Hoe meer water in het magma wordt opgelost, hoe groter het risico dat een vulkaan explodeert. Een nieuwe ETH-studie toont nu aan dat deze eenvoudige regel slechts gedeeltelijk waar is. Paradoxaal genoeg, hoog watergehalte vermindert het risico op explosie aanzienlijk.

Vulkanologen hebben lange tijd last gehad van twee vragen:wanneer zal er precies een vulkaan uitbarsten? En hoe zal die uitbarsting zich ontvouwen? Zal de lava de berg afstromen als een stroperige pasta, of zal de vulkaan explosief een aswolk kilometers de atmosfeer in drijven?

De eerste vraag "wanneer" kan nu relatief nauwkeurig worden beantwoord, legt Olivier Bachmann uit, Hoogleraar Magmatische Petrologie aan de ETH Zürich. Hij wijst op monitoringgegevens van het Canarische eiland La Palma, waar de Cumbre Vieja-vulkaan onlangs een lavastroom uitzond die naar de zee stroomde. Met behulp van seismische gegevens, de experts konden de opkomst van de lava in realtime volgen, bij wijze van spreken, en voorspellen de uitbarsting binnen een paar dagen.

Onvoorspelbare krachten van de natuur

Het "hoe, " anderzijds, is nog steeds een grote hoofdpijn voor vulkanologen. Het is bekend dat vulkanen op eilanden zoals La Palma of Hawaï waarschijnlijk geen enorme explosies zullen veroorzaken. Maar deze vraag is veel moeilijker te beantwoorden voor de grote vulkanen die zich langs subductiezones bevinden, zoals die in de Andes, aan de Amerikaanse westkust, in Japan, Indonesië, of in Italië en Griekenland. Dit komt omdat al deze vulkanen op veel verschillende manieren kunnen uitbarsten, zonder te voorspellen wat er zal gebeuren.

Om beter te begrijpen hoe een vulkaan uitbarst, de afgelopen jaren hebben veel onderzoekers zich gericht op wat er in de vulkanische leiding gebeurt. Het is al enige tijd bekend dat de opgeloste gassen in het magma, die dan tevoorschijn komt als lava aan het aardoppervlak, zijn een belangrijke factor. Als er grote hoeveelheden opgeloste gassen in het magma zitten, gasbellen vormen zich als reactie op de afname van de druk als het magma door de leiding omhoog stijgt, vergelijkbaar met wat er gebeurt in een geschudde champagnefles. Deze gasbellen, als ze niet kunnen ontsnappen, leiden tot een explosieve uitbarsting. In tegenstelling tot, een magma met weinig opgelost gas stroomt zachtjes uit de leiding en is daarom veel minder gevaarlijk voor de omgeving.

Wat gebeurt er in de aanloop?

Bachmann en zijn postdoctoraal onderzoeker Răzvan-Gabriel Popa hebben zich nu gericht op de magmakamer in een nieuwe studie die ze onlangs in het tijdschrift publiceerden Natuur Geowetenschappen . In een uitgebreide literatuurstudie ze analyseerden gegevens van 245 vulkaanuitbarstingen, reconstrueren hoe heet de magmakamer was voor de uitbarsting, hoeveel vaste kristallen er in de smelt waren en hoe hoog het opgeloste watergehalte was. Vooral deze laatste factor is van belang, omdat het opgeloste water later de beruchte gasbellen vormt tijdens de opstijging van het magma, de vulkaan veranderen in een champagnefles die te snel werd ontkurkt.

De gegevens bevestigden aanvankelijk de bestaande doctrine:als het magma weinig water bevat, het risico op een explosieve uitbarsting is laag. Het risico is ook laag als het magma al veel kristallen bevat. Deze zorgen namelijk voor de vorming van gaskanalen in de leiding waardoor het gas gemakkelijk kan ontsnappen, Bachmann legt het uit. In het geval van magma met weinig kristallen en een watergehalte van meer dan 3,5 procent, anderzijds, het risico van een explosieve uitbarsting is zeer groot - precies zoals de heersende doctrine voorspelt.

Wat verraste Bachmann en Popa, echter, was dat het beeld weer verandert bij een hoog watergehalte:als er meer dan ongeveer 5,5 procent water in het magma zit, het risico op een explosieve uitbarsting neemt aanzienlijk af, hoewel er zich zeker veel gasbellen kunnen vormen als de lava stijgt. "Dus er is een duidelijk gedefinieerd risicogebied waar we ons op moeten concentreren, ’ legt Bachmann uit.

Gassen als buffer

De twee vulkanologen verklaren hun nieuwe bevinding aan de hand van twee effecten, allemaal gerelateerd aan het zeer hoge watergehalte dat gasbellen veroorzaakt, niet alleen in de leiding, maar ook beneden in de magmakamer. Eerst, de vele gasbellen sluiten al vroeg aan, op grote diepte, om kanalen in de leiding te vormen, waardoor het gas gemakkelijker kan ontsnappen. Het gas kan dan zonder explosief effect in de atmosfeer lekken. Tweede, de gasbellen in de magmakamer vertragen de uitbarsting van de vulkaan en verminderen zo het risico op een explosie.

"Voordat een vulkaan uitbarst, heet magma stijgt op uit grote diepten en komt de subvulkanische kamer van de vulkaan binnen, die zich 6 tot 8 kilometer onder het oppervlak bevindt, en verhoogt de druk daar, ' legt Popa uit. 'Zodra de druk in de magmakamer hoog genoeg is om de bovenliggende rotsen te kraken, er vindt een uitbarsting plaats."

Als het gesmolten gesteente in de magmakamer gasbellen bevat, deze fungeren als buffer:ze worden samengedrukt door het van onderaf opstijgende materiaal, het vertragen van de drukopbouw in de magmakamer. Deze vertraging geeft het magma meer tijd om warmte van onderaf op te nemen, zodat de lava heter en dus minder stroperig is wanneer deze uiteindelijk uitbarst. Dit maakt het gemakkelijker voor het gas in de leiding om uit het magma te ontsnappen zonder explosieve bijwerkingen.

COVID-19 als meevaller

Deze nieuwe bevindingen maken het theoretisch mogelijk om tot betere voorspellingen te komen voor wanneer een gevaarlijke explosie te verwachten is. De vraag is, hoe kunnen wetenschappers vooraf de hoeveelheid gasbel in de magmakamer bepalen en de mate waarin het magma al is uitgekristalliseerd? "We bespreken momenteel met geofysici welke methoden kunnen worden gebruikt om deze cruciale parameters het beste vast te leggen, ", zegt Bachmann. "Ik denk dat de oplossing is om verschillende metrieken te combineren - seismische, gravimetrisch, geo-elektrische en magnetische gegevens, bijvoorbeeld."

Concluderen, Bachmann noemt een kant-en-klaar aspect van de nieuwe studie:"Als de coronacrisis er niet was geweest, we hadden dit artikel waarschijnlijk niet geschreven, ' zegt hij met een grijns. 'Toen de eerste lockdown betekende dat we ineens niet meer het veld of het lab in, we moesten onze onderzoeksactiviteiten op korte termijn heroverwegen. Dus namen we de tijd die we nu hadden en besteedden die tijd aan het doornemen van de literatuur om een ​​idee te verifiëren dat we al hadden op basis van onze eigen meetgegevens. Onder normale omstandigheden hadden we dit tijdrovende onderzoek waarschijnlijk niet gedaan."