Friktionslove testet i det kollapsende krater på en vulkan i udbrud

Den 30. april 2018, på den østlige flanke af Hawaiis Kīlauea-vulkan, lava drænede pludselig fra et krater, der havde udslynget lava i mere end tre årtier. Så gulvet i krateret, ved navn Pu'u'ō'ō, droppede ud.

Inden for 48 timer, lavasøen ved Kīlaueas topmøde 12 miles nordvest for Pu'u'ō'ō begyndte at falde, da magma drænede ind i vulkanens VVS. Snart, nye revner åbnede sig 12 miles øst for Pu'u'ō'ō og smeltet lava sprøjtede ud, krøb hen over vejene, brændte træer og brændte elmaster.

Over tre måneder, Kīlauea spyttede nok lava ud til at fylde 320, 000 swimmingpools i olympisk størrelse, ødelagde mere end 700 hjem og fordrev tusindvis af mennesker. Selve toplandskabet blev transformeret, da dets krater kollapsede med så meget som 1, 500 fod hele sommeren på en måde, som forskerne først er begyndt at forstå.

"I hele 60 års moderne geofysisk instrumentering af vulkaner, vi har kun haft et halvt dusin caldera kollaps, " sagde Stanford University geofysiker Paul Segall, hovedforfatter af en ny undersøgelse i Proceedings of the National Academy of Sciences der hjælper med at forklare, hvordan disse begivenheder udspiller sig og finder beviser, der bekræfter det herskende videnskabelige paradigme for, hvordan friktion virker på jordskælvsforkastninger.

Resultaterne kan være med til at informere fremtidige farevurderinger og afbødende indsats omkring vulkanudbrud. "Forbedring af vores forståelse af den fysik, der styrer kalderakollaps, vil hjælpe os med bedre at forstå de forhold, under hvilke kollaps er mulige, og forudsige udviklingen af ​​en kollapsekvens, når den begynder, " sagde medforfatter Kyle Anderson, Ph.d. '12, en geofysiker fra U.S. Geological Survey, som var en del af holdet, der arbejdede på stedet ved Kilauea under udbruddet i 2018.

Friktionens natur

En nøglefaktor, der kontrollerer sammenbruddet af vulkanske calderaer - og brud på jordskælvsforkastninger rundt om i verden - er friktion. Det er allestedsnærværende i naturen og vores hverdag, der kommer i spil når som helst to overflader bevæger sig i forhold til hinanden. Men interaktioner mellem overflader er så komplekse, at trods århundreders studier, videnskabsmænd forstår stadig ikke helt, hvordan friktion opfører sig i forskellige situationer. "Det er ikke noget, vi helt kan forudsige ved kun at bruge ligninger. Vi har også brug for data fra eksperimenter, " sagde Segall.

Forskere, der søger at forstå friktionens rolle i jordskælv, udfører normalt disse eksperimenter i laboratorier ved at bruge stenplader, der knap er større end en dør og ofte tættere på størrelsen af ​​et sæt kort. "En af de store udfordringer i jordskælvsvidenskaben har været at tage disse friktionslove og de værdier, der blev fundet i laboratoriet, og anvende dem på, sige, San Andreas -fejlen, fordi det er sådan et enormt spring i skala, sagde Segall, Cecil H. og Ida M. Green professor i geofysik ved Stanford's School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth).

I den nye undersøgelse, offentliggjort 23. juli, Segall og Anderson undersøger glidningen og fastklæbningen af ​​Kīlauea-vulkanens kollapsblok - en del af skorpen fem miles omkring og en halv mil dyb - for at karakterisere friktion i en meget større skala. "Vi satte os for at udvikle en matematisk model for det kollaps, meget forenklet, men ved at bruge moderne forståelse af friktion, " sagde Segall.

Kilaueas sammenbrud

Kīlaueas caldera kollapsede ikke i en jævn nedstigning, men snarere som et klæbrigt stempel. Omtrent hver halvanden dag, kollapsblokken faldt med næsten otte fod i løbet af få sekunder, stoppede derefter. Det er fordi, da magma i kammeret under calderaen strømmede ud til sprækker i Kīlaueas nedre østlige flanke, det fjernede støtten til den overliggende sten. "Til sidst, trykket bliver lavt nok til at gulvet falder ned og det begynder at falde sammen, som et synkehul, " sagde Segall.

Da Kīlauea-udbruddet i 2018 sluttede, vulkanens stempellignende sammenbrudshændelser gentages 62 gange - hvor hver enkelt udløser et jordskælv og hver bevægelse spores ned til millimeteren hvert femte sekund af en række 20 globale positioneringssystemer (GPS) instrumenter. Under de første par dusin kollapsbegivenheder, klippeoverfladernes geometri ændrede sig, men de holdt stabilt i de sidste 30 standsede nedkørsler.

Den nye forskning viser, at for denne type udbrud, når eruptivåbningen er i en lavere højde, det fører til et større trykfald under calderablokken - hvilket så gør det mere sandsynligt, at en kollaps vil starte. Når sammenbruddet starter, vægten af ​​den massive calderablok opretholder trykket på magmaen, tvinger det til udbrudsstedet. "Hvis ikke for kollapset, udbruddet ville utvivlsomt være endt meget før, " sagde Segall.

Udviklende friktion

Segall og Andersons analyse af mængden af ​​data fra Kīlaueas calderakollaps bekræfter, at selv i den enorme skala af denne vulkan, måden, hvorpå forskellige klippeoverflader glider og glider forbi hinanden eller klæber ved forskellige hastigheder og tryk over tid, ligner meget, hvad forskere har fundet i små laboratorieforsøg.

Specifikt, de nye resultater giver en øvre grænse for en vigtig faktor inden for jordskælvsmekanik kendt som slip-svækkelsesafstand, som geofysikere bruger til at beregne, hvordan fejl bliver fastklemt. Dette er den afstand, over hvilken friktionsstyrken af ​​en forkastning svækkes, før den brister - noget, der er centralt for nøjagtig modellering af stabiliteten og opbygningen af ​​energi på jordskælvsforkastninger. Laboratorieforsøg har antydet, at denne afstand kan være så kort som snesevis af mikron - svarende til bredden af ​​et hår, der er splejset i et par dusin snitter - mens estimater fra rigtige jordskælv tyder på, at den kan være så lang som 20 centimeter.

Den nye modellering viser nu, at denne udvikling sker over ikke mere end 10 millimeter, og muligvis meget mindre. "Usikkerhederne er større, end de er i laboratoriet, men friktionsegenskaberne er fuldstændig i overensstemmelse med hvad der måles i laboratoriet, og det er meget bekræftende, "Segall sagde." Det fortæller os, at vi er okay ved at tage disse målinger fra virkelig små prøver og anvende dem på store tektoniske fejl, fordi de holdt stik i den adfærd, vi observerede ved Kīlaueas kollaps. "

Det nye værk tilføjer også realistisk kompleksitet til en matematisk stempelmodel, foreslået for ti år siden af ​​den japanske vulkanolog Hiroyuki Kumagai og kolleger, at forklare et stort caldera-kollaps på Miyake Island, Japan. Mens den bredt omfavnede Kumagai-model antog, at vulkanens klippeoverflader ændrede sig som ved at dreje en kontakt fra at være stationære i forhold til hinanden til at glide forbi hinanden, den nye modellering anerkender, at overgangen mellem "statisk" og "dynamisk" friktion er mere kompleks og gradvis. "Intet i naturen sker øjeblikkeligt, "Sagde Segall.