Gelegen in de buurt van Napels, Italië, had de Vesuvius voor het laatst een gewelddadige uitbarsting in 1944, tegen het einde van de Tweede Wereldoorlog. Het kan een paar honderd jaar duren voordat er weer een gevaarlijke, explosieve uitbarsting plaatsvindt, vindt een nieuwe studie van vulkaanexperts van ETH Zürich.

De Vesuvius is een van Europa's gevaarlijkste vulkanen. In de directe omgeving wonen meer dan drie miljoen mensen en in historische en prehistorische tijden waren er explosieve uitbarstingen die hele nederzettingen en steden in het gebied verwoestten.

De prangende vraag is dus:wanneer zal de Vesuvius weer uitbarsten en hoe sterk zou de uitbarsting kunnen zijn?

Om deze vraag te beantwoorden, heeft een onderzoeksgroep van ETH Zürich, in samenwerking met onderzoekers uit Italië, de vier grootste uitbarstingen van de Vesuvius van de afgelopen 10.000 jaar onder de loep genomen, zodat ze beter kunnen beoordelen of er een gevaarlijke gebeurtenis kan worden verwacht in de nabije toekomst.

De vier bestudeerde uitbarstingen omvatten de Avellino-uitbarsting van 3.950 jaar geleden, die wordt beschouwd als een mogelijk "worst case scenario" voor toekomstige uitbarstingen, en de uitbarsting van 79 na Christus die de Romeinse steden Pompeii en Herculaneum begroef. Dit laatste werd gedocumenteerd door de Romeinse schrijver Plinius de Jongere, en daarom worden alle uitbarstingen van dit type "Pliniaanse" uitbarstingen genoemd. Verder bestudeerden de vulkanologen uitbarstingen van 472 na Christus en 8890 voor Christus. De sub-Plinische uitbarsting van AD 472 is de kleinste van de onderzochte uitbarstingen, maar nog steeds vergelijkbaar in grootte in vergelijking met de recente uitbarsting van Tonga.

Met granaten is nauwkeurige datering mogelijk

In hun onderzoek, dat zojuist is gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances , bepaalden de onderzoekers die samenwerkten met hoofdauteur Jörn-Frederik Wotzlaw en ETH Zürich Professor Olivier Bachmann de ouderdom van granaatkristallen die aanwezig zijn in de vulkanische afzettingen. Dit mineraal groeit uit het magma terwijl het wordt opgeslagen in de magmakamer in de bovenste korst onder de Vesuvius. Als we weten hoe oud deze mineralen zijn, kunnen we afleiden hoe lang magma in deze kamer verbleef voordat de vulkaan het uitspuwde.

Granaat is een ongebruikelijke keuze voor het bepalen van de leeftijd van vulkanische ejecta. Onderzoekers gebruiken meestal zirkonen, kleine hulpmineralen die in veel stollingsgesteenten worden aangetroffen. Magma uit de Vesuvius is echter te alkalisch om zirkonen te laten kristalliseren, maar het is rijk aan granaat.

Om de ouderdom van de granaten te bepalen, gebruikten de onderzoekers de radioactieve elementen uranium en thorium. De kristalstructuur van granaat bevat beide in kleine maar meetbare hoeveelheden, met een voorkeur voor uranium. Met behulp van de verhouding van de isotopen uranium-238 tot thorium-230 kunnen de onderzoekers de kristallisatieleeftijd van de mineralen berekenen.

De granaten voor deze studie waren allemaal afkomstig van materiaal dat het ETH-team ter plaatse verzamelde met de hulp van collega's van de universiteiten van Milaan en Bari. Voor dit doel zochten ze naar overeenkomstige locaties waar de vulkanische afzettingen van de vier bovengenoemde uitbarstingen aan de oppervlakte zijn blootgesteld en toegankelijk zijn voor bemonstering.

Intervallen worden korter

Door gebruik te maken van de kristallisatieleeftijden van granaten, kunnen de onderzoekers nu aantonen dat het meest explosieve magmatype op de Vesuvius (het zogenaamde "fonolitische" magma) enkele duizenden jaren wordt opgeslagen in een reservoir in de bovenste korst voordat de instroom van meer primitieven, en heter, magma uit de onderste korst veroorzaakt een uitbarsting.

Voor de twee prehistorische gebeurtenissen bepaalden de onderzoekers dat het fonolitische magma ongeveer 5000 jaar in de kamer verbleef. Vóór de uitbarstingen in de historische periode werd het slechts ongeveer 1.000 jaar in dit reservoir opgeslagen.

Voor alle uitbarstingen valt de verblijftijd van het fonolitische magma in de bovenste aardkorstkamer samen met de rustperiodes van de Vesuvius.

"We denken dat het waarschijnlijk is dat een grote hoeveelheid fonolitisch magma in de bovenste korst de opwelling van meer primitief, heter magma uit diepere reservoirs blokkeerde", zegt Bachmann. "Vesuvius heeft een behoorlijk ingewikkeld sanitair systeem", voegt hij er grijnzend aan toe.

Onder de vulkaan bevinden zich verschillende magmakamers die met elkaar zijn verbonden door een systeem van pijpen. De bovenste kamer, die cruciaal is voor de uitbarstingen, vult zich in vrij korte tijd met magma uit een van de onderste kamers. In deze koudere omgeving koelt het magma af en kristalliseert het, wat leidt tot chemische veranderingen van de resterende smelt (een proces dat "magmatische differentiatie" wordt genoemd). Experts noemen het "gedifferentieerde" magma van de Vesuvius phonoliet. Op een bepaald moment (waarschijnlijk met relatief regelmatige tussenpozen) stroomt meer primitief of "mafisch" magma vanuit grotere diepte de bovenste kamer binnen. Deze herlading leidt tot een drukstijging in de kamer, die het fonolitische magma naar boven kan dwingen, mogelijk helemaal naar de oppervlakte, en een uitbarsting veroorzaakt.

Een reservoir van fonolitisch magma lijkt de afgelopen 10.000 jaar bijna altijd onder de Vesuvius te hebben bestaan. De vraag is echter of een vandaag die een gevaarlijke uitbarsting zou kunnen voeden, zoals die van 3.950 jaar geleden of die van 79 na Christus.

Ophoping van magma vrij onwaarschijnlijk

Seismisch onderzoek wijst uit dat er inderdaad een stuwmeer is op een diepte van ongeveer zes tot acht kilometer onder de Vesuvius. De samenstelling van het magma dat het bevat, d.w.z. of het fonolitisch of meer mafisch is, kan echter niet worden bepaald met behulp van seismische technologie. Maar aangezien de Vesuvius sinds 1631 voornamelijk mafisch magma produceert, denken onderzoekers dat het onwaarschijnlijk is dat gedifferentieerd fonoliet zich momenteel ophoopt. "De laatste grote uitbarsting in 1944 is nu bijna 80 jaar geleden, wat heel goed het begin kan zijn van een langdurige rustperiode waarin gedifferentieerd magma zich kan ophopen. Toch heeft een gevaarlijke uitbarsting vergelijkbaar met die in 79 na Christus waarschijnlijk de rustperiode nodig om gaan veel langer mee", zegt Wotzlaw.

Als in de komende decennia overwegend mafisch magma wordt uitgestoten, zou dit erop kunnen wijzen dat het magmalichaam dat door seismisch onderzoek wordt gedetecteerd, niet is samengesteld uit gedifferentieerd magma en dat er momenteel geen onder de Vesuvius aanwezig is. "Daarom denken we dat het waarschijnlijker is dat een grote, explosieve uitbarsting van de Vesuvius pas zal plaatsvinden na een eeuwenlange rustperiode", zegt Bachmann. Wotzlaw voegt eraan toe:"Kleinere maar nog steeds zeer gevaarlijke uitbarstingen zoals die in 1944 of zelfs die in 1631 kunnen optreden na kortere perioden van rust. Nauwkeurige voorspelling van de grootte en stijl van vulkaanuitbarstingen is tot nu toe niet mogelijk. Het opnieuw ontwaken van de magmareservoirs onder vulkanen zijn nu herkenbaar door monitoring."

Bewaking nauwgezet

Om onaangename verrassingen te voorkomen, worden de Vesuvius en zijn activiteit, samen met zijn grote broer in het westen, de Phlegraean Fields, de klok rond gevolgd. Het Italiaanse Nationale Instituut voor Geofysica en Vulkanologie meet bijvoorbeeld elke aardbeving rond de vulkanen, analyseert gassen die worden uitgestoten door fumarolen en observeert bodemvervorming, die indicatoren zijn van ondergrondse activiteit. Er is ook een noodplan waarin wordt uiteengezet hoe het grotere gebied van Napels moet worden geëvacueerd als de bewaking zou concluderen dat er een uitbarsting op handen is.