Den 30 april, 2018, på den östra flanken av Hawaiis Kīlauea-vulkan, lava dränerade plötsligt från en krater som hade spytt ut lava i mer än tre decennier. Sedan golvet i kratern, namnet Pu'u'ō'ō, hoppade av.

Inom 48 timmar, lavasjön vid Kilaueas topp 12 miles nordväst om Pu'u'ō'ō började falla när magma dränerades in i vulkanens rörsystem. Snart, nya sprickor öppnade sig 12 miles öster om Pu'u'ō'ō och smält lava sprutade ut, kröp över vägar, brända träd och brända elstolpar.

Över tre månader, Kīlauea spottade ut tillräckligt med lava för att fylla 320, 000 olympiska simbassänger, förstörde mer än 700 hem och fördrev tusentals människor. Själva topplandskapet förvandlades när dess krater kollapsade med så mycket som 1, 500 fot under hela sommaren på ett sätt som forskare bara börjar förstå.

"Under hela 60 år av modern geofysisk instrumentering av vulkaner, vi har bara haft ett halvdussin caldera kollapser, " sa Stanford University geofysiker Paul Segall, huvudförfattare till en ny studie i Proceedings of the National Academy of Sciences som hjälper till att förklara hur dessa händelser utvecklas och hittar bevis som bekräftar det rådande vetenskapliga paradigmet för hur friktion fungerar på jordbävningsfel.

Resultaten kan hjälpa till att informera framtida farobedömningar och begränsningsinsatser kring vulkanutbrott. "Att förbättra vår förståelse för fysiken som styr kalderakollapser kommer att hjälpa oss att bättre förstå villkoren under vilka kollapser är möjliga och förutsäga utvecklingen av en kollapssekvens när den börjar, " sa medförfattaren Kyle Anderson, Ph.D. '12, en geofysiker vid U.S. Geological Survey som var en del av teamet som arbetade på plats i Kilauea under 2018 års utbrott.

Friktionens natur

En nyckelfaktor som styr kollapsen av vulkaniska kalderor - och bristningen av jordbävningsfel runt om i världen - är friktion. Det är allestädes närvarande i naturen och våra vardagliga liv, kommer till spel varje gång två ytor rör sig i förhållande till varandra. Men interaktioner mellan ytor är så komplexa att trots århundraden av studier, forskare förstår fortfarande inte helt hur friktion beter sig i olika situationer. "Det är inget som vi helt och hållet kan förutsäga med hjälp av enbart ekvationer. Vi behöver också data från experiment, sa Segall.

Forskare som försöker förstå friktionens roll vid jordbävningar utför vanligtvis dessa experiment i laboratorier med stenplattor som knappt är större än en dörr och ofta närmare storleken på en kortlek. "En av de stora utmaningarna inom jordbävningsvetenskapen har varit att ta dessa friktionslagar och de värden som hittades i laboratoriet, och tillämpa dem på, säga, San Andreas-felet, eftersom det är ett så enormt hopp i skala, sade Segall, Cecil H. och Ida M. Green professor i geofysik vid Stanfords School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth).

I den nya studien, publicerad 23 juli, Segall och Anderson undersöker glidningen och fastsättningen av Kīlauea-vulkanens kollapsblock – en bit av jordskorpan fem mil runt och en halv mil djup – för att karakterisera friktion i mycket större skala. "Vi bestämde oss för att utveckla en matematisk modell av den kollapsen, mycket förenklat, men med modern förståelse av friktion, sa Segall.

Kilaueas kollaps

Kīlaueas caldera kollapsade inte i en jämn nedstigning, utan snarare som en klibbig kolv. Ungefär varje dag och en halv, kollapsblocket sjönk med nästan åtta fot på några sekunder, sedan stannade. Det beror på att magma i kammaren nedanför kalderan strömmade ut till sprickor i Kīlaueas nedre östra flank, det tog bort stödet för den överliggande stenen. "Så småningom, trycket blir tillräckligt lågt att golvet faller in och det börjar kollapsa, som ett slukhål, sa Segall.

När Kīlauea-utbrottet 2018 tog slut, vulkanens kolvliknande kollapshändelser som upprepades 62 gånger – var och en utlöser en jordbävning och varje rörelse spåras ner till millimetern var femte sekund av en uppsättning 20 globala positioneringssystem (GPS) instrument. Under de första tiotalet kollapshändelser, bergytornas geometri förändrades, men de höll sig stabilt under de sista 30 stoppnedfarterna.

Den nya forskningen visar att för denna typ av utbrott, när eruptivventilen är på en lägre höjd, det leder till ett större tryckfall under kalderablocket – vilket då gör det mer sannolikt att en kollaps kommer att starta. När kollapsen väl inleds, vikten av det massiva kalderablocket håller trycket på magma, tvinga den till utbrottstomten. "Om inte för kollapsen, utbrottet skulle utan tvekan ha slutat mycket tidigare, Sa Segall.

Utvecklande friktion

Segall och Andersons analys av mängden data från Kīlaueas kalderakollaps bekräftar att, även i den här vulkanens stora omfattning, hur olika stenytor glider och glider förbi varandra eller fastnar med olika hastigheter och tryck över tiden påminner mycket om vad forskare har funnit i småskaliga laboratorieexperiment.

Specifikt, de nya resultaten ger en övre gräns för en viktig faktor inom jordbävningsmekaniken, känd som glidförsvagningsavstånd, som geofysiker använder för att beräkna hur förkastningar lossnar. Detta är det avstånd över vilket friktionsstyrkan hos ett fel försvagas innan det spricker – något som är centralt för noggrann modellering av stabiliteten och uppbyggnaden av energi vid jordbävningsfel. Laboratorieexperiment har föreslagit att detta avstånd kan vara så kort som tiotals mikron - motsvarande bredden på ett hår som skarvats i några dussin flisor - medan uppskattningar från riktiga jordbävningar indikerar att det kan vara så långt som 20 centimeter.

Den nya modelleringen visar nu att denna utveckling sker över inte mer än 10 millimeter, och möjligen mycket mindre. "Osäkerheterna är större än de är i labbet, men friktionsegenskaperna överensstämmer helt med vad som mäts i laboratoriet, och det är mycket bekräftande, ", sa Segall. "Det säger oss att vi är okej att ta dessa mätningar från riktigt små prover och applicera dem på stora tektoniska fel eftersom de stämde i beteendet vi observerade i Kilaueas kollaps."

Det nya verket lägger också till realistisk komplexitet till en matematisk kolvmodell, föreslog för ett decennium sedan av den japanske vulkanologen Hiroyuki Kumagai och kollegor, för att förklara en stor kalderakollaps på Miyake Island, Japan. Medan den brett omfamnade Kumagai-modellen antog att vulkanens klippytor förändrades som genom att vrida en strömbrytare från att vara stationära i förhållande till varandra till att glida förbi varandra, den nya modelleringen inser att övergången mellan "statisk" och "dynamisk" friktion är mer komplex och gradvis. "Ingenting i naturen inträffar omedelbart, sa Segall.