Op 30 april, 2018, op de oostelijke flank van de vulkaan Kīlauea in Hawaï, lava stroomde plotseling weg uit een krater die al meer dan drie decennia lava spuwde. Dan de bodem van de krater, genaamd Pu'u'ō'ō, viel uit.

Binnen 48 uur, het lavameer op de top van Kīlauea, 12 mijl ten noordwesten van Pu'u'ō'ō, begon te vallen toen magma in de leidingen van de vulkaan stroomde. Spoedig, nieuwe scheuren openden 12 mijl ten oosten van Pu'u'ō'ō en gesmolten lava spoot eruit, kroop over wegen, verbrande bomen en in brand gestoken elektriciteitspalen.

Ruim drie maanden, Kīlauea spuugde genoeg lava uit om 320 te vullen, 000 olympische zwembaden, meer dan 700 huizen verwoest en duizenden mensen ontheemd. Het landschap op de top zelf werd getransformeerd toen de krater met maar liefst 1 instortte. 500 voet de hele zomer door op een manier die wetenschappers nog maar net beginnen te begrijpen.

"In de gehele 60 jaar van moderne geofysische instrumentatie van vulkanen, we hebben maar een half dozijn caldera-instortingen gehad, " zei Paul Segall, geofysicus van Stanford University, hoofdauteur van een nieuwe studie in Proceedings van de National Academy of Sciences dat helpt verklaren hoe deze gebeurtenissen zich ontvouwen en bewijs vindt dat het heersende wetenschappelijke paradigma bevestigt voor hoe wrijving werkt op aardbevingsfouten.

De resultaten kunnen helpen om toekomstige gevarenbeoordelingen en mitigatie-inspanningen rond vulkaanuitbarstingen te informeren. "Het verbeteren van ons begrip van de fysica die de instortingen van de caldera regelt, zal ons helpen de omstandigheden waaronder instortingen mogelijk zijn beter te begrijpen en de evolutie van een instortingsreeks te voorspellen zodra deze begint, " zei co-auteur Kyle Anderson, doctoraat '12, een geofysicus bij de U.S. Geological Survey die deel uitmaakte van het team dat tijdens de uitbarsting van 2018 ter plaatse in Kīlauea werkte.

De aard van wrijving

Een sleutelfactor die de ineenstorting van vulkanische caldera's beheerst - en de breuk van aardbevingsfouten over de hele wereld - is wrijving. Het is alomtegenwoordig in de natuur en ons dagelijks leven, komen in het spel wanneer twee oppervlakken ten opzichte van elkaar bewegen. Maar interacties tussen oppervlakken zijn zo complex dat, ondanks eeuwenlange studie, wetenschappers begrijpen nog steeds niet helemaal hoe wrijving zich in verschillende situaties gedraagt. "Het is niet iets dat we volledig kunnen voorspellen met alleen vergelijkingen. We hebben ook gegevens nodig van experimenten, ' zei Segal.

Wetenschappers die de rol van wrijving bij aardbevingen willen begrijpen, voeren deze experimenten meestal uit in laboratoria met rotsplaten die nauwelijks groter zijn dan een deur en vaak dichter bij de grootte van een pak kaarten. "Een van de grote uitdagingen in de aardbevingswetenschap was om deze wrijvingswetten en de waarden die in het laboratorium werden gevonden, te gebruiken, en pas ze toe op zeggen, de San Andreas-breuk, omdat het zo'n enorme sprong in schaal is, " zei Segall, de Cecil H. en Ida M. Green hoogleraar geofysica aan de Stanford's School of Earth, Energie- en milieuwetenschappen (Stanford Earth).

In de nieuwe studie gepubliceerd op 23 juli Segall en Anderson onderzoeken het wegglijden en plakken van het instortingsblok van de Kīlauea-vulkaan - een stuk korst van vijf mijl rond en een halve mijl diep - om wrijving op veel grotere schaal te karakteriseren. "We wilden een wiskundig model van die ineenstorting ontwikkelen, sterk vereenvoudigd, maar met behulp van modern begrip van wrijving, ' zei Segal.

De ineenstorting van Kilauea

Kīlauea's caldera stortte niet in één soepele afdaling in, maar eerder als een kleverige zuiger. Ongeveer elke anderhalve dag, het instortingsblok zakte in een kwestie van seconden bijna twee meter, stopte toen. Dat komt omdat het magma in de kamer onder de caldera naar buiten stroomde naar scheuren in de lagere oostelijke flank van Kīlauea, het nam de steun voor de bovenliggende rots weg. "Eventueel, de druk zo laag wordt dat de vloer erin valt en begint in te storten, als een zinkgat, ' zei Segal.

Tegen de tijd dat de Kīlauea-uitbarsting in 2018 eindigde, de zuigerachtige instortingsgebeurtenissen van de vulkaan herhaalden zich 62 keer - waarbij elk een aardbeving veroorzaakte en elke beweging elke vijf seconden tot op de millimeter werd gevolgd door een reeks van 20 Global Positioning System (GPS) -instrumenten. Tijdens de eerste tientallen instortingsgebeurtenissen, de geometrie van de rotsoppervlakken veranderde, maar ze bleven stabiel voor de laatste 30 stoppende afdalingen.

Het nieuwe onderzoek toont aan dat voor dit type uitbarsting, wanneer de uitbarstingsopening zich op een lagere hoogte bevindt, het leidt tot een grotere drukval onder het calderablok, waardoor het waarschijnlijker wordt dat er een instortingsgebeurtenis begint. Zodra de ineenstorting begint, het gewicht van het massieve calderablok handhaaft de druk op het magma, dwingen het naar de uitbarstingsplaats. "Als het niet voor de ineenstorting is, de uitbarsting zou ongetwijfeld veel eerder zijn geëindigd, ' zei Segal.

Evoluerende wrijving

Segall en Anderson's analyse van de schat aan gegevens van de ineenstorting van de caldera van Kīlauea bevestigt dat, zelfs op de enorme schaal van deze vulkaan, de manieren waarop verschillende rotsoppervlakken over elkaar glijden en langs elkaar glijden of met verschillende snelheden en drukken in de loop van de tijd blijven plakken, lijken sterk op wat wetenschappers hebben gevonden in kleinschalige laboratoriumexperimenten.

specifiek, de nieuwe resultaten bieden een bovengrens voor een belangrijke factor in de mechanica van aardbevingen die bekend staat als slip-verzwakkingsafstand, die geofysici gebruiken om te berekenen hoe fouten losraken. Dit is de afstand waarover de wrijvingssterkte van een breuk verzwakt voordat deze scheurt - iets dat van cruciaal belang is voor nauwkeurige modellering van de stabiliteit en opbouw van energie op aardbevingsfouten. Laboratoriumexperimenten hebben gesuggereerd dat deze afstand zo kort kan zijn als tientallen microns - gelijk aan de breedte van een haar dat in enkele tientallen splinters is gesplitst - terwijl schattingen van echte aardbevingen aangeven dat het wel 20 centimeter lang zou kunnen zijn.

De nieuwe modellering laat nu zien dat deze evolutie plaatsvindt over niet meer dan 10 millimeter, en mogelijk veel minder. "De onzekerheden zijn groter dan in het lab, maar de wrijvingseigenschappen komen volledig overeen met wat in het laboratorium wordt gemeten, en dat is heel bevestigend, "Zei Segall. "Het vertelt ons dat we die metingen van echt kleine monsters kunnen nemen en ze toepassen op grote tektonische fouten, omdat ze waar waren in het gedrag dat we hebben waargenomen bij de ineenstorting van Kīlauea."

Het nieuwe werk voegt ook realistische complexiteit toe aan een wiskundig pistonmodel, tien jaar geleden voorgesteld door de Japanse vulkanoloog Hiroyuki Kumagai en collega's, om een ​​grote instorting van de caldera op Miyake Island te verklaren, Japan. Terwijl het wijdverbreide Kumagai-model ervan uitging dat de rotsoppervlakken van de vulkaan veranderden alsof ze een schakelaar omdraaiden van stilstaand ten opzichte van elkaar naar langs elkaar heen glijden, de nieuwe modellering erkent dat de overgang tussen "statische" en "dynamische" wrijving complexer en geleidelijker is. "Niets in de natuur gebeurt onmiddellijk, ' zei Segal.