Schuifversterkte dynamische permeabiliteitsontwikkeling van magmakratervorming in cilindrische kanalen

Waarom de bellen in lava belangrijk zijn

Vulkanische uitbarstingen worden aangedreven door gas dat opgesloten zit in gesmolten gesteente. Of een vulkaan langzaam lava uitvloeit of as hoog de lucht in blaast, hangt voor een groot deel af van hoe gemakkelijk dat gas kan ontsnappen. Deze studie onderzoekt hoe bellen in kleverige, gasrijke magma met elkaar en met de buitenwereld verbinden, waardoor het gesteente verandert van een gasvasthoudende spons in een lekkend schuim. Het begrijpen van die overgang helpt verklaren waarom sommige uitbarstingen explosief zijn en andere relatief rustig.

Bellen die in een rotsachtige pijp stijgen

In een vulkaan beweegt magma vaak omhoog door min of meer cilindrische kanalen — rotsachtige pijpen die meters breed kunnen zijn. Wanneer de druk tijdens de opwaartse beweging daalt, komen opgelost water en andere gassen uit de oplossing en vormen bellen. Zodra genoeg van die bellen elkaar raken en verbinden, kan gas door het magma percoleren en ontsnappen. Eerder werk suggereerde dat een zeer groot deel van het magmavolume — vaak meer dan de helft — uit bellen moet bestaan voordat dergelijke paden ontstaan. Maar die schattingen negeerden meestal hoeveel de bewegende magma wordt geschuurd of uitgerekt door wrijving tegen de kanaalwanden. De auteurs probeerden deze situatie in het laboratorium na te bootsen met echte rhyolietobsidiaan, een natuurlijke vulkanische glassoort, om te zien hoe schuifwerking de drempel verandert waarbij gas vrij kan stromen.

Laboratoriumvulkanen in het klein

Het team boorde kleine cilindrische kernmonsters uit obsidiaan en verwarmde ze totdat bellen begonnen te groeien. In één reeks experimenten konden de monsters vrij uitzetten, wat magma nabootst dat niet sterk door de omgeving wordt samengedrukt. In een andere reeks werd elke glascilinder in een dikkere basaltbuis geplaatst met een iets grotere binnendiameter, waardoor de belrijke magma zijwaarts moest uitzetten totdat hij de buis raakte en daarna voornamelijk omhoog. Door de spleet tussen monster en buis te variëren, controleerden de onderzoekers hoe vroeg schuifwerking begon en hoe sterk die werd. Gedurende het verwarmings- en houdproces hielden ze bij hoeveel de monsters opzwollen, hoeveel bellen er ontstonden, hoe die bellen van vorm veranderden en hoe gemakkelijk gas door het resulterende netwerk kon bewegen.

Hoe het uitrekken van bellen ontsnappingsroutes opent

De experimenten tonen een scherp contrast tussen kalme en geschuurde magma. Wanneer de monsters vrij uitzetten, bleven de bellen bijna rond en zelfs bij zeer hoge belinhouden — tot ongeveer driekwart van het volume — bleef de magma effectief luchtdicht, met extreem lage permeabiliteit. Zodra schuifwerking door opsluiting werd geïntroduceerd, veranderde het beeld echter. Bij de randen werden bellen snel uitgerekt tot langgerekte vormen die in de richting van de stroming lagen, en naburige bellen begonnen elkaar te raken en samen te vloeien. In matig geschuurde monsters verschenen significante gaspaden zodra de belrijke magma de containerwanden raakte, bij belfracties rond 60–70 procent. In de gevallen met de sterkste schuifwerking werd connectiviteit bij veel lagere belinhouden bereikt, soms onder 20 procent, hoewel deze vroege paden over het algemeen minder permeabel waren.

Een dynamisch evenwicht tussen gaswinst en gasverlies

De permeabiliteit in de geschuurde monsters nam niet eenvoudigweg toe met de totale hoeveelheid bellen. In plaats daarvan hing het af van welk deel van de porieruimte daadwerkelijk verbonden was, en van de afmetingen en vormen van de smalle keelstukken die bellen met elkaar verbinden. Zodra paden gevormd waren, begon gas te ontsnappen door gescheurde gebieden van de dichte buitenste "huid" van glas die de monsters bedekte. De auteurs combineerden hun metingen met een bubbelgroeimodel om te reconstrueren hoe de bulkpermeabiliteit over de tijd evolueerde bij hoge temperatuur. Ze vonden dat in zacht opgesloten gevallen door schuifwerking veroorzaakte connectiviteit gasontsnapping net snel genoeg mogelijk maakte om de bubbelgroei in evenwicht te houden, wat leidde tot een voorbijgaande, zelfregulerende toestand. In sterk opgesloten gevallen ging de bubbelgroei door zelfs nadat connectiviteit was bereikt, maar in een lager tempo, wat laat zien dat het verbinden van bellen niet automatisch betekent dat gas direct uit viskeuze magma wordt afgetapt.

Wat dit betekent voor echte uitbarstingen

Voor natuurlijke vulkanische kanalen impliceren deze resultaten dat zelfs matige schuifwerking de belinhoud die nodig is voor gaspercolatie drastisch kan verlagen, en dat eenmaal gevormde verbindingen kunnen blijven bestaan, zelfs terwijl bellen later weer ronder worden. Effectieve ontgassing vereist echter ook doorlopende routes helemaal naar het omliggende gesteente en een drukverschil om de stroming aan te drijven. De verschuiving van explosief naar effusief gedrag bij silicische uitbarstingen wordt dus niet alleen bepaald door hoeveel bellen aanwezig zijn, maar ook door hoe magma in het kanaal wordt samengedrukt en uitgerekt en hoe de gaspaden aansluiten op het bredere vulkanische leidingsysteem.

Bronvermelding: Birnbaum, J., Schauroth, J., Weaver, J. et al. Shear-enhanced dynamic permeability development of magma vesiculating in cylindrical conduits. Sci Rep 16, 9838 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43344-8

Trefwoorden: magmapermeabiliteit, vulkanische ontgassing, bubbelnetwerken, uitbarstingsstijl, rhyolietmagma