardoppervlak stijgt. Omdat de slakken enkele honderden meters van de vulkaan kunnen worden weggeblazen, deze monsters zijn relatief eenvoudig te verzamelen. "Het is opwindend dat we deze echt kleinschalige processen kunnen gebruiken om dit enorme systeem te begrijpen, " zei DiBenedetto, de hoofdauteur van de studie, nu een postdoctoraal onderzoeker aan de Woods Hole Oceanographic Institution.

Een golf vangen

Om vloeibaar te blijven, het materiaal in een vulkaan moet constant in beweging zijn. De analyse van het team geeft aan dat de vreemde uitlijning van de kristallen werd veroorzaakt door magma dat in twee richtingen tegelijk beweegt, met de ene stroom direct boven de andere, in plaats van in één gestage stroom door de leiding te gieten. Onderzoekers hadden eerder gespeculeerd dat dit zou kunnen gebeuren, maar een gebrek aan directe toegang tot de gesmolten leiding verhinderde overtuigend bewijs, volgens Suckale.

"Deze gegevens zijn belangrijk voor het bevorderen van ons toekomstig onderzoek naar deze gevaren, want als ik de golf kan meten, Ik kan de magmastroom beperken - en deze kristallen stellen me in staat om bij die golf te komen, ' zei Sukel.

Het monitoren van Kilauea vanuit een gevarenperspectief is een voortdurende uitdaging vanwege de onvoorspelbare uitbarstingen van de actieve vulkaan. In plaats van continu lava te lekken, het heeft periodieke uitbarstingen die resulteren in lavastromen die de bewoners aan de zuidoostkant van het Grote Eiland van Hawaï in gevaar brengen.

Door kristalmisoriëntatie te volgen in de verschillende stadia van toekomstige Kilauea-uitbarstingen, kunnen wetenschappers in de loop van de tijd de condities van de leidingstroom afleiden, zeggen de onderzoekers.

"Niemand weet wanneer de volgende aflevering begint of hoe erg het zal zijn - en dat hangt allemaal af van de details van de leidingdynamiek, ' zei Sukel.