Stof op de auto verklaart oorzaak vulkaanuitbarsting

De uitbarsting van de Eyjafjallajökull vulkaan is inmiddels in kracht afgenomen. Een nauwkeurig inzicht in de samenstelling van de aswolk is van belang voor het vliegverkeer, voor het inschatten van gezondheidsrisico’s en om het verloop van de vulkaanuitbarsting te begrijpen. Vulkanoloog Manfred van Bergen (Universiteit Utrecht) is samen met collega’s Martyn Drury en Igor Nikogosian bezig de asdeeltjes in laboratoria te onderzoeken. De eerste resultaten laten zien wat je kunt leren van het stof op je auto…

In Nederland zijn slechts minieme hoeveelheden as op de grond terechtgekomen. De IJslandse as, die nu bestudeerd wordt in de Utrechtse laboratoria, heeft wel een heel bijzondere route naar Utrecht gevolgd. Bij toeval waren twee studenten, Annique van der Boon en Anouk Beniest vanwege een veldwerk voor hun bachelorscriptie in Engeland, juist op het moment dat daar de as neerkwam. Met een laag stof op hun huurauto reden ze terug naar Utrecht. De schoonmaakbeurt luidde een speurtocht naar de oorzaak van de vulkaanuitbarsting in.

Verspreiding van de aswolk op 15 april.

Met Office

Samenstelling van de “as van het kwaad”

De vulkanische as wordt met een electronen-microscoop en een electronen-microsonde geanalyseerd. Met deze instrumenten kunnen niet alleen de grootte en de vorm, maar ook de chemische samenstelling van zeer kleine stofdeeltjes vastgesteld worden.

De eerste resultaten laten zien dat de asdeeltjes maximaal zo’n 50 micrometer groot zijn, een paar uitzonderingen daargelaten (1 micrometer = 1/1000-ste millimeter). De korreltjes zijn heel gevarieerd van samenstelling. De overgrote meerderheid bestaat uit kristalletjes van zeker 10 verschillende mineralen, die gevormd moeten zijn bij geleidelijke afkoeling van heet magma. Ook werden minuscule gesteentefragmentjes aangetroffen. Een klein percentage van het stof bestaat uit vulkanisch glas. Dat ontstaat wanneer de afkoeling heel snel verloopt. De kristalvorm van de mineralen is vaak goed te herkennen. Een kleine hoeveelheid asdeeltjes is naaldvormig. De mineraal- en glasdeeltjes bestaan vooral uit de elementen silicium, aluminium, zuurstof, ijzer, magnesium, calcium, kalium, natrium, titanium en fosfor, bouwstenen die in wisselende verhoudingen aanwezig zijn.

Electronen-microcoop opname die grootte, vorm en veelsoortigheid van de asdeeltjes laat zien. De samenstelling is kenmerkend voor vulkanisch materiaal De lijn rechtsonder geeft een lengte van 50 micrometer aan.

Waarom begon de tweede uitbarsting zo explosief?

De eerste eruptie op de flank van de vulkaan die op 20 maart begon verliep vrij rustig. Uit een spleet kwam silicium-arm, bazaltisch magma tevoorschijn dat zich als lavastromen in de directe omgeving verspreidde. De heftige tweede uitbarsting in het centrale deel van de vulkaan die op 14 april begon produceerde de aswolk. Niet alleen het water van de smeltende gletsjer en het vrijkomende vulkanische gas droegen bij aan de explosiviteit van de eruptie. Nu blijkt uit de samenstelling van de as ook dat er nog een andere factor in het spel was. Vrijwel alle gevonden mineraalsoorten (onder meer kwarts) kunnen niet in een bazaltisch magma ontstaan zijn maar wijzen op een rhyolitisch magma dat silicium-rijk en daardoor veel minder vloeibaar is. Deze eigenschap geeft doorgaans aanleiding tot grote explosiviteit.

Het silicium-rijke magma is vermoedelijk een semi-gestold restant dat bij de vorige uitbarsting in 1821-1823 in de vulkaan is blijven zitten. Het is ook mogelijk dat silicium-rijk gesteente in de berg door de hitte van het omhoogkomende bazaltische magma smolt. Diens gebruikelijke temperatuur van zo’n 1200 graden Celcius is daarvoor meer dan genoeg.

Electronen-microcoop opname met details van enkele asdeeltjes. De veldspaatkorrel in het midden laat een mooie kristalvorm zien. De lijn rechtsonder geeft een lengte van 10 micrometer aan.

“Smoking gun” van een explosief mengsel

Hardnekkig speurwerk tussen de asdeeltjes levert inderdaad het bewijs op voor een samenspel tussen twee verschillende magma’s: één van de glasdeeltjes blijkt vrijwel dezelfde samenstelling te hebben als het silicium-arme bazaltische magma van de eerdere uitbarsting op de flank. Andere glasdeeltjes bevatten veel meer silicium. Samen met de mineraalkristallen vertegenwoordigen ze het silicium-rijke magma, het hoofdbestanddeel van het mengsel.

Met deze voorlopige resultaten, verkregen uit nog geen volle gram as, en de waarnemingen ter plaatse laat het machtige ontwaken van de Eyjafjallajökull vulkaan zich volgens een aannemelijk scenario verklaren. Bazaltisch magma, afkomstig van grote diepte baande zich gedurende langere tijd een weg naar boven. Waarschijnlijk was dit proces al jaren aan de gang. De vrije doorgang naar buiten werd belemmerd door een silicium-rijke ‘prop’ van sterk gekristalliseerd magma of volledig gestold gesteente uit een eerdere periode van activiteit. Deze barrière bevond zich in het centrale deel van de vulkaan ergens onder de gletsjer.

Het geaccumuleerde bazaltische magma vond een eerste weg naar buiten via een zijwaartse route. Dit leidde tot de eerste eruptie op de flank van de vulkaan. Enkele weken later was de “prop” zover aangetast en onder druk gezet dat hij het begaf en verbrijzelde. Deze latere uitbarsting op de top van de vulkaan produceerde uiteindelijk de aswolk die het vliegverkeer lamlegde. Dat daarbij ook flink wat zwaveldioxide de lucht in ging blijkt uit een verhoogde concentratie aan opgelost sulfaat die in spoelwater van het asmonster werd gemeten.

Minuscule kristalletjes van een bonte verzameling mineralen

Volgens eerste voorlopige resultaten bestaat het onderzochte monster van de aswolk uit minuscule kristalletjes van een bonte verzameling mineralen. Fragmentjes vulkanisch glas met verschillende samenstellingen vormen een veel kleiner bestanddeel.

Het overgrote merendeel van de asdeeltjes is niet afkomstig van silicium-arm bazaltisch magma waar IJsland zo bekend om staat. Het zijn fragmenten van silicium-rijk materiaal uit een vorige actieve periode dat zich in de vulkaan bevond. Dit verklaart waarom de tweede eruptie in het centrale deel van de vulkaan zo heftig begon en de aswolk kon ontstaan.

Nu deze “oude” barrière is opgeruimd kan het bazaltische magma makkelijker naar buiten. Het ligt daarmee voor de hand dat de verminderde explosiviteit die we nu zien van blijvende duur zal zijn, waarschijnlijk tot de activiteit volledig ophoudt.

De manier waarop de Eyjafjallajökull vulkaan tot uitbarsting kwam past in het gedragspatroon van andere vulkanen in de “Eastern Volcanic Zone” van IJsland.

De buurvulkaan Katla heeft in het verleden ook twee soorten magma geproduceerd. Een vergelijkbaar scenario kan daar leiden tot nog veel heftiger uitbarstingen en veel grotere aswolken. De vraag is wanneer dat gebeurt …