De bodem van het havenstadje Pozzuoli is sinds 1950 met bijna 5 meter omhooggekomen. Het stadje bij Napels ligt midden in de krater van supervulkaan Campi Flegrei (vurige velden). In de haven is de bodemstijging aan de kade duidelijk zichtbaar. En ook pilaren van de Serapistempel uit de Romeinse tijd moeten vroeger meters onder water hebben gestaan.

Vulkanoloog Stefano Carlino van het vulkanologisch instituut Osservatorio Vesuviano wuift alle sensatie echter direct weg. „Een supereruptie zoals in het verleden heeft plaatsgevonden, is zeer onwaarschijnlijk.”

De laatste uitbarsting was duizenden jaren geleden. Toen stroomde er naar schatting 400 kubieke kilometer magma uit de grote magmakamer op 9 kilometer diepte omhoog via een kleinere magmakamer op een diepte van 5 kilometer. „Na de laatste grote eruptie is de grote kamer deels ingestort”, aldus Carlino.

Tussen 1950 en 1952 steeg de bodem onder Puzzuoli met 70 centimeter, tussen 1970 en 1972 met 1,8 meter en tussen 1982 en 1984 met 2 meter. Vanaf 2005 is de bodem opnieuw met 50 centimeter omhooggekomen. De bodemstijging, bradyseisme genoemd, wordt hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt door de toevoer van verse magma en de toename van druk door hete gassen en vloeistoffen in de aardkorst.

„Hoe het mechanisme van magmaverplaatsing en ophoping in de aardkorst hier precies plaatsvindt, begrijpen we nog niet goed”, zegt Carlino. „Dat werkt bij elke vulkaan weer anders.”

Het blijkt in de praktijk echter bijzonder lastig om de werking van het vulkanische systeem te doorgronden. In het algemeen stijgt magma op uit het bovenste deel van de aardmantel en beweegt door de aardkorst tot op een diepte van enkele tientallen kilometers. De stroom stopt waar de dichtheid van het magma bijna gelijk is aan de dichtheid van het omliggende gesteente. Hier vindt ophoping plaats en vormt zich een magmakamer.

Voorspelling

„Alle wetenschappelijke informatie over de Campi Flegrei is gebaseerd op veronderstellingen en modellen. Hierdoor is het bijzonder lastig voorspellingen te doen over de ontwikkelingen van dit vulkaansysteem”, bekent de vulkanoloog. „We weten niet welk model in de buurt van de realiteit komt.”

Met nieuwe grondboringen van het Campi Flegrei Deep Drilling Project hoopt de Italiaan daarover meer te weten te komen. De pilot startte in 2012. Er werd geboord tot een diepte van 500 meter. In totaal zijn er tussen 2012 en 2015 twintig boringen verricht voor wetenschappelijk onderzoek.

Toen het vulkanisch instituut kenbaar maakte te willen boren, kwam een deel van de Napolitanen in opstand. ”Wees voorzichtig, als de aarde wordt doorboord zal de vulkaan ontploffen”, kopte de voorpagina van een plaatselijke krant. Na twee jaar oponthoud kon het boorproject alsnog van start gaan.

Carlino’s collega Giuseppe De Natale, wetenschappelijk coördinator van de pilot, begrijpt al die ophef niet. „In 1939 werden hier de eerste gaten van 1000 meter diep geboord. En in de jaren zeventig van de vorige eeuw zijn er dertien gaten geboord waarvan enkele tot een diepte van maar liefst 3 kilometer. Het was toen oliecrisis. Italië was op zoek naar alternatieve energiebronnen en onderzocht de mogelijkheden voor geothermische energie. Toen deed niemand moeilijk.”

Overdruk

Inmiddels is bekend dat onder de Campi Flegrei ophoping van magma plaatsheeft op een diepte van 8 à 9 kilometer (zie ”Seismische tomografie”). De grote, maar nog onopgeloste vraag is of de recente bodemstijging in de krater wordt veroorzaakt door nieuwe magma in de magmakamers, of door een overdruk van gassen en water in de korst. Een combinatie van beide is ook mogelijk.

De laatste jaren neemt Carlino een sterke toename waar in de concentratie en de temperatuur van de gassen die aan de rand van de caldera naar buiten sissen. „Mogelijk stijgt er nieuwe magma van hoge stroperigheid door naar de kleine magmakamer, waardoor de caldera opbolt. Dat zou dan gaan om ongeveer een kubieke kilometer vloeibaar gesteente. Maar of dit daadwerkelijk tot een mega-eruptie op de korte of middellange termijn leidt, blijft gissen.”

De laatste jaren sissen er steeds meer hete gassen via openingen in de aardkorst, zogeheten fumarolen, aan de rand van de caldera naar buiten. De vulkanoloog vermoedt dat de ontsnappende gassen uit het magma, zoals CO2, zwavelverbindingen en waterdamp, ook een oorzaak kunnen zijn dat er magma omhoog komt. „Deze gassen komen onder hoge druk in scheuren terecht en kunnen tot aardbevingen en zelfs nieuwe scheuren leiden. Daardoor kan de magma vervolgens naar buiten stromen.”

Het kan ook zo zijn dat door afkoeling een deel van het magma in de kamers kristalliseert. Hierbij ontstaan gassen en vloeistoffen die naar de oppervlakte stijgen. Als deze gassen en vloeistoffen bodemstijging veroorzaken, is het niet de toevoer van verse magma in de magmakamers.

Mega-uitbarsting

Een op handen zijnde mega-uitbarsting, waarop diverse media volop speculeren, is volgens Carlino vooralsnog niet aan de orde. „Helemaal zeker weten we het nooit, maar het is niet waarschijnlijk dat de hele caldera explodeert. Mogelijk dat de nabijgelegen Vesuvius uitbarst of dat er een kleine eruptie plaatsvindt.” Dat was voor het laatst het geval in 1538 toen in een week tijd de 103 meter hoge sintelkegel Monte Nuovo (nieuwe berg) verrees.

Sinds de laatste grote uitbarsting duizenden jaar geleden hebben er meer dan 34 kleine uitbarstingen in de Campi Flegrei plaatsgevonden. De vulkanoloog: „De explosiviteit van grote vulkaansystemen vermindert. Dat komt doordat de aarde verder afkoelt, waardoor er steeds minder energie beschikbaar is voor dergelijke supererupties.”

Deep Drilling Project

Uit het Deep Drilling Project blijkt dat de doorlatendheid van het gesteente direct van invloed is op de snelheid van de bodemstijging en -daling. Na elke stijging veerde de bodem kort daarna met enkele procenten terug. Hoewel de totale bodemstijging sinds 1950 zo’n 5 meter bedraagt, is de bodem netto 3,5 meter omhoog gekomen vanwege het terugveereffect.

Na elke fase van bodemstijging daalde deze weer. Het boorproject moet uitsluitsel geven over de oorzaak van dit terugveereffect. „We hebben de doorlatendheid direct gemeten tot op een diepte van honderden meters. Op basis van de meetresultaten konden we voor het eerst uitrekenen welk deel van de bodemstijging het gevolg was van magmaophoping, en welk deel werd veroorzaakt door gassen en vloeistoffen”, legt coördinator Giuseppe De Natale uit.

„Opmerkelijk is dat scheuren een veel groter effect op de doorlaatbaarheid blijken te hebben dan de poreusheid van het gesteente”, weet De Natale. „Deze daling is een indirect bewijs van de doorlatendheid van de bodem voor gassen. Op deze manier kunnen we het proces van bodemstijging en -daling in kaart brengen. We weten nu met zekerheid dat de netto stijging van de bodem het gevolg is van magmaophoping.”

Zijn collega Stefano Carlino is iets voorzichtiger. Hij acht het ook mogelijk dat de terugverende bodem deels het gevolg is van het afkoelen van de kleine magmakamer. „Door afkoeling krimpt het volume, waardoor de druk in de bodem afneemt.”

De bodem onder de Campi Flegrei kan overigens heel wat druk hebben. Carlino: „Dat komt doordat de temperatuur van het gesteente op dieptes van tussen de 2 en 3 kilometer een temperatuur heeft van 360 à 400 graden Celsius. „Dan veranderen de fysische eigenschappen van het gesteente van breekbaar naar buigzaam, met als gevolg dat er minder scheuren ontstaan waardoor magma omhoog kan komen. Dat weten we dankzij de boringen.”

Seismische tomografie

De omvang van de magmakamer van de Campi Flegrei is gedetecteerd met behulp van seismische tomografie. De seismische golven worden veroorzaakt door ondergrondse explosies met dynamiet. De trillingen bewegen zich vervolgens door de aardkorst. „Door terugkaatsing is zacht materiaal van harder gesteente te onderscheiden. Op deze manier kunnen we grote volumes van ophopend magma vaststellen”, legt vulkanoloog Stefano Carlino uit.

Met deze methode is ook de vorm van de magmakamers in kaart gebracht. De grote lijkt op een vliegende schotel en heeft in het midden een dikte van ongeveer een kilometer. De doorsnede bedraagt 10 tot 12 kilometer. Die komt overeen met de vorm en grootte van de caldera, de grote komvormige krater die is ontstaan nadat het dak van de magmakamer na een grote eruptie instortte.

De kleine kamer heeft een doorsnede van ongeveer 4 kilometer en heeft eveneens de vorm van een vliegende schotel. Carlino: „De inhoud van de kleine magmakamer schat ik op 0,1 kubieke kilometer. De grote magmakamer had oorspronkelijk een inhoud van mogelijk 1000 kubieke kilometer.”

…

Water drijvende kracht achter vulkaanuitbarsting

Vluchtige gassen –met name waterdamp– in magma zijn de drijvende kracht achter explosieve vulkaanuitbarstingen. Vulkanologen zouden daarom graag willen weten hoeveel water zich onder een vulkaan kan verzamelen voordat deze uitbarst. Na de uitbarsting is de waterdamp immers allemaal verdwenen in de lucht.

Uit onderzoek van de Washington University in St. Louis (VS) blijkt dat zich in magma veel meer water bevindt dan gedacht. De wetenschappers onder leiding van geochemicus Michael J. Krawczynski beschreven hun onderzoek eerder deze maand in het wetenschappelijke tijdschrift American Mineralogist.

In laboratoriumexperimenten onderzocht het team magma op 40 kilometer diepte. Daaruit bleek dat hoe meer water het magma bevat, hoe minder gemakkelijk het kristalliseert tot glasachtig obsidiaan.

Magma onder zogeheten subductiezones, waar de oceanische plaat onder het vasteland duikt, bevat minstens 9 procent water. „Hoeveel precies? Dat kunnen we niet goed meten met de gebruikelijke methoden”, aldus mede-onderzoeker Maxim Gavrilenko van de University of Nevada.

Al eerder concludeerde aardwetenschapper Douglas Wiens in Nature dat er vier keer zoveel water in de aardmantel verdwijnt dan werd gedacht. Krawczynski: „Als er meer water in de mantel verdwijnt, moet er dus ook meer uit de aardkorst omhoog komen bij vulkaanerupties. We begrijpen nu dat dit een onderdeel is van de watercyclus, maar we weten nog niet over welke hoeveelheden het gaat.”