Den smälta stenen som matar vulkaner kan lagras i jordskorpan så länge som tusen år, ett resultat som kan hjälpa till med vulkanisk riskhantering och bättre prognoser om när utbrott kan inträffa.

Forskare från University of Cambridge använde vulkaniska mineraler som kallas "kristallklockor" för att beräkna hur länge magma kan lagras i de djupaste delarna av vulkaniska system. Detta är den första uppskattningen av magma lagringstider nära gränsen för jordskorpan och manteln, kallas Moho. Resultaten redovisas i tidskriften Vetenskap .

"Det här är som geologiskt detektivarbete, " sa Dr Euan Mutch från Cambridges institution för geovetenskaper, och tidningens första författare. "Genom att studera vad vi ser i klipporna för att rekonstruera hur utbrottet var, vi kan också veta vilken typ av förhållanden magman lagras under, men det är svårt att förstå vad som händer i de djupare delarna av vulkaniska system."

"Att bestämma hur länge magma kan lagras i jordskorpan kan hjälpa till att förbättra modeller av de processer som utlöser vulkanutbrott, " sa medförfattaren Dr John Maclennan, även från institutionen för geovetenskaper. "Hastigheten för magmauppgång och lagring är nära kopplad till överföringen av värme och kemikalier i skorpan i vulkaniska regioner, vilket är viktigt för geotermisk kraft och utsläpp av vulkaniska gaser till atmosfären."

Forskarna studerade Borgarhraun-utbrottet av vulkanen Theistareykir på norra Island, som inträffade ungefär 10, 000 år sedan, och matades direkt från Moho. Detta gränsområde spelar en viktig roll i bearbetningen av smältor när de färdas från sina källområden i manteln mot jordens yta. För att beräkna hur länge magman lagrades vid detta gränsområde, forskarna använde ett vulkaniskt mineral som kallas spinell som ett litet stoppur eller kristallklocka.

Med hjälp av kristallklockmetoden, forskarna kunde modellera hur sammansättningen av spinellkristallerna förändrades över tiden medan magman lagrades. Specifikt, de tittade på diffusionshastigheterna för aluminium och krom i kristallerna och hur dessa element är "zonade".

"Diffusion av grundämnen arbetar för att få kristallen i kemisk jämvikt med dess omgivning, ", sa Maclennan. "Om vi ​​vet hur snabbt de diffunderar kan vi räkna ut hur länge mineralerna lagrades i magman."

Forskarna tittade på hur aluminium och krom var zonerade i kristallerna, och insåg att detta mönster berättade något spännande och nytt om magmalagringstid. Diffusionshastigheterna uppskattades med hjälp av resultaten från tidigare laboratorieexperiment. Forskarna använde sedan en ny metod, genom att kombinera begränsad elementmodellering och Bayesiansk kapslad provtagning för att uppskatta lagringstiderna.

"Vi har nu riktigt bra uppskattningar när det gäller var magman kommer ifrån när det gäller djup, " sa Mutch. "Ingen har någonsin fått den här typen av tidsskalainformation från den djupare skorpan."

Att beräkna lagringstiden för magma hjälpte också forskarna att avgöra hur magma kan överföras till ytan. Istället för den klassiska modellen av en vulkan med en stor magmakammare under, forskarna säger att istället det är mer som ett vulkaniskt "VVS -system" som sträcker sig genom skorpan med massor av små "pip" där magma snabbt kan överföras till ytan.

En andra uppsats av samma team, nyligen publicerad i Nature Geoscience, fann att det finns ett samband mellan uppstigningshastigheten för magman och frigörandet av CO2, vilket har konsekvenser för vulkanövervakning.

Forskarna observerade att tillräckligt med CO2 överfördes från magman till gas under dagarna före utbrottet för att indikera att CO2-övervakning kan vara ett användbart sätt att upptäcka prekursorerna till utbrott på Island. Baserad på samma uppsättning kristaller från Borgarhraun, forskarna fann att magma kan stiga från en kammare som är 20 kilometer djup till ytan på så lite som fyra dagar.