Tracking Formation of a Lava Lake From Ground and Space: Masaya Volcano (Nicaragua), 2014–2017

Abstract

A vigorously degassing lava lake appeared inside the Santiago pit crater of Masaya volcano (Nicaragua) in December 2015, after years of degassing with no (or minor) incandescence. Here we present an unprecedented-long (3 years) and continuous volcanic gas record that instrumentally characterizes the (re)activation of the lava lake. Our results show that, before appearance of the lake, the volcanic gas plume composition became unusually CO2 rich, as testified by high CO2/SO2 ratios (mean: 12.2 6 6.3) and low H2O/CO2 ratios (mean: 2.3 6 1.3). The volcanic CO2 flux also peaked in November 2015 (mean: 81.3 6 40.6 kg/s; maximum: 247 kg/s). Using results of magma degassing models and budgets, we interpret this elevated CO2 degassing as sourced by degassing of a volatile-rich fast-overturning (3.6–5.2 m3 s21) magma, supplying CO2-rich gas bubbles from minimum equivalent depths of 0.36–1.4 km. We propose this elevated gas bubble supply destabilized the shallow (<1 km) Masaya magma reservoir, leading to upward migration of vesicular (buoyant) resident magma, and ultimately to (re)formation of the lava lake. At onset of lava lake activity on 11 December 2015 (constrained by satellite-based MODIS thermal observations), the gas emissions transitioned to more SO2-rich composition, and the SO2 flux increased by a factor 40% (11.4 6 5.2 kg/s) relative to background degassing (8.0 kg/s), confirming faster than normal (4.4 versus 3 m3 s21) shallow magma convection. Based on thermal energy records, we estimate that only 0.8 of the 4.4 m3 s21 of magma actually reached the surface to manifest into a convecting lava lake, suggesting inefficient transport of magma in the near-surface plumbing system.Un lago de lava en vigorosa desgasificación apareció dentro del cráter Santiago del volcán Masaya (Nicaragua) en diciembre de 2015, tras años de desgasificación sin incandescencia (o con una incandescencia mínima). Presentamos un registro continuo y sin precedentes de gas volcánico (3 años) que caracteriza instrumentalmente la (re)activación del lago de lava. Nuestros resultados muestran que, antes de la aparición del lago, la composición de la columna de gas volcánico se volvió inusualmente rica en CO₂, como lo demuestran las altas razones CO₂/SO₂ (media: 12,2 ± 6,3) y las bajas razones H₂O/CO₂ (media: 2,3 ± 1,3). El flujo volcánico de CO₂ también alcanzó su máximo en noviembre de 2015 (media: 81,3 ± 40,6 kg/s; máximo: 247 kg/s). Utilizando los resultados de los modelos y presupuestos de desgasificación de magma, interpretamos que esta elevada desgasificación de CO₂ se debe a la desgasificación de un magma rico en volátiles y de rápido volcamiento (3,6-5,2 m³ s₂⁻), que suministra burbujas de gas ricas en CO₂ desde profundidades mínimas equivalentes de 0,36-1,4 km. Proponemos que este elevado aporte de burbujas de gas desestabilizó el yacimiento magmático de Masaya, poco profundo (<1 km), lo que provocó la migración ascendente del magma residente vesicular (flotante) y, en última instancia, la (re)formación del lago de lava. Al inicio de la actividad del lago de lava el 11 de diciembre de 2015 (limitada por las observaciones térmicas satelitales MODIS), las emisiones de gases se transformaron en una composición más rica en SO₂, y el flujo de SO₂ aumentó un 40 % (11,4 ± 5,2 kg/s) en relación con la desgasificación de fondo (8,0 kg/s), lo que confirma una convección de magma superficial más rápida de lo normal (4,4 frente a 3 m³ s₂⁻). Con base en los registros de energía térmica, estimamos que solo 0,8 de los 4,4 m³ s₂⁻ de magma alcanzaron la superficie para manifestarse en un lago de lava convectivo, lo que sugiere un transporte ineficiente del magma en el sistema de tuberías cercano a la superficie.