Grunnleggende endringer i det vi vet om hvordan vulkaner fungerer

Nylige funn fra Islands Fagradalsfjall-utbrudd endrer det vi vet om hvordan vulkaner fungerer.

Å lære noe som fundamentalt endrer hvordan vi forstår vår verden, skjer ikke så ofte. Men for University of California, Santa Barbara Earth-forskeren Matthew Jackson og de tusenvis av vulkanologer over hele kloden, har en slik åpenbaring nettopp skjedd.

Mens de tok prøver av magma fra Fagradalsfjall-vulkanen på Island, avdekket Jackson og hans kolleger en prosess som var langt mer dynamisk enn noen hadde antatt i de to århundrene som forskere har studert vulkaner.

“Akkurat når jeg tror vi har kommet nærme på å finne ut hvordan disse vulkanene fungerer, får vi en stor overraskelse,” sa han.

Geologenes funn ble publisert 14. september i tidsskriftet Natur.

10 000 år i en måned

Takket være et sabbatsår, en pandemi og 780 år med smeltende underjordisk stein, var Jackson på rett sted og tidspunkt for å være vitne til fødselen av Fagradalsfjall, en sprekk i lavlandet sørvest på Island som delte seg og eksploderte med magma i mars 2021. Av den gangen var alle på Reykjaneshalvøya klare for et slags utbrudd, sa han.

«Jordskjelvsvermen var intens,» sa han om de rundt 50 000 uhellet – rundt 4 og høyere – som rystet jorden i flere uker og holdt mesteparten av Islands befolkning på kanten.

Søvnmangelen var imidlertid verdt det, og surhet ble snart til fascinasjon da lava boblet opp og sprutet fra hullet i bakken i den relativt tomme Geldingadalur-regionen. Både forskere og besøkende strømmet til området for å se den nyeste delen av jordskorpen dannes. Fra starten klarte de å komme nærme nok til å prøve lavaen kontinuerlig, på grunn av lavaens langsomme strømning og rikelig vind som blåste de skadelige gassene bort.

Ledet av Sæmundur Halldórsson ved Universitetet på Island prøvde geologene å finne ut «hvor dypt i mantelen magmaen oppsto, hvor langt under overflaten den var lagret før utbruddet, og hva som skjedde i reservoaret både før og under utbruddet.” Spørsmål som disse, selv om de er grunnleggende, er faktisk noen av de største utfordringene for de som studerer vulkaner. Dette er på grunn av uforutsigbarheten til utbruddene, faren og ekstreme forhold, og avstanden og utilgjengeligheten til mange aktive steder.

“Antagelsen var at et magmakammer fylles sakte opp over tid, og magmaet blir godt blandet,” forklarte Jackson. “Og så renner det ut i løpet av utbruddet.” Som et resultat av denne veldefinerte totrinnsprosessen, la han til, forventer ikke de som studerer vulkanutbrudd å se betydelige endringer i den kjemiske sammensetningen til magmaen når den strømmer ut av jorden.

“Dette er det vi ser ved Mount Kilauea på Hawaii,” sa han. “Du vil ha utbrudd som varer i årevis, og det vil være mindre endringer over tid.

“Men på Island var det mer enn en faktor 1000 høyere endringsrater for viktige kjemiske indikatorer,” fortsatte Jackson. “På en måned viste Fagradalsfjall-utbruddet mer komposisjonsvariasjon enn Kilauea-utbruddene viste på flere tiår. Den totale rekkevidden av kjemiske sammensetninger som ble tatt prøver av ved dette utbruddet i løpet av den første måneden spenner over hele området som noen gang har hatt utbrudd i det sørvestlige Island i løpet av de siste 10 000 årene.»

Denne variasjonen er et resultat av påfølgende partier av magma som strømmer inn i kammeret fra dypere i mantelen, ifølge forskerne.

“Se for deg en lavalampe i tankene dine,” sa Jackson. “Du har en varm lyspære i bunnen, den varmer opp en klatt og klatten stiger, avkjøles og synker så. Vi kan tenke på jordens mantel – fra toppen av kjernen til under de tektoniske platene – som fungerer omtrent som en lavalampe.” Han fortsatte med å forklare at ettersom varmen får områder av mantelen til å heve seg og støter dannes og beveger seg flytende oppover mot overflaten, samler smeltet stein fra disse støtene seg i kamre og krystalliserer, gasser slipper ut gjennom skorpen, og trykket bygges opp til magma finner en måte å rømme på.

Som beskrevet i avisen, det som brøt ut de første ukene var den forventede “utarmede” magmatypen som hadde blitt akkumulertg i reservoaret, som ligger omtrent 16 km under overflaten. I april viste imidlertid bevis at kammeret ble ladet opp av dypere, “anrikede” smelter med en annen sammensetning. Disse ble hentet fra en annen region av den oppvoksende mantelplommen under Island. Denne nye magmaen hadde en mindre modifisert kjemisk sammensetning, med et høyere magnesiuminnhold og en høyere andel karbondioksidgass. Dette indikerte at færre gasser fra denne dypere magmaen hadde rømt. I mai var magmaen som dominerte strømmen den dypere, berikede typen. Disse raske, ekstreme endringene i magmasammensetningen ved en plum-matet hotspot, sier de, “har aldri tidligere blitt observert i nær sanntid.”

Jackson sa imidlertid at disse endringene i komposisjon kanskje ikke er så sjeldne. Det er bare det at muligheter for å prøve utbrudd på et så tidlig stadium ikke er vanlig. For eksempel, før Fagradalsfjall-utbruddet i 2021, skjedde de siste utbruddene på Islands Reykjanes-halvøy for åtte århundrer siden. Han mistenker at denne nye aktiviteten signaliserer starten på en ny, muligens flere hundre år lang vulkansk syklus på det sørvestlige Island.

“Vi har ofte ikke oversikt over de første stadiene av de fleste utbrudd fordi disse blir begravd av lavastrømmer fra de senere stadiene,” sa han. Dette prosjektet, ifølge forskerne, tillot dem for første gang å se et fenomen som ble antatt å være mulig, men som aldri hadde blitt sett direkte.

For forskerne presenterer dette resultatet en “nøkkelbegrensning” i hvordan modeller av vulkaner rundt om i verden vil bli bygget. Det er imidlertid ennå ikke klart hvor representativt dette fenomenet er for andre vulkaner, eller hvilken rolle det spiller for å utløse et utbrudd. For Jackson er det en påminnelse om at jorden fortsatt har hemmeligheter å gi.

“Så når jeg går ut for å prøve en gammel lavastrøm, eller når jeg leser eller skriver papirer i fremtiden,” sa han, “vil det alltid være i tankene mine: Dette er kanskje ikke hele historien om utbruddet.”

Referanse: “Rapid shifting of a deep magmatic source at Fagradalsfjall volcano, Iceland” av Sæmundur A. Halldórsson, Edward W. Marshall, Alberto Caracciolo, Simon Matthews, Enikő Bali, Maja B. Rasmussen, Eemu Ranta, Jóhann Gunnarsson Robin, Guðmundur H Guðfinnsson, Olgeir Sigmarsson, John Maclennan, Matthew G. Jackson, Martin J. Whitehouse, Heejin Jeon, Quinten HA van der Meer, Geoffrey K. Mibei, Maarit H. Kalliokoski, Maria M. Repczynska, Rebekka Hlín Rúnarsdottir, Gylfi Sigurðsson, Melissa Anne Pfeffer, Samuel W. Scott, Ríkey Kjartansdóttir, Barbara I. Kleine, Clive Oppenheimer, Alessandro Aiuppa, Evgenia Ilyinskaya, Marcello Bitetto, Gaetano Giudice og Andri Stefánsson, 14. september 2022, Natur.
DOI: 10.1038/s41586-022-04981-x