Beläget nära Neapel, Italien, hade Vesuvius senast ett våldsamt utbrott 1944, mot slutet av andra världskriget. Det kan ta några hundra år innan ytterligare ett farligt explosivt utbrott inträffar, finner en ny studie av vulkanexperter vid ETH Zürich.

Vesuvius är en av Europas farligaste vulkaner. Mer än tre miljoner människor bor i dess omedelbara närhet, och under historisk och förhistorisk tid var det explosiva utbrott som förstörde hela bosättningar och städer i området.

Så den angelägna frågan är:När kommer Vesuvius att få ett utbrott igen och hur starkt kan utbrottet vara?

För att svara på denna fråga har en forskargrupp vid ETH Zürich, i samarbete med forskare från Italien, tagit en närmare titt på de fyra största utbrotten av Vesuvius under de senaste 10 000 åren så att de bättre kan bedöma om en farlig händelse kan förväntas i överskådlig framtid.

De fyra utbrotten som studerades inkluderar Avellino-utbrottet för 3 950 år sedan, vilket anses vara ett möjligt "värsta scenario" för framtida utbrott, och utbrottet år 79 e.Kr. som begravde de romerska städerna Pompeji och Herculaneum. Det sistnämnda dokumenterades av den romerske författaren Plinius den yngre, och därför kallas alla utbrott av denna typ som "plinska" utbrott. Vidare studerade vulkanologerna utbrott 472 e.Kr. och 8890 f.Kr. Sub-Plinian-utbrottet år 472 e.Kr. är det minsta av de undersökta utbrotten men fortfarande lika i storlek jämfört med det senaste Tonga-utbrottet.

Granater tillåter exakt dejting

I deras studie, som just har publicerats i tidskriften Science Advances , fastställde forskarna som arbetade med huvudförfattaren Jörn-Frederik Wotzlaw och ETH Zürich-professor Olivier Bachmann åldern på granatkristaller som finns i de vulkaniska avlagringarna. Detta mineral växer från magman när det lagras i magmakammaren i den övre skorpan under Vesuvius. Att känna till dessa minerals ålder gör det möjligt att sluta sig till hur länge magma fanns i denna kammare innan vulkanen spydde ut den.

Granat är ett ovanligt val för att bestämma åldern på vulkanutkast. Forskare använder vanligtvis zirkoner, som är små tillbehörsmineraler som finns i många magmatiska bergarter. Magma från Vesuvius är dock för alkaliskt för att kristallisera zirkoner, men det är rikt på granat.

För att fastställa granatens ålder använde forskarna de radioaktiva grundämnena uran och torium. Granatets kristallstruktur innehåller både små men mätbara mängder, med en preferens för uran. Med hjälp av förhållandet mellan isotoperna uran-238 och torium-230 kan forskarna beräkna mineralernas kristallisationsålder.

Granaten för denna studie kom alla från material som ETH-teamet samlade in på plats med hjälp av kollegor från universiteten i Milano och Bari. För detta ändamål sökte de efter motsvarande platser där vulkanavlagringarna från de fyra utbrotten som nämns ovan är exponerade vid ytan och är tillgängliga för provtagning.

Intervallerna blir kortare

Genom att använda granaters kristallisationsålder kan forskarna nu visa att den mest explosiva magmatypen vid Vesuvius (så kallad "fonolitisk" magma) lagras i en reservoar i den övre jordskorpan i flera tusen år innan inflödet av mer primitivt, och varmare, magma från den nedre skorpan utlöser ett utbrott.

För de två förhistoriska händelserna fastställde forskarna att den fonolitiska magman fanns i kammaren i cirka 5 000 år. Innan utbrotten under den historiska perioden lagrades den i denna reservoar i endast cirka 1 000 år.

För alla utbrotten sammanfaller uppehållstiden för den fonolitiska magman i den övre skorpkammaren med Vesuvius viloperioder.

"Vi tror att det är troligt att en stor kropp av fonolitisk magma i den övre skorpan blockerade uppströmningen av mer primitiv, hetare magma från djupare reservoarer," säger Bachmann. "Vesuvius har ett ganska komplicerat VVS-system", tillägger han med ett flin.

Nedanför vulkanen finns flera magmakammare förbundna med ett system av rör. Den övre kammaren, som är kritisk för utbrotten, fylls på ganska kort tid med magma från en av de nedre kamrarna. I denna kallare miljö kyls magman och kristalliseras, vilket leder till kemiska förändringar av den kvarvarande smältan (en process som kallas "magmatisk differentiering"). Experter kallar Vesuvius "differentierade" magma för fonolit. Vid någon tidpunkt (förmodligen med relativt jämna mellanrum) flödar mer primitiv, eller "maffisk" magma in i den övre kammaren från större djup. Denna omladdning leder till en tryckökning i kammaren, vilket kan tvinga den fonolitiska magman uppåt, potentiellt hela vägen till ytan, vilket kan starta ett utbrott.

En reservoar av fonolitisk magma verkar nästan alltid ha funnits under Vesuvius under de senaste 10 000 åren. Frågan är dock om en idag som skulle kunna mata ett farligt utbrott som det för 3 950 år sedan eller det från 79 e.Kr.

Magmauppbyggnad ganska osannolik

Seismiska undersökningar tyder på att det verkligen finns en reservoar på ett djup av cirka sex till åtta kilometer under Vesuvius. Sammansättningen av den magma den innehåller – det vill säga om den är fonolitisk eller mer maffisk – kan dock inte bestämmas med seismisk teknologi. Men eftersom Vesuvius har producerat mestadels maffisk magma sedan 1631, anser forskare att det är osannolikt att differentierad fonolit för närvarande ackumuleras. "Det senaste stora utbrottet 1944 är nu för nästan 80 år sedan, vilket mycket väl kan vara början på en utdragen viloperiod under vilken differentierad magma kan ackumuleras. Ändå behöver ett farligt utbrott jämförbart med det i 79 e.Kr. förmodligen den vilande perioden för att håller mycket längre", säger Wotzlaw.

Om övervägande maffisk magma stöts ut under de kommande decennierna, kan detta tyda på att magmakroppen som detekterats av seismiska undersökningar inte är sammansatt av differentierad magma och att ingen för närvarande finns under Vesuvius. "Det är därför vi tror att det är mer troligt att ett stort, explosivt utbrott av Vesuvius skulle inträffa först efter en lugn period som varar i århundraden," säger Bachmann. Wotzlaw tillägger, "Men mindre men fortfarande mycket farliga utbrott som det 1944 eller till och med det 1631 kan inträffa efter kortare perioder av vila. Noggranna prognoser av storleken och stilen på vulkanutbrotten är än så länge inte möjlig. Men återuppvaknandet av magma-reservoarerna under vulkaner kan nu kännas igen genom övervakning."

När övervakning

För att undvika några otäcka överraskningar övervakas Vesuvius och dess aktivitet, tillsammans med sin storebror i väster, Phlegraean Fields, dygnet runt. Till exempel mäter Italiens nationella institut för geofysik och vulkanologi varje jordbävning runt vulkanerna, analyserar gaser som släpps ut från fumaroler och observerar markdeformation, som är indikatorer på underjordisk aktivitet. Det finns också en nödplan som beskriver hur man ska evakuera det större Neapelområdet om övervakningen skulle dra slutsatsen att ett utbrott är nära förestående.