Ju mer vatten löses upp i magma, desto större är risken att en vulkan exploderar. En ny ETH -studie visar nu att denna enkla regel bara delvis är sann. Paradoxalt, hög vattenhalt minskar risken för explosion avsevärt.

Vulkanologer har länge varit oroliga för två frågor:När exakt kommer en vulkan att bryta ut härnäst? Och hur kommer det utbrottet att utvecklas? Kommer lavan att flyta nerför berget som en viskös pasta, eller kommer vulkanen att explosivt driva ett askmoln upp i atmosfären?

Den första frågan om "när" kan nu besvaras relativt exakt, förklarar Olivier Bachmann, Professor i magmatisk petrologi vid ETH Zürich. Han pekar på övervakningsdata från Kanarieöarna La Palma, där vulkanen Cumbre Vieja nyligen avgav ett lavaström som strömmade ner till havet. Med hjälp av seismiska data, experterna kunde spåra lavans uppkomst i realtid, så att säga, och förutsäga utbrottet inom några dagar.

Oförutsägbara naturkrafter

"Hur, " å andra sidan, är fortfarande en stor huvudvärk för vulkanologer. Det är känt att vulkaner på öar som La Palma eller Hawaii inte kommer att producera enorma explosioner. Men denna fråga är mycket svårare att svara på för de stora vulkanerna som ligger längs subduktionszoner, som de som finns i Anderna, på USA:s västkust, i Japan, Indonesien, eller i Italien och Grekland. Detta beror på att alla dessa vulkaner kan bryta ut på många olika sätt, utan något sätt att förutsäga vilken som kommer att inträffa.

För att bättre förstå hur en vulkan bryter ut, under de senaste åren har många forskare fokuserat på vad som händer i vulkanledningen. Det har varit känt under en tid att de lösta gaserna i magma, som sedan framträder som lava vid jordens yta, är en viktig faktor. Om det finns stora mängder lösta gaser i magma, gasbubblor bildas som svar på tryckminskningen när magma stiger upp genom ledningen, liknande det som händer i en skakad champagneflaska. Dessa gasbubblor, om de inte kan fly, sedan leda till ett explosivt utbrott. I kontrast, en magma som innehåller lite upplöst gas rinner försiktigt ut ur ledningen och är därför mycket mindre farligt för det omgivande området.

Vad händer i uppkörningen?

Bachmann och hans postdoktor Răzvan-Gabriel Popa har nu fokuserat på magmakammaren i en ny studie som de nyligen publicerade i tidskriften Naturgeovetenskap . I en omfattande litteraturstudie, de analyserade data från 245 vulkanutbrott, rekonstruera hur varm magmakammaren var före utbrottet, hur många fasta kristaller som fanns i smältan och hur hög upplöst vattenhalt var. Denna sista faktor är särskilt viktig, eftersom det upplösta vattnet senare bildar de ökända gasbubblorna under magmas uppstigning, att förvandla vulkanen till en champagneflaska som alltför snabbt var korkad.

Uppgifterna bekräftade initialt den befintliga doktrinen:om magma innehåller lite vatten, risken för ett explosivt utbrott är låg. Risken är också låg om magma redan innehåller många kristaller. Detta beror på att dessa säkerställer bildandet av gaskanaler i ledningen genom vilka gasen lätt kan komma ut, Bachmann förklarar. När det gäller magma med få kristaller och ett vatteninnehåll på mer än 3,5 procent, å andra sidan, risken för ett explosivt utbrott är mycket hög - precis som den rådande doktrinen förutspår.

Vad överraskade Bachmann och Popa, dock, var att bilden ändras igen med hög vattenhalt:om det finns mer än cirka 5,5 procent vatten i magma, risken för ett explosivt utbrott sjunker markant, även om många gasbubblor säkert kan bildas när lavan stiger. "Så det finns ett klart definierat riskområde som vi måste fokusera på, "Förklarar Bachmann.

Gaser som buffert

De två vulkanologerna förklarar sitt nya fynd genom två effekter, allt relaterat till det mycket höga vatteninnehållet som gör att gasbubblor inte bara bildas i ledningen, men också nere i magmakammaren. Först, de många gasbubblorna ansluter sig tidigt, på stort djup, för att bilda kanaler i ledningen, gör det lättare för gasen att fly. Gasen kan sedan läcka ut i atmosfären utan någon explosiv effekt. Andra, gasbubblorna som finns i magmakammaren fördröjer vulkanens utbrott och minskar därmed risken för en explosion.

"Innan en vulkan bryter ut, het magma stiger från stora djup och kommer in i vulkanens subvulkaniska kammare, som ligger 6 till 8 kilometer under ytan, och ökar trycket där, "Popa förklarar." Så snart trycket i magmakammaren är tillräckligt högt för att spricka de överliggande stenarna, uppstår ett utbrott. "

Om den smälta berget i magmakammaren innehåller gasbubblor, dessa fungerar som en buffert:de komprimeras av materialet som stiger underifrån, saktar ner tryckuppbyggnaden i magmakammaren. Denna fördröjning ger magma mer tid att absorbera värme underifrån, sådan att lavan är varmare och därmed mindre viskös när den äntligen bryter ut. Detta gör det lättare för gasen i ledningen att fly från magma utan explosiva biverkningar.

COVID-19 som en lycka till

Dessa nya fynd gör det teoretiskt möjligt att komma fram till bättre prognoser för när man kan förvänta sig en farlig explosion. Frågan är, hur kan forskare i förväg bestämma mängden gasbubbla i magmakammaren och i vilken utsträckning magma redan har kristalliserat? "Vi diskuterar för närvarande med geofysiker vilka metoder som kan användas för att bäst registrera dessa viktiga parametrar, "Säger Bachmann." Jag tror att lösningen är att kombinera olika mått - seismik, gravimetrisk, geoelektriska och magnetiska data, till exempel."

Avslutningsvis, Bachmann nämner en sidaspekt av den nya studien:"Om det inte vore för coronakrisen, vi skulle nog inte ha skrivit det här papperet, "säger han med ett flin." När den första avstängningen innebar att vi plötsligt inte kunde gå in på fältet eller labbet, vi var tvungna att ompröva vår forskningsverksamhet med kort varsel. Så vi tog den tid vi nu hade på våra händer och spenderade den med att gå igenom litteraturen för att verifiera en idé vi redan hade baserat på våra egna mätdata. Vi skulle nog inte ha gjort denna tidskrävande forskning under normala omständigheter. "