Rekenhulpmiddel helpt bij het voorspellen van vulkaankraterinstortingen en tsunami’s

De uitbarsting van de Mount St. Helens op 18 mei 1980 zorgde voor kolommen van as en vulkanisch gas die meer dan 80.000 voet hoog de lucht in werden geworpen. Christelle Wauthier, universitair hoofddocent aan de afdeling Geowetenschappen van Penn State, leidde de ontwikkeling van nieuwe modellen die de stabiliteit van vulkanen zoals Mount St. Helens kunnen inschatten, waar instortingen van de vulkaanzijden nabijgelegen gemeenschappen in gevaar kunnen brengen.

Voor mensen die in de buurt van vulkanen wonen, gaat het gevaar veel verder dan lavastromen en aswolken. Sommige explosieve uitbarstingen kunnen leiden tot dramatische instortingen van de zijden van een vulkaan, zoals die bij Mount St. Helens in Washington en Anak Krakatau in Indonesië. Laatstgenoemde veroorzaakte tsunami’s die verantwoordelijk werden gehouden voor de meeste doden bij de historische uitbarstingen in 1883.

De wetenschap en de exacte triggers achter dergelijke catastrofes blijven grotendeels onbekend. Om wetenschappers te helpen bij het voorspellen van instortingen van vulkaanzijden, ook wel flanken of hellingen genoemd, heeft Wauthier nieuwe modellen ontwikkeld die de stabiliteit van een vulkaan kunnen inschatten. De modellen, gepubliceerd in het Journal of Geophysical Research: Solid Earth, kunnen lokale autoriteiten en gemeenschappen helpen door het potentieel voor instorting lang voordat de grond volledig en plotseling kan bezwijken, te evalueren.

“De toevoer van magma onder de vulkaan brengt de korst onder enorme druk—veel sterker dan de druk van water,” zei Wauthier. “Het oefent enorme kracht uit op de rotsen die de vulkaan kunnen destabiliseren en leiden tot instorting. Maar we weten niet precies welke voorwaarden instabiliteit bevorderen, en het evalueren van de triggers is behoorlijk complex.”

De modellen zijn deels gebaseerd op real-life voorbeelden van verschuivingen van vulkaanhellingen—inclusief locaties in Hawaï die instortingen hebben ervaren. Wauthier en haar onderzoekspartners ontwikkelden een manier om te voorspellen hoe hellingen zouden reageren op stijgend magma onder verschillende omstandigheden. Ze evalueerden ook waar verschuivingen van het oppervlak meer of minder waarschijnlijk zouden zijn, in overeenstemming met de verwachte veranderingen in stabiliteit.

Hun nieuwe modellen zijn gebaseerd op eerdere kennis over de locatie van magma. Stijgend magma onder een vulkaan kan verschuivingen op bestaande breuken afdwingen—gefracteerde gebieden waar twee rotsblokken ten opzichte van elkaar kunnen bewegen. Verschoven gebieden kunnen uiteindelijk leiden tot instorting.

“Als je een idee hebt van welk gebied van de vulkaan gevoeliger is voor instorting, kun je grondgebonden sensoren zoals seismometers of GPS plaatsen om een risicovolle flank minute tot minute of uur tot uur te monitoren, lang voordat een instorting plaatsvindt,” zei Wauthier, die ook verbonden is aan het Earth and Environmental Systems Institute.

Om voorspellingen te doen, richtte het onderzoeksteam zich op de hellingshoeken van breuken, of de hoek van een breuk of rotsbreuk ten opzichte van het horizontale oppervlak. Onderzoekers ontdekten dat de grond meer kans heeft om te bezwijken op hellingen met ondiepe hellingshoeken onder het oppervlak—specifiek als magma de korst onder de vulkaankop opent. Zoals stapels blokken naast elkaar op een glijbaan, zijn steilere hellingshoeken ook vatbaar voor instabiliteit, aldus de onderzoekers.

Ze merkten op dat de topografie een aanzienlijke impact heeft op de voorspellingen van grondbeweging, een factor die vaak wordt verwaarloosd in andere studies. “Dit fundamentele onderzoek kan nuttige toepassingen hebben om specifieke instortingsrisico’s beter in te schatten en gebieden van de vulkaan te identificeren die gevoeliger zijn voor instabiliteit,” zei Wauthier. “Op de lange termijn kan het bevorderen van dit type onderzoek gemeenschappen nabij vulkanen helpen door hen de tijd te geven om zich voor te bereiden en te evacueren in geval van een instorting.”

Historisch gezien, zei ze, zijn instortingen veroorzaakt door vulkanische activiteit bijzonder bedreigend voor mensenlevens. Toen de Mount St. Helens in mei 1980 uitbarstte, verwijderde de instorting de kap van zijn magmareservoir, wat resulteerde in een nog grotere, gewelddadigere explosieve uitbarsting. In totaal kwamen er 57 mensen om het leven bij de uitbarsting van Mount St. Helens; 27 bruggen en bijna 200 huizen werden verwoest.

Een eeuw eerder leidde de uitbarsting van Anak Krakatau in augustus 1883—een ander voorbeeld van vulkanische instorting—tot meer dan 36.000 doden en vernielde tientallen dorpen. Golven van tsunami’s werden geregistreerd op meer dan 100 voet hoog.

Na de instorting en uitbarsting van de vulkaan in december 2018, kwamen meer dan 400 mensen om het leven te midden van een enorme tsunami. Wauthier en collega’s bestudeerden ook dat evenement en ontdekten dat de berghelling al jaren aan het verschuiven was.

“Deze instortingen kunnen heel, heel gevaarlijk zijn,” zei Wauthier, wiens onderzoek zich richt op het verminderen van natuurlijke gevaren van vulkanen, aardverschuivingen en aardbevingen, onder andere.

Ze zei dat de meest explosieve vulkanen zich vormen langs subductiebooggebieden, waar de ene tektonische plaat onder de andere wordt geschoven of begraven. Veel vulkanen in subductiezones liggen langs kusten, waaronder in Indonesië en langs de Aleoetische Eilanden in Alaska. Vulkanen in Hawaï kunnen ook onstabiel zijn op sommige plaatsen, hoewel ze niet zo explosief zijn als die in subductiegebieden, aldus Wauthier.

Vervolgonderzoek kan zich richten op het versterken van de modelberekeningen en het testen van de modellen onder andere variërende omstandigheden, zei ze.