Vad orsakar ett utbrott? Varför får vissa vulkaner utbrott regelbundet, medan andra förblir vilande i tusentals år? Ett team av geologer och geofysiker, leds av universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, har gått igenom litteraturen om de inre och yttre mekanismer som leder till ett vulkanutbrott. Analysera termomekaniken för djupa vulkaniska processer och magmautbredning till ytan, tillsammans med magmakemi, geologerna fastställde att det mesta av magman som stiger upp från djupet faktiskt inte orsakar ett vulkanutbrott. De visar också att äldre vulkaner tenderar att producera mindre frekvent, men större och farligare utbrott. Deras resultat, publiceras i Naturrecensioner Jord och miljö , kommer att hjälpa till att förfina modeller av vulkaniska processer för att minska effekten av vulkanutbrott på de mer än 800 miljoner människor som bor nära aktiva vulkaner.

Vulkanisk aktivitet är fortfarande svår att förutsäga även när den övervakas noga. Varför bröt inte berget Fuji ut efter den kraftiga jordbävningen i Tohoku, Japan? Varför genererade utbrottet av Eyjafjallajökul en så stor mängd vulkanaska? För att fastställa orsakerna till vulkanutbrott, geologer och geofysiker ledda av Luca Caricchi, professor vid institutionen för geovetenskaper vid UNIGEs naturvetenskapliga fakultet, har tagit upp den befintliga litteraturen och analyserat alla stadier som föregår ett utbrott.

Magmans väg från jordens djup

Magma är smält sten som kommer från tiotals kilometers djup och stiger till jordens yta. "Under sin resa, magma kan fastna i reservoarer i jordskorpan, där den kan stagnera i tusentals år och potentiellt aldrig få utbrott, " förklarar Meredith Townsend, en forskare vid Institutionen för geovetenskaper vid University of Oregon (U.S.). Specialiserad på termomekanisk modellering, den amerikanska forskaren fokuserade på att beräkna trycket som krävs för att magman ska bryta upp stenarna som omger reservoaren och stiga till ytan.

Eleonora Rivalta, en forskare vid Potsdam Research Centre for Geosciences (Tyskland) och University of Bologna (Italien), studerade utbredningen av magma när den stiger till ytan:"Om den är tillräckligt rinnig, det vill säga om den inte innehåller för många kristaller, magma kan stiga mycket snabbt genom en sorts självgående fracking, " fortsätter hon. Om magma kristalliserar mer än 50%, den blir för trögflytande och dess marsch mot ytan stannar. Magma kan också ta olika vägar, vertikal, horisontellt eller lutande. Luca Caricchi är specialiserad på magmakemi, som ger viktig information om magmans tillstånd innan ett vulkanutbrott inträffar. "Kemin av magma och kristallerna den innehåller ger viktig information om händelseförloppet som leder till ett vulkanutbrott, vilket är värdefullt för att bättre tolka övervakningssignalerna från aktiva vulkaner och förutse om ett utbrott kan inträffa, " förklarar den Genève-baserade forskaren. Slutligen, Atsuko Namiki, en forskare vid Graduate School of Environmental Studies vid Nagoya University (Japan), har analyserat de yttre triggerna för ett utbrott, som jordbävningar, tidvatten eller regn:"De här ensamma kan inte orsaka ett utbrott, magman måste vara redo och väntar på en trigger."

"För att ett utbrott ska äga rum, flera villkor måste uppfyllas samtidigt. Magma med mindre än 50 % kristaller måste förvaras i en reservoar, " börjar Luca Caricchi. Då måste denna reservoar övertryckas. Övertrycket kan vara resultatet av interna fenomen som en förnyad injektion av magma eller utlösning av magmatiska gaser eller så kan det stiga till kritiska värden på grund av yttre händelser som jordbävningar. Slutligen , när trycket är tillräckligt för att magman ska börja stiga, det finns fortfarande många hinder som kan hindra magman från att bryta ut.

Vulkanens ålder som ett primärt kriterium

Denna omfattande analys kastar ljus över beteendet hos vulkaner som kan förändras under deras livstid. "När en vulkan precis börjar vara aktiv, dess reservoar är ganska liten (några km ³ ) och den omgivande skorpan är relativt kall, vilket leder till många frekventa, men små och ganska förutsägbara utbrott, " förklarar Luca Caricchi. Det är en annan historia med gamla vulkaner. "Deras reservoar är större och klipporna runt dem är hetare. När ny magma injiceras, det genererar inte mycket övertryck eftersom stenarna runt reservoaren deformeras och tillväxten fortsätter, " säger geologen. Som ett exempel började Mt. St. Helens (USA) att få utbrott för 40 000 år sedan (en tidsförskjutning med geologiska mått mätt) och dess senaste utbrott 2008 var litet och inte farligt. Tvärtom, Toba (Indonesien) började få ett explosivt utbrott för cirka 1,2 miljoner år sedan och dess senaste utbrott för 74 000 år sedan var katastrofalt. Det förstörde omgivningen totalt och hade en inverkan på det globala klimatet.

Så småningom, ansamling av stora mängder magma kommer att leda till stora utbrott. "Dessutom, varningstecknen är mycket svåra att upptäcka eftersom de höga temperaturerna minskar seismisk aktivitet och interaktionen mellan gaser och magma ändrar deras sammansättning, gör det svårare att förstå vad som händer under, " säger han. Ju högre grad av magmainmatning, desto snabbare "åldras" vulkanen.

Att känna till vulkanens ålder, som kan dateras genom att analysera zirkonen i stenarna, gör det möjligt för geologer att förstå vulkanernas livsstadium. "Det finns för närvarande 1, 500 aktiva vulkaner, och cirka 50 av dem får utbrott varje år. Att veta om man ska evakuera befolkningen eller inte är avgörande och vi hoppas att vår studie kommer att bidra till att minska effekten av vulkanisk aktivitet på vårt samhälle, fortsätter Luca Caricchi. "Förhoppningsvis kommer våra fynd att testas på vulkaner som har studerats omfattande, som de i Italien, USA och Japan, och överförs till andra vulkaner för vilka det finns mindre data, som i Indonesien eller Sydamerika."