Forskare som strävar efter att förstå hur och när vulkaner kan få ett utbrott står inför en utmaning:många av processerna äger rum djupt under jorden i lavarör som väller med farlig smält jord. Vid utbrott, alla underjordiska markörer som kunde ha gett ledtrådar som leder fram till en explosion förstörs ofta.

Men genom att utnyttja observationer av små kristaller av mineralet olivin som bildades under ett våldsamt utbrott som ägde rum på Hawaii för mer än ett halvt sekel sedan, Forskare vid Stanford University har hittat ett sätt att testa datormodeller av magmaflöde, som de säger kan avslöja nya insikter om tidigare utbrott och möjligen hjälpa till att förutsäga framtida.

"Vi kan faktiskt härleda kvantitativa attribut för flödet före utbrottet från dessa kristalldata och lära oss om processerna som ledde till utbrottet utan att borra in i vulkanen, sa Jenny Suckale, en biträdande professor i geofysik vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap (Stanford Earth). "Det är för mig den heliga gralen i vulkanologi."

De millimeterstora kristallerna upptäcktes begravda i lava efter utbrottet av vulkanen Kilauea på Hawaii 1959. En analys av kristallerna visade att de var orienterade på ett udda, men förvånansvärt konsekvent mönster, som Stanford-forskarna antog att den bildades av en våg i magman under ytan som påverkade riktningen för kristallerna i flödet. De simulerade denna fysiska process för första gången i en studie publicerad i Vetenskapens framsteg 4 dec.

"Jag har alltid haft misstanken att dessa kristaller är mycket mer intressanta och viktiga än vi ger dem kredit för, sa Suckale, som är senior författare på studien.

Detektivarbete

Det var ett slumpmässigt möte som fick Suckale att agera efter hennes misstanke. Hon fick en inblick när hon lyssnade på en Stanford-students presentation om mikroplast i havet, där vågor kan få icke-sfäriska partiklar att anta ett konsekvent felorienteringsmönster. Suckale rekryterade talaren, dåvarande Ph.D. student Michelle DiBenedetto, för att se om teorin kunde tillämpas på de udda kristallorienteringarna från Kilauea.

"Detta är resultatet av detektivarbetet med att uppskatta detaljen som det viktigaste beviset, " sa Suckale.

Tillsammans med Zhipeng Qin, en forskare inom geofysik, teamet analyserade kristaller från Scoria, en mörk, porös bergart som bildas vid kylning av magma som innehåller lösta gaser. När en vulkan får utbrott, den flytande magman – känd som lava när den väl når ytan – chockas av den svalare atmosfärstemperaturen, fångar snabbt de naturligt förekommande olivinkristallerna och bubblorna. Processen går så snabbt att kristallerna inte kan växa, effektivt fånga vad som hände under utbrottet.

Den nya simuleringen är baserad på kristallorienteringar från Kilauea Iki, en gropkrater bredvid toppen av vulkanen Kilauea. Det ger en baslinje för att förstå flödet av Kilaueas ledning, den rörformiga passagen genom vilken het magma under marken stiger upp till jordens yta. Eftersom Scoria kan blåsas flera hundra fot bort från vulkanen, dessa prover är relativt lätta att samla in. "Det är spännande att vi kan använda dessa riktigt småskaliga processer för att förstå detta enorma system, sa DiBenedetto, huvudförfattaren till studien, nu postdoktor vid Woods Hole Oceanographic Institution.

Fångar en våg

För att förbli flytande, materialet i en vulkan måste ständigt röra sig. Teamets analys indikerar att den udda inriktningen av kristallerna orsakades av magma som rörde sig i två riktningar samtidigt, med ett flöde direkt ovanpå det andra, istället för att hälla genom ledningen i en jämn ström. Forskare hade tidigare spekulerat i att detta kunde hända, men bristen på direkt tillgång till den smälta ledningen hindrade avgörande bevis, enligt Suckale.

"Denna data är viktig för att främja vår framtida forskning om dessa faror för om jag kan mäta vågen, Jag kan begränsa magmaflödet – och dessa kristaller tillåter mig att ta mig till den vågen, " sa Suckale.

Att övervaka Kilauea ur ett riskperspektiv är en ständig utmaning på grund av den aktiva vulkanens oförutsägbara utbrott. Istället för att läcka lava kontinuerligt, det har periodiska utbrott som resulterar i lavaflöden som äventyrar invånare på den sydöstra sidan av Big Island of Hawaii.

Att spåra kristallfelorientering genom de olika stadierna av framtida Kilauea-utbrott kan göra det möjligt för forskare att härleda ledningsflödesförhållanden över tiden, säger forskarna.

"Ingen vet när nästa avsnitt kommer att börja eller hur illa det kommer att bli - och att allt beror på detaljerna i rördynamiken, " sa Suckale.