Wetenschap

Snelheidsrecord voor magma vastgesteld op onverwachte plek

De gebeurtenis vond in een ver verleden plaats en was het geologische equivalent van een sprintende cheeta.vrijdag 26 juli 2019

Door Robin George Andrews
Tijdens een uitbarsting van de Holuhraun-scheur van de vulkaan Bardarbunga op IJsland wordt gloeiende lava uitgestoten. Onderzoekers hebben op IJsland een soortgelijke uitbarsting bestudeerd die zich in een ver verleden heeft afgespeeld en de Borgahraun-eruptie wordt genoemd. Uit hun onderzoek bleek dat het magma bij die uitbarsting met recordsnelheid vanaf de basis van de aardkorst naar de oppervlakte steeg.

IJsland, een land dat beroemd is om zijn schitterende meren, gletsjerlandschappen en warmwaterbronnen, wordt meestal niet in verband gebracht met snelheidsrecords. Maar het ijzige eiland in de noordelijke Atlantische Oceaan is niet minder beroemd om zijn vulkanische activiteit, en uit nieuw onderzoek is gebleken dat hier de snelste opwaartse verplaatsing van magma plaatsvond die ooit onder een basaltische vulkaan is gedocumenteerd.

In hun onderzoek, dat in het tijdschrift Nature Geoscienceis verschenen, bestudeerden de wetenschappers de overblijfselen van de 7000 tot 10.500 duizend jaar oude Borgarhraun-uitbarsting op IJsland en ontdekten daarbij dat het gesmolten gesteente tijdens de eruptie over een afstand van 24 kilometer opsteeg, van de basis van de aardkorst tot de oppervlakte, en dat in slechts tien dagen tijd.

Dat klinkt misschien niet als een snelheidsrecord, en technisch gesproken is het niet de snelste magmaverplaatsing die ooit is gemeten. Die eer valt te beurt aan opstijgend kimberliet onder oeroude explosieve vulkanen. Dit stollingsgesteente schiet met de absurd hoge snelheid van bijna 180 kilometer per uur vanuit de aardmantel omhoog en voert daarbij vanuit grote diepte diamanten tot vlak onder het aardoppervlak mee.

Toch is de magmaverplaatsing op IJsland de snelste als het gaat om alomtegenwoordige basaltische uitbarstingen van lava – en is daarmee het vulkanische equivalent van een sprintende cheeta. De vaststelling van de snelheid waarmee het magma tijdens de Borgarhraun-uitbarsting opsteeg, kan bijdragen aan het voorspellen van het tijdstip waarop soortgelijke vulkanen op het punt staan om uit te barsten.

“Elke vulkaan heeft weer een ander verhaal, een andere persoonlijkheid,” zegt Chiara Petrone, een expert in stollingsgesteente van het Natural History Museum in Londen die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken. Maar terwijl verschillende voetballers zich tijdens een wedstrijd allemaal op hun eigen manier gedragen, houden ze zich wel aan dezelfde spelregels – en dat geldt ook voor vulkanen, zegt Petrone. Het ontrafelen van het verleden van deze ene bizarre vulkaanuitbarsting kan wetenschappers dus helpen meer inzicht te krijgen in toekomstige uitbarstingen van deze aard.

Vulkanen 101

Vulkanisch tijdreizen

Om te achterhalen hoe snel magma bij historische uitbarstingen is opgestegen, bestuderen wetenschappers de kristallen die in het lang geleden gestolde lava liggen opgesloten. De fysieke en chemische eigenschappen die de kristallen bij hun laatste vorming aannamen, zeggen veel over de manier waarop ze zijn ontstaan. Experts kunnen aan deze kristallen de evolutie van de uitbarsting aflezen en ze herleiden tot hun ontstaan op helse diepten.

Maar dat is vaak niet zo gemakkelijk als het klinkt. Magma is een complexe mix van gassen en vaste en vloeibare materialen, die zich voortdurend verplaatsen en vaak van elkaar worden gescheiden. Daarbij ondergaat het een grote hoeveelheid veranderingen, afhankelijk van de omgevingsfactoren, zegt Jenni Barclay, een vulkanologe van de University of East Anglia die niet bij het nieuwe onderzoek was betrokken. Dat betekent dat kristallen van één enkele uitbarsting de handtekening van zeer uiteenlopende ontwikkelingen in het verleden kunnen bevatten.

Gelukkig voor de geologen bevatten de lava-afzettingen van de Borgarhraun-uitbarsting, die in de Noordelijke Vulkanische Zone van IJsland worden gevonden, zó’n uitgebreide schat aan bewaard gebleven mineralen dat ze een duidelijk verhaal vertellen. En een team onder leiding van Euan Mutch, expert in stollingsgesteente aan de University of Cambridge, kon de verleiding niet weerstaan om zich nader in dit gebied te verdiepen.

Mutch en zijn collega’s onderzochten een mineraal genaamd clinopyroxeen, waaraan de druk waaronder het is ontstaan kan worden afgelezen. Het punt waarop meerdere mineralen in het oorspronkelijke magma naast elkaar kunnen bestaan, verandert onder andere door de druk die er heerst. En omdat die druk samenvalt met een bepaalde diepte, kon het team uit deze eigenschappen afleiden op welke diepte de mineralen zich op een bepaald tijdstip bevonden. 

Deze mineralogische ‘barometers’ geven aan dat het magma van de Borgarhraun-uitbarsting afkomstig was uit een zone die net boven de grens tussen de aardkorst en de kneedbaardere aardmantel lag, op een diepte van ongeveer 25 kilometer. Maar dat is slechts één deel van het verhaal, want de onderzoekers moesten ook nog uitzoeken hoe snel dat oorspronkelijke magma naar de oppervlakte was gestegen.

Op hun magmatische reis vormden de olivijne kristallen van de Borgarhraun-uitbarsting ook ringvormige afzettingen rond hun kern. De kernen en de omringende lagen hebben verschillende chemische samenstellingen, en terwijl de olivijnen door het magma werden verhit, wisselden de kernen en de omringende lagen chemische elementen uit. In het laboratorium hebben petrologen ongelooflijk veel tijd besteed aan het smelten van olivijnen, om uit te zoeken hoe de mate van chemische uitwisseling overeenkomt met de tijd dat de kristallen in het magma, lagen opgeslagen voordat de uitbarsting plaatsvond.

Mutch en zijn collega’s konden aan de hand van de olivijnen van de Borgarhraun-uitbarsting verschillende tijdreeksen voor het opstijgen van het magma opstellen. Zoals mag worden verwacht van een chaotische mix van magma, waren er grote verschillen in tijdsduur, van dagen tot enkele weken. Rekening houdend met de eigenschappen van het magma en op basis van redelijke veronderstellingen over de onderaardse structuur van de vulkaan en de magmaverplaatsing aldaar, vermoedt het team dat het complexe mengsel van gesteente in ongeveer tien dagen tijd door het circa 25 kilometer lange pijpensysteem onder de vulkaan is opgestegen.

Toekomstige gevaren

Evenals andere soorten magma bevatte het gesmolten gesteente van de Borgarhraun-uitbarsting ook opgeloste kooldioxide. Wanneer magma opstijgt en de druk op het gesmolten gesteente daalt, begint het gas in bellen uit het magma vrij te komen.

Het gas kan vervolgens van het magma worden gescheiden en door de centrale vulkaanpijp naar de oppervlakte schieten. Maar het gas kan ook blijven steken en tijdens de uitbarsting samen met het magma omhoogkomen. In dit geval, en gebaseerd op de eigenschappen en stijgingssnelheid van het magma tijdens de Borgarhraun-uitbarsting, kon de kooldioxide ontsnappen, hoewel de maximale CO2-uitstoot slechts twee dagen vóór de uitbarsting plaatsvond.

Tegenwoordig meten wetenschappers de gassen die door vulkanische uitlaatkanalen worden uitgeblazen zeer zorgvuldig, omdat ze uit deze gassen kunnen afleiden of het magma begint op te stijgen en er drukverlaging optreedt, wat tot een eruptie kan leiden. Maar als de onderzoekers hadden kunnen afleiden dat er voorafgaand aan de historische Borgarhraun-eruptie een plotselinge uitstoot van kooldioxide had plaatsgevonden, dan hadden ze amper tijd gehad zich voor te bereiden op de uitbarsting van lava die erop zou volgen.

Evenals de indrukwekkende stijgingssnelheid van het magma kan het vermogen van dit magmatype om zijn kooldioxide tot het laatste moment vast te houden, ook voor andere vulkanen gelden, waaronder IJslandse vulkanen met een soortgelijk magmatype en kooldioxidegehalte. Niemand wil op zo’n manier door een uitbarsting verrast worden, dus dat inzicht zou reden tot zorg kunnen zijn.

Maar het gedrag van de Borgarhraun-vulkaan kan niet overal worden toegepast. Volgens Mutch hebben vulkanen verschillende magma- en gassamenstellingen, wat betekent dat ze hun gassen op zeer uiteenlopende wijze uitspuwen. Sommige vulkanen stoten voortdurend kooldioxide uit, terwijl andere gedurende hun levensloop veel minder van hetzelfde gas uitstoten.

Avonturiers en drones duiken in een vulkaan voor de wetenschap
Avonturiers en drones duiken in een vulkaan voor de wetenschap

Volgens Barclay kan de kooldioxide soms aan de oppervlakte treden omdat een ondiep magmareservoir wat vulkanische ‘stoom afblaast’, maar zonder dat er een eruptie volgt. Mede door de zeer uiteenlopende mogelijkheden en omstandigheden houden vulkanologen tegenwoordig alle mogelijke signalen en variabelen in de gaten die kunnen wijzen op dreigend gevaar.

Een belangrijk doel van het type wetenschap dat in dit nieuwe onderzoek wordt beschreven, is het vergelijken van de afgeleide magmatische eigenschappen van historische uitbarstingen door huidige observaties van vulkanen. Als bepaalde magmaverplaatsingen bijvoorbeeld in verband gebracht kunnen worden met seismische signalen die op een aanstaande eruptie wijzen, dan zouden vulkanologen een duidelijker tijdraam hebben waarbinnen ze kunnen verwachten dat een vulkaan zijn dodelijke voorraad aan gesmolten gesteente zal uitbraken.

Maar hoewel deze tak van wetenschap zich snel ontwikkelt, wordt er nog veel van veronderstellingen uitgegaan, omdat er nog zoveel gegevens ontbreken. Het vergelijken van magmatische avonturen in het verre verleden met huidige observaties blijft dan ook een enorme uitdaging.

“Het is jammer dat we er achtduizend jaar geleden niet bij waren met een seismometer,” zegt Mutch.

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

lees verder

Dit is nu (weer) de grootste vulkaan op aarde

Dit is nu (weer) de grootste vulkaan op aarde

Nieuw onderzoek naar het onderzeese Tamu-massief toont aan dat deze formatie niet langer als ‘grootste vulkaan op aarde’ beschouwd kan worden, omdat het mogelijk helemaal geen vulkaan is.
Hoogste kerk van IJsland geïnspireerd op vulkanen

Hoogste kerk van IJsland geïnspireerd op vulkanen

De Hallgrímskirkja weerspiegelt de vorm van afkoelende lava – en biedt een prachtig uitzicht over Reykjavík.
Deze vulkaan is uniek in de wereld

Deze vulkaan is uniek in de wereld

Rotsmonsters van gesteente onder het eiland Bermuda laten zien dat ze van een vreemde hybride soort zijn, en dat wijst op een geheel nieuw ontstaansmechanisme voor vulkanen op aarde.
Lees meer