Reologische evolutie van een trachybasalt van de Mt. Etna bij langzaam afkoelen

Waarom de manier waarop lava verhardt ertoe doet

Wanneer een vulkaan zoals de Mt. Etna uitbarst, koelen gloedvolle lavastromen niet alleen af; ze worden geleidelijk stijver en kunnen zelfs scheuren wanneer kleine kristallen erin groeien. Hoe snel deze verharding plaatsvindt, bepaalt mede hoe ver lava stroomt, hoe dik de stromen worden en welke gemeenschappen of infrastructuur in hun pad komen te liggen. Deze studie onderzoekt, met ongebruikelijke detailniveaus, hoe een Mt. Etna‑lava onder langzaam, realistisch afkoelen verandert van een vloeibare massa naar een trage, kristalrijke pasta, en levert gegevens die lavastroomvoorspellingen betrouwbaarder kunnen maken.

Een nadere blik op een lava van Mt. Etna

De onderzoekers concentreerden zich op een specifiek type vloeibaar vulkanisch gesteente, een trachybasalt die door de Mt. Etna in 2001 werd uitgestoten. Ze vermaalden en remeltten eerst stukjes van deze lava om een bellen‑vrije glasachtige smelt te verkrijgen die trouw de oorspronkelijke samenstelling weerspiegelt. Hoogprecisie chemische analyses voor en na de experimenten bevestigden dat het materiaal in wezen ongewijzigd bleef, zodat eventuele veranderingen in stromingsgedrag konden worden toegeschreven aan temperatuur en kristalgroei, en niet aan ongewenste chemische verschuivingen.

Nabootsen van lavastroomomstandigheden in het laboratorium

Om na te bootsen wat er gebeurt terwijl lava door ondiepe conduits stroomt of zich over de grond verspreidt, gebruikte het team een roterend instrument dat een concentrische‑cilinder reometer wordt genoemd. Een klein hodje met gesmolten lava werd bij 1400 °C gehouden, geroerd totdat het volledig homogeen was, en vervolgens gekoeld met zeer langzame, gecontroleerde snelheden van 0,1 of 0,5 °C per minuut — vergelijkbaar met de temperatuurdaling die echte lava kan ondergaan wanneer het warmte naar de omgeving uitstraalt. Tegelijkertijd werd de smelt bij verschillende constante snelheden afgesneden (gesheer), wat staat voor het interne mengen en uitrekken dat lava ervaart tijdens het stromen. Het instrument registreerde continu hoe moeilijk het was om de lava in beweging te houden, een directe maat voor hoe de stromingsweerstand evolueerde zodra kristallen begonnen te vormen.

Hoe kleine kristallen de stroming veranderen

Bij hoge temperaturen, ver boven het punt waar kristallen kunnen bestaan, gedroeg de lava zich als een eenvoudige vloeistof: tijdens afkoeling nam de stromingsweerstand soepel en voorspelbaar toe. Zodra de temperatuur onder het punt zakte waarop kristallen kunnen beginnen te verschijnen, trad een "stille" incubatiefase op waarin de gemeten stromingsweerstand nog steeds de zuivere vloeistoftrend volgde. Pas wanneer voldoende kristallen — slechts een paar procent van het volume — gevormd waren, week het gedrag scherp af en schoot de weerstand tegen stroming met orders of grootte omhoog. Onder sommige omstandigheden faalde het materiaal uiteindelijk op een ductiele manier, waarbij de stroom zich lokaliseerde in smalle zones en het geheel zich meer gedroeg als een vervormend vast lichaam dan als een eenvoudige vloeistof.

De concurrerende rollen van afkoeling en roeren

Door runs met verschillende koelsnelheden en scheercondities te vergelijken toont de studie aan dat hoe snel de lava afkoelt de belangrijkste factor is die bepaalt wanneer kristallisatie het stromingsgedrag begint te beïnvloeden. Langzamer afkoelen laat kristallen vormen dichter bij de theoretische evenwichtstemperatuur, zodat het begin van verharding bij zeer lage koelsnelheden de berekende liquidus benadert. Het opgelegde roeren speelt een secundaire maar duidelijke rol: sterkere schuif (shear) heeft de neiging kristaleffecten op iets hogere temperaturen te activeren en kan episodes van interne reorganisatie bevorderen, waarbij uitgerekte kristallen zich met de stroming uitlijnen en korte, rumoerige fluctuaties in de gemeten weerstand produceren voordat het materiaal plotseling verhardt of scheurt.

Van laboratoriumcijfers naar risico‑voorspellingen

Wanneer deze nieuwe langzaam‑koelende experimenten worden gecombineerd met eerdere, sneller‑koelende gegevens, laten de auteurs zien dat de temperatuur waarbij lava begint te verharden een systematische, gekromde relatie met de koelsnelheid volgt. Deze relatie betekent dat naarmate echte lava zachter afkoelt, het kristallisatiegedrag de limieten nadert die door de basale thermodynamica worden opgelegd, terwijl de invloed van stroming toch zichtbaar blijft. Omdat de volledige dataset — inclusief ruwe tijdreeksen van temperatuur en viscositeit — openlijk wordt gedeeld, kan ze rechtstreeks in computermodellen voor lavastroomvoortgang worden ingevoerd. In praktische termen helpen deze bevindingen om geïdealiseerde beelden van "vloeibare" lava om te zetten in meer realistische beschrijvingen van hoe en wanneer lava daadwerkelijk vertraagt, verdikt en stopt, en verfijnen ze voorspellingen over hoe ver een toekomstige stroom van de Mt. Etna of vergelijkbare vulkanen mogelijk kan reiken.

Bronvermelding: Di Fiore, F., Vona, A. Rheological evolution of a trachybasalt from Mt. Etna under slow cooling. Sci Data 13, 704 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-07048-y

Trefwoorden: lavaflow, magmaviscositeit, kristallisatie, Mt Etna, vulkanische gevaren