El 30 de abril 2018, en el flanco oriental del volcán Kilauea de Hawái, La lava se drenó repentinamente de un cráter que había estado arrojando lava durante más de tres décadas. Entonces el suelo del cráter, llamado Pu'u'ō'ō, abandonó.

Dentro de las 48 horas, el lago de lava en la cumbre de Kilauea, a 12 millas al noroeste de Pu'u'ō'ō, comenzó a caer mientras el magma se drenaba hacia las tuberías del volcán. Pronto, nuevas grietas se abrieron 12 millas al este de Pu'u'ō'ō y la lava fundida brotó, se arrastró por los caminos, árboles quemados y postes de energía incendiados.

Más de tres meses Kilauea escupió suficiente lava para llenar 320, 000 piscinas olímpicas, destruyó más de 700 hogares y desplazó a miles de personas. El paisaje de la cumbre en sí se transformó cuando su cráter colapsó hasta en 1, 500 pies durante todo el verano de una manera que los científicos apenas están comenzando a comprender.

"En los 60 años completos de instrumentación geofísica moderna de volcanes, solo hemos tenido media docena de derrumbes de calderas, "dijo el geofísico de la Universidad de Stanford Paul Segall, autor principal de un nuevo estudio en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias que ayuda a explicar cómo se desarrollan estos eventos y encuentra evidencia que confirma el paradigma científico reinante sobre cómo funciona la fricción en las fallas sísmicas.

Los resultados pueden ayudar a informar las futuras evaluaciones de peligros y los esfuerzos de mitigación en torno a las erupciones volcánicas. "Mejorar nuestra comprensión de la física que rige los colapsos de calderas nos ayudará a comprender mejor las condiciones bajo las cuales son posibles los colapsos y pronosticar la evolución de una secuencia de colapso una vez que comience, "dijo el coautor Kyle Anderson, Doctor. '12, un geofísico del Servicio Geológico de EE. UU. que formó parte del equipo que trabajó en el sitio en Kilauea durante la erupción de 2018.

La naturaleza de la fricción

Un factor clave que controla el colapso de las calderas volcánicas y la ruptura de fallas sísmicas en todo el mundo es la fricción. Es omnipresente en la naturaleza y en nuestra vida cotidiana, entrando en juego cada vez que dos superficies se mueven una con respecto a la otra. Pero las interacciones entre superficies son tan complejas que, a pesar de siglos de estudio, los científicos aún no comprenden completamente cómo se comporta la fricción en diferentes situaciones. "No es algo que podamos predecir por completo utilizando solo ecuaciones. También necesitamos datos de experimentos, "Dijo Segall.

Los científicos que buscan comprender el papel de la fricción en los terremotos generalmente realizan estos experimentos en laboratorios utilizando losas de roca apenas más grandes que una puerta y, a menudo, más cercanas al tamaño de una baraja de cartas. "Uno de los grandes desafíos en la ciencia de los terremotos ha sido tomar estas leyes de fricción y los valores que se encontraron en el laboratorio, y aplicarlos a, decir, la falla de San Andrés, porque es un salto de escala tan enorme, "dijo Segall, el profesor Cecil H. e Ida M. Green de geofísica en la Escuela de la Tierra de Stanford, Energía y Ciencias Ambientales (Stanford Earth).

En el nuevo estudio, publicado el 23 de julio de Segall y Anderson examinan el deslizamiento y la adherencia del bloque de colapso del volcán Kilauea, un trozo de corteza de cinco millas a la redonda y media milla de profundidad, para caracterizar la fricción a una escala mucho mayor. "Nos propusimos desarrollar un modelo matemático de ese colapso, altamente simplificado, pero utilizando la comprensión moderna de la fricción, "Dijo Segall.

El colapso de Kilauea

La caldera de Kilauea no se derrumbó en un suave descenso, sino más bien como un pistón pegajoso. Aproximadamente todos los días y medio el bloque colapsado cayó casi dos metros y medio en cuestión de segundos, luego se detuvo. Eso es porque cuando el magma en la cámara debajo de la caldera surgió en fisuras en el flanco este inferior de Kilauea, le quitó el apoyo a la roca suprayacente. "Finalmente, la presión se vuelve lo suficientemente baja como para que el piso se caiga y comience a colapsar, como un sumidero, "Dijo Segall.

Cuando terminó la erupción de Kilauea en 2018, Los eventos de colapso en forma de pistón del volcán se repitieron 62 veces, cada uno provocando un terremoto y cada movimiento rastreado al milímetro cada cinco segundos por una serie de 20 instrumentos del sistema de posicionamiento global (GPS). Durante las primeras docenas de eventos de colapso, la geometría de las superficies rocosas cambió, pero se mantuvieron estables durante los últimos 30 descensos detenidos.

La nueva investigación muestra que para este tipo de erupción, cuando el respiradero eruptivo está en una elevación más baja, conduce a una caída mayor de la presión debajo del bloque de la caldera, lo que hace que sea más probable que comience un evento de colapso. Una vez que se inicia el colapso, el peso del enorme bloque de caldera mantiene la presión sobre el magma, forzándolo al sitio de la erupción. "Si no fuera por el colapso, la erupción sin duda habría terminado mucho antes, "Dijo Segall.

Evolución de la fricción

El análisis de Segall y Anderson del tesoro de datos del colapso de la caldera de Kilauea confirma que, incluso a la vasta escala de este volcán, las formas en que las diferentes superficies rocosas se deslizan y se deslizan unas sobre otras o se pegan a diferentes velocidades y presiones a lo largo del tiempo son muy similares a lo que los científicos han descubierto en experimentos de laboratorio a pequeña escala.

Específicamente, los nuevos resultados proporcionan un límite superior para un factor importante en la mecánica de los terremotos conocido como distancia de debilitamiento de deslizamiento, que los geofísicos utilizan para calcular cómo se despegan las fallas. Esta es la distancia sobre la cual la fuerza de fricción de una falla se debilita antes de romperse, algo que es fundamental para el modelado preciso de la estabilidad y acumulación de energía en fallas sísmicas. Los experimentos de laboratorio han sugerido que esta distancia podría ser tan corta como decenas de micrones, equivalente al ancho de un cabello empalmado en unas pocas docenas de astillas, mientras que las estimaciones de terremotos reales indican que podría ser de hasta 20 centímetros.

El nuevo modelo ahora muestra que esta evolución ocurre en no más de 10 milímetros, y posiblemente mucho menos. "Las incertidumbres son mayores de lo que son en el laboratorio, pero las propiedades de fricción son completamente consistentes con lo que se mide en el laboratorio, y eso es muy confirmativo, "Dijo Segall." Nos dice que estamos bien tomando esas medidas de muestras realmente pequeñas y aplicándolas a grandes fallas tectónicas porque se mantuvieron verdaderas en el comportamiento que observamos en el colapso de Kilauea ".

El nuevo trabajo también agrega complejidad realista a un modelo matemático de pistón, propuesto hace una década por el vulcanólogo japonés Hiroyuki Kumagai y sus colegas, para explicar el colapso de una gran caldera en la isla Miyake, Japón. Si bien el modelo de Kumagai, ampliamente aceptado, asumió que las superficies rocosas del volcán cambiaron como si se activara un interruptor de estar estacionario entre sí a deslizarse uno al lado del otro, el nuevo modelo reconoce que la transición entre fricción "estática" y "dinámica" es más compleja y gradual. "Nada en la naturaleza ocurre instantáneamente, "Dijo Segall.