Vulkaanuitbarsting: explosief of effusief?

Het zit in het magma!

In het januarinummer van Geografie schreef Marloes Pouw over vulkanen in Midden-Frankrijk die afwijken van wat je in de schoolboeken leert. De opnieuw uitgebarsten Cumbre Vieja op La Palma is er ook zo een. Mathijs Booden legt aan de hand van een in september verschenen studie uit hoe dat (mogelijk) kan.

Op elk willekeurig moment zijn er wereldwijd zo’n twintig vulkanen actief aan het uitbarsten. Ze doen dat op allerlei manieren. Alleen al dit jaar hadden we onder meer de borrelende maar verder rustig uitvloeiende lava van Geldingadalir op IJsland, de explosieve Plinische eruptie van de Soufrière op St. Vincent en momenteel de Stromboli-achtige semi-explosieve uitbarsting met dikke, brokkelige lavastromen van de Cumbre Vieja op het Canarische eiland La Palma.

Vulkanologen onderscheiden op hoofdlijnen effusieve (rustig vloeiende) en explosieve erupties, en die termen staan ook in alle methodeboeken. Daar worden ze gekoppeld aan bepaalde omstandigheden en ook bepaalde vulkaantypen. Bijvoorbeeld: bij een hotspot barst basalt uit, dat gebeurt effusief en als het lang genoeg doorgaat vormt zich een schildvulkaan. De Geldingadalir is daarvan een schoolvoorbeeld. Nog zo eentje: bij een convergente plaatgrens heb je explosieve erupties van andesiet-achtige magma’s en die vormen stratovulkanen. De Soufrière dus.

‘Het hangt ervan af’

Maar wat als zich op de hotspot een stratovulkaan vormt? En wat als de uitbarstingen op een hotspot behoorlijk explosief zijn en de lava die eruit komt, taai is en brokkelige, dikke stromen vormt? Kortom, zoals op La Palma? Dat is dus niet volgens het boekje. Maar het gebeurt wél en bij een conflict gaat de werkelijkheid toch echt vóór op het boekje (zie ook Geografie januari 2021). Aan geologen wordt dan vaak de vraag gesteld hoe dat kan. Waarom vormt zich ergens een stratovulkaan als er in de wijde omtrek geen sprake is van subductie? Waarom kan dezelfde uitbarsting zowel explosieve als effusieve activiteit laten zien?

Het geijkte antwoord is dan ‘het hangt ervan af’. Waarvan? Nou, van zaken als de temperatuur van het magma, hoeveel gas erin zit (en eruit wil), de samenstelling van het gesmolten deel en de hoeveelheid kristallen. Dit alles beïnvloedt of het magma wel of niet makkelijk kan vloeien, en wel of niet makkelijk de druk kan verlagen van het gas dat erin zit.

‘Het hangt ervan af’ is natuurlijk niet heel bevredigend. Gelukkig is er 30 september een overzichtsstudie verschenen die het mogelijk maakt concreter te voorspellen of magma tot een effusieve of explosieve uitbarsting zal leiden. De studie is van een groepje Zwitserse vulkanologen en gepubliceerd in Nature Geoscience. Zij analyseerden onderzoeken naar 245 erupties van 75 vulkanen wereldwijd, vooral, maar niet alleen, bij convergente plaatgrenzen. Het gaat om petrologisch en geochemisch onderzoek. De lava’s van de vulkanen zijn onderzocht op kristallen die erin voorkomen, de verhouding tussen kristallen en fijne ‘matrix' (zie verderop), de chemische eigenschappen van kristallen en bellen met vloeistof (bijvoorbeeld water). Aan de hand van zulk onderzoek is te bepalen hoe heet het magma was voordat het uitbarstte (bijvoorbeeld door analyse van de chemische samenstelling van aanwezig amfibool of pyroxeen), hoeveel vluchtige stoffen zoals water en kooldioxide er in het magma opgeslagen zaten (door analyse van de samenstelling van vloeistofinsluitsels in kristallen) en wat het percentage kristallen was. Zo valt beter te voorspellen hoe een vulkaan zich zal gedragen en dat resulteert in beter hazard management, maatregelen om schade bij rampen te voorkomen.

Water en kristallen

Uit het onderzoek komt naar voren dat twee kenmerken van magma’s bijna geheel bepalen of de uitbarsting effusief of explosief zal zijn: het percentage kristallen en het aandeel ‘opgelost’ water.

Eerst de kristallen. Vulkanisch gesteente bestaat altijd voor een deel uit grotere kristallen (phenocrysten) en voor een deel uit fijne matrix (heel kleine kristallen en/of vulkanisch glas). De matrix vertegenwoordigt het deel van het magma dat gesmolten was tijdens de uitbarsting, in tegenstelling tot de kristallen die op dat moment al vast waren. Wat blijkt: magma met meer dan 40% kristalinhoud barst bijna altijd op een effusieve manier uit. Terwijl magma dat voor meer dan 55% uit kristallen bestaat zelfs helemaal niet uitbarst. De kristallen houden elkaar dan zo goed op hun plek, dat het magma als geheel niet meer in beweging te krijgen is. Magma’s met tussen de 40% en 55% kristallen kunnen dus wel uitbarsten, maar doen dat effusief. Waarom? Doordat ze zo langzaam bewegen onder invloed van hun vaste kristalinhoud, hebben de vluchtige stoffen erin waarschijnlijk voldoende tijd om te ontsnappen en wordt er dus niet voldoende druk opgebouwd om het magma uit elkaar te laten spatten.

Dan het water. Elk magma bevat een beetje water, van vrijwel niets tot meerdere procenten. Als het tot vulkanisme komt omdat de ene plaat onder de andere duikt, is dat water te verwachten. De gesubduceerde plaat komt onder toenemende druk te staan, waardoor het water eruit geperst wordt. Dit water zorgt dat de smelttemperatuur van het mantelgesteente boven die plaat daalt (de solidus), zie ook Geografie juni 2021. Zo komt het water in de magma’s terecht die zich een weg naar boven banen. Wat blijkt nu: explosieve uitbarstingen komen alleen voor als het aandeel water in het magma, voorafgaand aan de uitbarsting, zo’n 4 tot 5,5% is. Minder water betekent dat de uitbarsting vrijwel zeker effusief zal zijn. Daar zit een logica in: minder water betekent minder vluchtige stof die bellen kan vormen in het magma, en dus minder opbouw van druk die het magma uit elkaar kan laten spatten. Maar te véél water betekent ook dat de uitbarsting niet explosief maar effusief is. En dat is tegen-intuïtief, zoals de auteurs van het artikel in Nature Geoscience zelf schrijven. Een mogelijke verklaring hiervoor is een beetje indirect en komt hierop neer: het magma raakt verzadigd met water, waardoor zich ook (zelfs op diepte) waterbellen vormen. Die bellen maken dat het magma beter samengedrukt kan worden. Daardoor kan er van onderaf nieuw, heet magma bij het bestaande magma komen. De boel wordt heter en vloeibaarder – en de eruptie is effusief.

Samenvattend: explosieve erupties komen alleen voor als het magma én niet te veel kristallen (maximaal 40%) bevat én niet te veel óf te weinig water (tussen de 4 en 5,5%). Zie de figuur hieronder.

Wat weten we nu?

Kunnen we nu beter voorspellen hoe een bepaalde vulkaan gaat uitbarsten? Ja en nee. Het blijft natuurlijk moeilijk om voorafgaand aan een uitbarsting echt iets te zeggen over de eigenschappen van het magma dat eraan zit te komen – meestal is het al heel wat dat we weten dát het komt. Maar de verbanden die uit het nieuwe onderzoek blijken, kunnen wel helpen om zo veel mogelijk te kunnen zeggen. Bijvoorbeeld door met geofysische methoden te bepalen wat de kristalliniteit en waterinhoud van magma zijn vóórdat het tot uitbarsting komt.

De gevonden verbanden helpen in ieder geval om aan te geven wat er aan de hand kan zijn bij een bepaalde vulkaan en om ‘onverwacht’ gedrag te verklaren. Het maakt ook inzichtelijker hoe een stratovulkaan zich kan opbouwen uit afwisselende lagen as en lava. Want betrekkelijk kleine variaties in de kristalliniteit of waterinhoud van het magma kunnen kennelijk al zorgen voor een verandering in de explosiviteit.

De auteurs speculeren daarnaast over een aantal uitzonderingen – die zijn er natuurlijk. Een aantal erupties in de dataset begint effusief, maar gaat over in explosief. Daarbij zijn magma’s betrokken met een hoge concentratie water. Een mogelijke verklaring is dat het water in die magma’s begint te ontsnappen zodra de uitbarsting start. De concentratie water in de magma’s neemt af, waarmee ze in het ‘explosieve’ bereik terechtkomen. Een andere uitzondering is als magma in contact komt met grondwater en een explosie veroorzaakt, waarna ook het resterende magma door de plotseling weggevallen druk kan exploderen – zelfs als het ‘van nature’ effusief zou zijn uitgebarsten.

BRONNEN

• Andeweg, B., & Booden, M. (2021). Gelingadalir en Soufrière. Geografie.nl, 26 april 2021.
• Pouw, M. (2021). Chaîne des Puys: vulkanen in Midden-Frankrijk. Geografie, januari 2021.
• Popa, R.G., Bachmann, O., & Huber, C. (2021). Explosive or effusive style of volcanic eruption determined by magma storage conditions. Nature Geoscience, 14, 781-786.