Il 30 aprile, 2018, sul fianco orientale del vulcano Kīlauea delle Hawaii, la lava è stata improvvisamente drenata da un cratere che aveva eruttato lava per più di tre decenni. Poi il fondo del cratere, chiamato Pu'u'ō'ō, abbandonato.

Entro 48 ore, il lago di lava alla sommità di Kīlauea 12 miglia a nord-ovest di Pu'u'ō'ō iniziò a cadere mentre il magma drenava nelle tubature del vulcano. Prossimamente, nuove crepe si aprirono a 12 miglia a est di Pu'u'ō'ō e la lava fusa schizzò fuori, strisciato sulle strade, alberi bruciati e pali della luce incendiati.

Oltre tre mesi, Kīlauea ha sputato abbastanza lava da riempire 320, 000 piscine olimpioniche, distrutto più di 700 case e sfollate migliaia di persone. Il paesaggio sommitale stesso è stato trasformato quando il suo cratere è crollato di ben 1, 500 piedi per tutta l'estate in un modo che gli scienziati stanno solo iniziando a capire.

"Negli interi 60 anni di moderna strumentazione geofisica dei vulcani, abbiamo avuto solo una mezza dozzina di crolli di caldera, ", ha affermato il geofisico della Stanford University Paul Segall, autore principale di un nuovo studio in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze che aiuta a spiegare come si svolgono questi eventi e trova prove che confermano il paradigma scientifico regnante su come funziona l'attrito sulle faglie sismiche.

I risultati possono aiutare a informare le future valutazioni dei pericoli e gli sforzi di mitigazione intorno alle eruzioni vulcaniche. "Migliorare la nostra comprensione della fisica che governa i collassi della caldera ci aiuterà a comprendere meglio le condizioni in cui sono possibili i collassi e a prevedere l'evoluzione di una sequenza di collasso una volta iniziata, " ha detto il co-autore Kyle Anderson, dottorato di ricerca '12, un geofisico con l'US Geological Survey che faceva parte del team che lavorava in loco a Kīlauea durante l'eruzione del 2018.

La natura dell'attrito

Un fattore chiave che controlla il collasso delle caldere vulcaniche e la rottura delle faglie sismiche in tutto il mondo è l'attrito. È onnipresente nella natura e nella nostra vita quotidiana, entrando in gioco ogni volta che due superfici si muovono l'una rispetto all'altra. Ma le interazioni tra le superfici sono così complesse che, nonostante secoli di studi, gli scienziati ancora non capiscono completamente come si comporta l'attrito in diverse situazioni. "Non è qualcosa che possiamo prevedere interamente usando solo equazioni. Abbiamo anche bisogno di dati da esperimenti, " ha detto Segal.

Gli scienziati che cercano di capire il ruolo dell'attrito nei terremoti di solito eseguono questi esperimenti in laboratorio utilizzando lastre di roccia appena più grandi di una porta e spesso più vicine alle dimensioni di un mazzo di carte. "Una delle grandi sfide nella scienza dei terremoti è stata quella di prendere queste leggi di attrito e i valori che sono stati trovati in laboratorio, e applicarli a, dire, la faglia di Sant'Andrea, perché è un enorme salto di scala, "disse Segall, il Cecil H. e Ida M. Green Professore di Geofisica presso la Stanford's School of Earth, Scienze energetiche e ambientali (Stanford Earth).

Nel nuovo studio, pubblicato il 23 luglio, Segall e Anderson esaminano lo scivolamento e l'adesione del blocco di crollo del vulcano Kīlauea, un pezzo di crosta di circa cinque miglia e profondo mezzo miglio, per caratterizzare l'attrito su una scala molto più ampia. "Abbiamo deciso di sviluppare un modello matematico di quel crollo, molto semplificato, ma usando la moderna comprensione dell'attrito, " ha detto Segal.

Il crollo di Kīlauea

La caldera di Kīlauea è crollata non in una discesa regolare, ma piuttosto come un pistone appiccicoso. Circa ogni giorno e mezzo, il blocco crollato è sceso di quasi otto piedi in pochi secondi, poi fermato. Questo perché mentre il magma nella camera al di sotto della caldera si sollevava in fessure nel fianco orientale inferiore di Kīlauea, ha tolto il supporto alla roccia sovrastante. "Infine, la pressione diventa abbastanza bassa da far cadere il pavimento e inizia a crollare, come una dolina, " ha detto Segal.

Al termine dell'eruzione di Kīlauea del 2018, gli eventi di crollo del vulcano a forma di pistone si sono ripetuti 62 volte, ognuno dei quali ha innescato un terremoto e ogni movimento è stato tracciato al millimetro ogni cinque secondi da una serie di 20 strumenti del sistema di posizionamento globale (GPS). Durante le prime decine di eventi di crollo, la geometria delle superfici rocciose è cambiata, ma sono rimasti stabili per le ultime 30 discese.

La nuova ricerca mostra che per questo tipo di eruzione, quando la bocca eruttiva è ad una quota più bassa, porta a un maggiore calo di pressione al di sotto del blocco della caldera, il che rende quindi più probabile l'inizio di un evento di collasso. Una volta avviato il collasso, il peso del massiccio blocco caldera mantiene la pressione sul magma, costringendolo al luogo dell'eruzione. "Se non fosse per il crollo, l'eruzione sarebbe senza dubbio finita molto prima, " ha detto Segal.

Attrito in evoluzione

L'analisi di Segall e Anderson del tesoro di dati dal crollo della caldera di Kīlauea conferma che, anche alla vasta scala di questo vulcano, i modi in cui le diverse superfici rocciose scivolano e scivolano l'una sull'altra o si attaccano a velocità e pressioni diverse nel tempo sono molto simili a quelli che gli scienziati hanno scoperto in esperimenti di laboratorio su piccola scala.

Nello specifico, i nuovi risultati forniscono un limite superiore per un fattore importante nella meccanica dei terremoti noto come distanza di indebolimento dello slittamento, che i geofisici usano per calcolare come le faglie si staccano. Questa è la distanza alla quale la forza di attrito di una faglia si indebolisce prima di rompersi, qualcosa che è fondamentale per un'accurata modellazione della stabilità e dell'accumulo di energia sulle faglie sismiche. Esperimenti di laboratorio hanno suggerito che questa distanza potrebbe essere inferiore a decine di micron, equivalente alla larghezza di un capello unito a poche dozzine di schegge, mentre le stime dei terremoti reali indicano che potrebbe essere lunga fino a 20 centimetri.

La nuova modellazione ora mostra che questa evoluzione avviene su non più di 10 millimetri, e forse molto meno. "Le incertezze sono più grandi di quelle in laboratorio, ma le proprietà di attrito sono completamente coerenti con ciò che viene misurato in laboratorio, e questo è molto confermante, " Ha detto Segall. "Ci dice che stiamo bene prendendo quelle misurazioni da campioni molto piccoli e applicandole a grandi faglie tettoniche perché si sono rivelate vere nel comportamento che abbiamo osservato nel crollo di Kīlauea".

Il nuovo lavoro aggiunge anche complessità realistica a un modello matematico del pistone, proposto un decennio fa dal vulcanologo giapponese Hiroyuki Kumagai e colleghi, per spiegare un grande crollo della caldera sull'isola di Miyake, Giappone. Mentre il modello Kumagai ampiamente adottato presumeva che le superfici rocciose del vulcano cambiassero come se si spostasse un interruttore dall'essere stazionarie l'una rispetto all'altra per scivolare l'una accanto all'altra, la nuova modellazione riconosce che il passaggio tra attrito "statico" e "dinamico" è più complesso e graduale. "Nulla in natura accade istantaneamente, " ha detto Segal.