Ny forskning om smält sten 20 km under jordens yta kan hjälpa till att rädda liv genom att förbättra förutsägelsen av vulkanisk aktivitet.
Vulkanutbrott utgör betydande risker, med förödande effekter på både människor som bor i närheten och miljön. De förutsägs för närvarande baserat på aktiviteten hos själva vulkanen och de övre kilometerna av skorpan under den, som innehåller smält sten som potentiellt är redo att få utbrott.
Ny forskning visar dock på vikten av att söka efter ledtrådar mycket djupare i jordskorpan, där stenar först smälts till magma innan de stiger till kammare närmare ytan.
För att förstå hur vår planets mest explosiva fenomen fungerar inre, grävde forskare vid Imperial College London och University of Bristol djupt för att belysa frekvensen, sammansättningen och storleken av vulkanutbrott runt om i världen.
Deras fynd tyder på att storleken och frekvensen av utbrott är nära kopplade till den tid det tar för extremt varm, smält sten, känd som magma, att bildas i dessa djupa reservoarer under jordskorpan – på djup på upp till 20 kilometer – såväl som till storleken på dessa reservoarer.
Forskare tror att resultaten, publicerade i Science Advances, kommer att tillåta dem att förutsäga vulkanutbrott mer exakt, vilket i slutändan skyddar samhällen av människor och hjälper till att minska riskerna för miljön.
Studien, ledde forskare vid Institutionen för geovetenskap och teknik vid Imperial, granskade data från 60 av de mest explosiva vulkanutbrotten som spänner över nio länder:USA, Nya Zeeland, Japan, Ryssland, Argentina, Chile, Nicaragua, El Salvador och Indonesien.
Studieförfattaren Dr. Catherine Booth, forskningsassistent vid Institutionen för geovetenskap och teknik vid Imperial College London, sa:"Vi tittade på vulkaner runt om i världen och grävde djupare än tidigare studier som fokuserade på grunda underjordiska kammare där magma lagras före utbrott Vi fokuserade på att förstå magmakällareservoarer djupt under våra fötter, där extrem värme smälter fasta stenar till magma på djup på cirka 10 till 20 kilometer."
Teamet kombinerade verklig data med avancerade datormodeller. De tittade på sammansättningen, strukturen och historien för stenar djupt under jordskorpan, tillsammans med information som samlats in från aktiva vulkaner, för att förstå hur magma byggs upp och beter sig djupt under jorden, för att så småningom stiga genom jordskorpan till vulkaner.
Med hjälp av denna information skapade forskare datorsimuleringar som efterliknar de komplexa processerna av magmaflöde och lagring djupt inne i jorden. Genom dessa simuleringar fick teamet nya insikter om vilka faktorer som driver vulkanutbrott.
"Tvärtemot tidigare uppfattningar tyder vår studie på att magmans flytkraft, snarare än andelen fast och smält sten, är det som driver utbrotten", säger Dr Booth.
"Magmaflytkraft styrs av dess temperatur och kemiska sammansättning jämfört med det omgivande berget – eftersom magman ackumulerar ändras dess sammansättning för att göra den mindre tät, vilket gör den mer "flytande" och gör att den kan stiga.
"När magman blir tillräckligt flytande för att flyta, stiger den och skapar sprickor i det överliggande fasta berget - och det flyter sedan genom dessa sprickor mycket snabbt, vilket orsakar ett utbrott."
Förutom att identifiera flytkraft hos magma som en viktig faktor som driver utbrott, tittade forskare också på hur magma beter sig när den når grundare underjordiska kammare precis innan utbrottet. De fann att hur länge magma lagrades i dessa grundare kammare också kan ha en effekt på vulkanutbrott – med längre lagringsperioder som leder till mindre utbrott.
Medan större reservoarer kan förväntas ge bränsle till större, mer explosiva utbrott, avslöjade resultaten också att mycket stora reservoarer sprider värme, vilket saktar ner processen att smälta fasta stenar till magma. Detta fick forskare att dra slutsatsen att reservoarernas storlek är en annan nyckelfaktor för att exakt förutsäga utbrottsstorlekar – och att det finns en sådan sak som en optimal storlek för de mest explosiva utbrotten.
Fynden visar också att utbrott sällan är isolerade och istället är en del av en repetitiv cykel. Dessutom var magman som frigjordes av vulkanerna som de studerade hög i kiseldioxid, en naturlig förening som är känd för att spela en roll för att bestämma viskositeten och explosiviteten hos magma – där magma med hög kiseldioxid tenderar att vara mer trögflytande och resulterar i mer explosiva utbrott.
Medförfattare professor Matt Jackson, ordförande i geologisk vätskedynamik vid Institutionen för geovetenskap och teknik vid Imperial College London, sa:"Genom att förbättra vår förståelse för processerna bakom vulkanisk aktivitet och tillhandahålla modeller som belyser de faktorer som styr utbrott, vår studie är ett avgörande steg mot bättre övervakning och prognoser av dessa kraftfulla geologiska händelser.
"Vår studie hade vissa begränsningar:vår modell fokuserade på hur magma strömmar uppåt, och källreservoarerna i vår modell innehöll bara smält sten och kristaller. Det finns dock bevis för att andra vätskor som vatten och koldioxid också finns i dessa källor. reservoarer och att magma kan virvla och flöda i sidled."
Nästa steg för forskare blir att förfina sina modeller, inkludera tredimensionellt flöde och ta hänsyn till olika vätskesammansättningar. På detta sätt hoppas de kunna fortsätta att dechiffrera jordens processer som är ansvariga för vulkanutbrott – vilket hjälper oss att bättre förbereda oss för naturkatastrofer i framtiden.
Mer information: Catherine Booth et al, Källreservoarkontroller av storlek, frekvens och sammansättning av storskaliga vulkanutbrott, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.add1595. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1595
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Imperial College London
