In 2018 barstte de Kilauea-vulkaan op Hawaii uit als een stompraket

Een reeks explosies van de Hawaiiaanse vulkaan Kilauea in 2018 kan zijn veroorzaakt door een nog nooit eerder gezien type uitbarsting - een die doet denken aan een stomp raket speelgoed.

In mei van dat jaar schoten pluimen van hete gassen en rotsen tot wel acht kilometer de lucht in toen de vulkaan twaalf keer achter elkaar explosief uitbarstte. De progressieve ineenstorting van de topkrater, of caldera, van Kilauea veroorzaakte deze explosieve erupties, meldden onderzoekers op 27 mei in Nature Geoscience.

Elke keer dat grote stukken kraterrots in de magmakamer daaronder stortten, zorgde de plotselinge compressie van lucht in de kamer ervoor dat het vulkanisch puin de lucht in schoot, zegt het team - net als op de luchtzak van een stomp raket stappen die zijn schuimprojectiel wegschiet.

Explosieve vulkanische uitbarstingen worden meestal veroorzaakt door een combinatie van twee bekende mechanismen, zegt Joshua Crozier, een geofysicus aan de Stanford University. Depressurisatie van hete magma naarmate het stijgt, laat gasbellen vrij die kunnen uitzetten en gesmolten rots uit de caldera kunnen laten barsten. Als alternatief kan een stijgende magmakolom grondwater in de omliggende rotsen flitsverwarmen, waardoor stoten stoom en gebroken stukjes rots de lucht in schieten.

Maar geen van beide mechanismen leek te verklaren wat er gebeurde bij Kilauea van 16 mei tot 27 mei 2018. Geofysische data verzameld bij de top van de vulkaan tijdens de uitbarsting van 2018 wezen erop dat de vreemde, repetitieve reeks van explosieve uitbarstingen niet kon zijn gegenereerd door een van de bovenstaande mechanismen, zegt Crozier.

Zo bevatten het uitgestoten materiaal bijvoorbeeld geen brokken sprankelende magma, zoals je zou verwachten in het eerste scenario. Daarnaast waren de rotsen in de caldera al veel te heet om veel vloeibaar water te bevatten dat vervolgens oververhit kon worden, wat het tweede scenario uitsluit.

Maar Crozier en anderen vermoedden dat de reeks ineenstortingen van de caldera van de vulkaan, die begon in mei van dat jaar, er iets mee te maken kon hebben. Om deze hypothese te toetsen analyseerde het team de overvloedige geofysische data die constant worden verzameld bij Kilauea.

De vulkaan is een van de meest uitgebreid geïnstrumenteerde ter wereld. Netwerken van seismometers houden voortdurend zijn interne werking in de gaten, terwijl GPS-uitgeruste kantelmeters dicht bij de top subtiele veranderingen in de beweging en helling van de grond detecteren, met als doel het volgen van verschuivingen in de spanning als gevolg van bewegende magma. Het Hawaiiaanse Volcano Observatory heeft ook een netwerk van infrageluid arrays: microfoons met lage frequentie die veranderingen in de atmosferische druk meten die bijvoorbeeld worden veroorzaakt door explosies.

Veranderingen in de frequentie van de infrageluidsgolven die door de grond reizen, onthulden een duidelijk patroon gedurende deze korte periode: de kamer leek te vergroten, en toen was er een of andere explosie. De seismische data lieten ondertussen een reeks van duidelijke aardbevingen zien, die overeenkwamen met deze gebeurtenissen, elk minder dan magnitude 5.

Wat er waarschijnlijk gebeurde, zo zeggen de onderzoekers, is dat de magmakamer genoeg leegliep om het caldera-dak erboven instabiel te maken, waardoor die rots onder zijn eigen gewicht naar beneden zakte. Dat verkleinde het volume van het reservoir - als het samenpersen van een stomp rocket's luchtzak. Ongeveer 10 tot 30 seconden later zag men eruptieve pluimen oprijzen vanaf de top - het resultaat van luchtdrukverhoging door het instortende dak dat het hete gas en rotsresten in de kamer omhoog schoot.

"Dit is de eerste keer dat ik weet dat zo'n mechanisme is voorgesteld om uitbarstingen te veroorzaken," zegt Larry Mastin, een vulkanoloog bij het US Geological Survey's Cascades Volcano Observatory in Vancouver, Wash., die niet deel uitmaakte van de nieuwe studie. "Het is een nogal ongewoon mechanisme, maar de omstandigheden van deze uitbarsting zijn ongewoon. En we hadden ongewoon goede waarnemingen ... die erg nuttig waren bij het duidelijk maken van de oorzaak."

Mastin merkt op dat het stomp-raketmechanisme alleen in de allereerste stadia van de ineenstorting van Kilauea's caldera aan het werk was, "toen de ineenstorting in feite gewoon het dak was dat direct boven het magmalichaam in stortte". Na verloop van tijd, toen de instorting van de caldera-vloer zich naar buiten toe uitbreidde, was de strak gefocuste stomp-raketcompressie niet langer van toepassing op Kilauea. Uitbarstingen aan de top eindigden grotendeels toen de ventilatieopening in de centrale caldera verstopt raakte met materiaal.

Uitbarstingen in de stijl van stomp-raketten zijn waarschijnlijk niet uniek voor Kilauea, zegt Crozier. Maar, zegt hij, het uitgebreide monitoringsysteem van de vulkaan maakte het mogelijk om het nieuwe fenomeen te detecteren en te karakteriseren. En op zijn beurt kan weten hoe de seismische en infrasound-gegevens te verbinden, helpen bij het beheersen van gevaren van andere, minder goed geïnstrumenteerde vulkanen, zegt hij.

“In many cases, the first sign we have of an eruption is a seismic or infrasound signal. So if we can get better at relating those types of geophysical data to what the eruptive plume is doing, the better we can calibrate our models,” he says. That would reduce hazards to aviation as well as communities.