Krystaller kan hjælpe med at afsløre skjult Kilauea-vulkanadfærd

Forskere, der stræber efter at forstå, hvordan og hvornår vulkaner kan gå i udbrud, står over for en udfordring:Mange af processerne finder sted dybt under jorden i lavarør, der kværner med farlig smeltet jord. Ved udbrud, underjordiske markører, der kunne have givet spor, der førte til en eksplosion, bliver ofte ødelagt.

Men ved at udnytte observationer af bittesmå krystaller af mineralet olivin dannet under et voldsomt udbrud, der fandt sted på Hawaii for mere end et halvt århundrede siden, Stanford University-forskere har fundet en måde at teste computermodeller af magma-flow på, som de siger kunne afsløre ny indsigt om tidligere udbrud og muligvis hjælpe med at forudsige fremtidige udbrud.

"Vi kan faktisk udlede kvantitative egenskaber for strømmen før udbruddet fra disse krystaldata og lære om de processer, der førte til udbruddet uden at bore ind i vulkanen, " sagde Jenny Suckale, en assisterende professor i geofysik ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth). "Det er for mig den hellige gral i vulkanologi."

De millimeterstore krystaller blev opdaget begravet i lava efter udbruddet af Kilauea-vulkanen i Hawaii i 1959. En analyse af krystallerne viste, at de var orienteret i en ulige, men overraskende konsekvent mønster, som Stanford-forskerne antog, var dannet af en bølge i undergrundens magma, der påvirkede retningen af ​​krystallerne i strømmen. De simulerede denne fysiske proces for første gang i en undersøgelse offentliggjort i Videnskab fremskridt 4. dec.

"Jeg har altid haft mistanken om, at disse krystaller er meget mere interessante og vigtige, end vi giver dem æren for, " sagde Suckale, som er seniorforfatter på undersøgelsen.

Detektiv arbejde

Det var et tilfældigt møde, der fik Suckale til at handle på hendes mistanke. Hun fik et indblik, mens hun lyttede til en Stanford-studerendes præsentation om mikroplastik i havet, hvor bølger kan få ikke-sfæriske partikler til at antage et konsekvent fejlorienteringsmønster. Suckale rekrutterede taleren, daværende ph.d. studerende Michelle DiBenedetto, for at se, om teorien kunne anvendes på de ulige krystalorienteringer fra Kilauea.

"Dette er resultatet af detektivarbejdet med at værdsætte detaljen som det vigtigste bevis, " sagde Suckale.

Sammen med Zhipeng Qin, en forsker i geofysik, holdet analyserede krystaller fra Scoria, en mørk, porøs sten, der dannes ved afkøling af magma indeholdende opløste gasser. Når en vulkan går i udbrud, den flydende magma - kendt som lava, når den når overfladen - er chokeret af den køligere atmosfæriske temperatur, hurtigt indfange de naturligt forekommende olivinkrystaller og bobler. Processen sker så hurtigt, at krystallerne ikke kan vokse, effektivt at fange, hvad der skete under udbruddet.

Den nye simulering er baseret på krystalorienteringer fra Kilauea Iki, et grubekrater ved siden af ​​Kilauea-vulkanens hovedcaldera. Det giver en baseline for at forstå strømmen af ​​Kilaueas ledning, den rørformede passage, hvorigennem varm magma under jorden stiger op til jordens overflade. Fordi Scoria kan blæses flere hundrede meter væk fra vulkanen, disse prøver er relativt nemme at indsamle. "Det er spændende, at vi kan bruge disse virkelig små processer til at forstå dette enorme system, " sagde DiBenedetto, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, nu postdoc ved Woods Hole Oceanographic Institution.

At fange en bølge

For at forblive flydende, materialet i en vulkan skal konstant bevæge sig. Holdets analyse indikerer, at den ulige justering af krystallerne var forårsaget af magma, der bevægede sig i to retninger på én gang, med en strøm direkte oven på den anden, i stedet for at hælde gennem kanalen i én jævn strøm. Forskere havde tidligere spekuleret i, at dette kunne ske, men mangel på direkte adgang til den smeltede ledning forhindrede afgørende beviser, ifølge Suckale.

"Disse data er vigtige for at fremme vores fremtidige forskning om disse farer, fordi hvis jeg kan måle bølgen, Jeg kan begrænse magmastrømmen - og disse krystaller tillader mig at komme til den bølge, " sagde Suckale.

Overvågning af Kilauea fra et fareperspektiv er en vedvarende udfordring på grund af den aktive vulkans uforudsigelige udbrud. I stedet for at lække lava kontinuerligt, det har periodiske udbrud, der resulterer i lavastrømme, der bringer beboere på den sydøstlige side af Big Island of Hawaii i fare.

Sporing af krystalfejlorientering gennem de forskellige stadier af fremtidige Kilauea-udbrud kan gøre det muligt for forskere at udlede ledningsstrømningsforhold over tid, siger forskerne.

"Ingen ved, hvornår den næste episode starter, eller hvor slemt det bliver - og at det hele afhænger af detaljerne i rørdynamikken, " sagde Suckale.