Ledtråde fra dybe magma-reservoirer kan forbedre prognoserne for vulkanudbrud

Ny forskning i smeltet sten 20 km under jordens overflade kan hjælpe med at redde liv ved at forbedre forudsigelsen af ​​vulkansk aktivitet.

Vulkanudbrud udgør betydelige farer med ødelæggende indvirkning på både mennesker, der bor i nærheden, og miljøet. De er i øjeblikket forudsagt baseret på aktiviteten af ​​selve vulkanen og de øverste få kilometer af skorpen under den, som indeholder smeltet sten, der potentielt er klar til at bryde ud.

Ny forskning fremhæver dog vigtigheden af ​​at søge efter spor meget dybere i jordskorpen, hvor klipper først smeltes til magma, før de stiger til kamre tættere på overfladen.

For at forstå den indre funktion af vores planets mest eksplosive fænomener gravede forskere ved Imperial College London og University of Bristol dybt for at kaste lys over hyppigheden, sammensætningen og størrelsen af ​​vulkanudbrud rundt om i verden.

Deres resultater tyder på, at størrelsen og hyppigheden af ​​udbrud er tæt forbundet med den tid, det tager for ekstremt varm, smeltet sten kendt som magma at dannes i disse dybe reservoirer under jordskorpen – i dybder på op til 20 kilometer – såvel som til størrelsen af ​​disse reservoirer.

Forskere mener, at resultaterne, offentliggjort i Science Advances, vil give dem mulighed for at forudsige vulkanudbrud mere præcist, hvilket i sidste ende beskytter samfund af mennesker og hjælper med at mindske risici for miljøet.

Undersøgelse af vulkaner rundt om i verden

Undersøgelsen, ledet af forskere ved Department of Earth Science and Engineering ved Imperial, gennemgik data fra 60 af de mest eksplosive vulkanudbrud, der spænder over ni lande:USA, New Zealand, Japan, Rusland, Argentina, Chile, Nicaragua, El Salvador og Indonesien.

Undersøgelsesforfatter Dr. Catherine Booth, forskningsassistent ved Institut for Jordvidenskab og Engineering ved Imperial College London, sagde:"Vi kiggede på vulkaner rundt om i verden og gravede dybere end tidligere undersøgelser, der fokuserede på lavvandede underjordiske kamre, hvor magma opbevares før udbrud. Vi fokuserede på at forstå magmakildereservoirer dybt under vores fødder, hvor ekstrem varme smelter faste klipper til magma på dybder på omkring 10 til 20 kilometer."

Holdet kombinerede data fra den virkelige verden med avancerede computermodeller. De så på sammensætningen, strukturen og historien af ​​klipper dybt under jordskorpen, sammen med information indsamlet fra aktive vulkaner, for at forstå, hvordan magma opbygges og opfører sig dybt under jorden og til sidst stiger gennem jordskorpen til vulkaner.

Ved hjælp af disse oplysninger skabte forskere computersimuleringer, der efterligner de komplekse processer af magmastrøm og opbevaring dybt inde i Jorden. Gennem disse simuleringer fik holdet ny indsigt i, hvilke faktorer der driver vulkanudbrud.

Identifikation af nøglekontroller af udbrud

"I modsætning til tidligere tro, tyder vores undersøgelse på, at magmaens opdrift, snarere end andelen af ​​fast og smeltet sten, er det, der driver udbrud," sagde Dr. Booth.

"Magma opdrift styres af dens temperatur og kemiske sammensætning sammenlignet med den omgivende sten – da magmaen akkumulerer, ændres dens sammensætning for at gøre den mindre tæt, hvilket gør den mere 'flydende' og sætter den i stand til at stige.

"Når magmaen bliver flydende nok til at flyde, stiger den og skaber sprækker i den overliggende faste klippe - og den flyder derefter gennem disse sprækker meget hurtigt, hvilket forårsager et udbrud."

Ud over at identificere magmas opdrift som en vigtig faktor, der driver udbrud, så forskerne også på, hvordan magma opfører sig, når det når mere lavvandede underjordiske kamre lige før det går i udbrud. De fandt ud af, at hvor længe magma blev opbevaret i disse mere lavvandede kamre også kan have en effekt på vulkanudbrud - med længere opbevaringsperioder, der fører til mindre udbrud.

Mens større reservoirer kan forventes at give næring til større, mere eksplosive udbrud, afslørede resultaterne også, at meget store reservoirer spreder varme, hvilket bremser processen med at smelte faste klipper til magma. Dette fik forskere til at konkludere, at størrelsen af ​​reservoirer er en anden nøglefaktor for nøjagtigt at forudsige udbrudsstørrelser - og at der er sådan noget som en optimal størrelse for de mest eksplosive udbrud.

Resultater fremhæver også, at udbrud sjældent er isolerede og i stedet er en del af en gentagen cyklus. Derudover var magmaen, der blev frigivet af de vulkaner, de undersøgte, højt indhold af silica, en naturlig forbindelse, der vides at spille en rolle i bestemmelsen af ​​viskositeten og eksplosiviteten af ​​magma - hvor magma med højt silica havde en tendens til at være mere viskøs og resulterede i mere eksplosive udbrud.

Næste trin

Medforfatter professor Matt Jackson, formand for geologisk væskedynamik i Department of Earth Science and Engineering ved Imperial College London, sagde:"Ved at forbedre vores forståelse af processerne bag vulkansk aktivitet og levere modeller, der kaster lys over de faktorer, der kontrollerer udbrud, vores undersøgelse er et afgørende skridt hen imod bedre overvågning og forudsigelse af disse kraftige geologiske begivenheder.

"Vores undersøgelse havde nogle begrænsninger:Vores model fokuserede på, hvordan magma strømmer opad, og kildereservoirerne i vores model indeholdt kun smeltet sten og krystaller. Der er dog beviser for, at andre væsker såsom vand og kuldioxid også findes i disse kilder. reservoirer, og at magma kan hvirvle og flyde sidelæns."

De næste skridt for forskere vil være at forfine deres modeller, inkorporere tredimensionelt flow og tage højde for forskellige væskesammensætninger. På denne måde håber de at fortsætte med at dechifrere Jordens processer, der er ansvarlige for vulkanudbrud – og hjælpe os med at forberede os bedre på naturkatastrofer i fremtiden.

Flere oplysninger: Catherine Booth et al., Source reservoir controls for størrelsen, hyppigheden og sammensætningen af ​​storskala vulkanudbrud, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.add1595. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add1595

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Imperial College London