Kohlendioxid, nicht Wasser, löst explosive basaltische Vulkane aus.

7. August 2023

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durchgeführt von Cornell University

Geowissenschaftler haben lange geglaubt, dass Wasser - zusammen mit flach gelagerter Magma in der Erdkruste - Vulkane zum Ausbruch bringt. Dank neu entwickelter Forschungswerkzeuge an der Cornell University haben Wissenschaftler nun herausgefunden, dass gasförmiges Kohlendioxid explosive Eruptionen auslösen kann.

Ein neues Modell legt nahe, dass basaltische Vulkane, die sich normalerweise im Inneren tektonischer Platten befinden, von einer tiefen Magma im Mantel gespeist werden, die etwa 20 bis 30 Kilometer unter der Erdoberfläche gespeichert ist.

Die Forschung, die ein klareres Bild von den tiefen internen Dynamiken und der Zusammensetzung unseres Planeten zeichnet und Auswirkungen auf die Verbesserung der Planung von Vulkan-Gefahren hat, wurde am 7. August 2023 in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht.

"Früher dachten wir, dass sich das gesamte Geschehen in der Erdkruste abspielt", sagt der leitende Autor Esteban Gazel, der Charles N. Mellowes Professor für Ingenieurwissenschaften am Fachbereich Erd- und Atmosphärenwissenschaften der Cornell University. "Unsere Daten deuten darauf hin, dass die Magma direkt aus dem Mantel stammt, schnell durch die Erdkruste strömt und durch die Ausscheidung (den Prozess der Phasentrennung von Gas und Flüssigkeit) von Kohlendioxid angetrieben wird."

"Das ändert vollständig das Paradigma, wie diese Eruptionen geschehen", sagt Gazel. "Alle vulkanischen Modelle wurden von Wasser als Hauptantrieb des Ausbruchs dominiert, aber Wasser hat wenig mit diesen Vulkanen zu tun. Es ist Kohlendioxid, das diese Magma aus der tiefen Erde bringt."

Vor etwa vier Jahren entwickelten Gazel und Charlotte DeVitre, Ph.D. '22, jetzt Postdoktorandin an der University of California, Berkeley, einen hochpräzisen Kohlendioxid-Densimeter (der die Dichte in einem winzigen Gefäß misst) für die Ramanspektroskopie (ein Gerät, das gestreute Photonen unter dem Mikroskop untersucht).

Die natürlichen Proben - mikroskopisch kleine Kohlendioxid-haltige Blasen, die in Kristallen gefangen sind und von einem vulkanischen Ausbruch stammen - werden dann mittels Raman gemessen und unter Anwendung des neu entwickelten Densimeters quantifiziert. Im Wesentlichen untersuchen die Wissenschaftler eine mikroskopische Zeitkapsel, um eine Geschichte der Magma bereitzustellen. Diese neue Technik ist entscheidend für präzise Schätzungen der Magmaspeicherung in nahezu Echtzeit und wurde während des Ausbruchs 2021 in Las Palmas auf den Kanarischen Inseln von Gazels Gruppe getestet.

Darüber hinaus entwickelten die Wissenschaftler Methoden, um den Effekt der Lasererhitzung auf kohlendioxidreiche Einschlüsse (die in den Kristallen eingebettet sind) zu bewerten und Schmelzeinschluss und Blasenvolumen genau zu bestimmen. Sie entwickelten auch eine experimentelle Wiederaufheizungsmethode, um die Genauigkeit zu erhöhen und Kohlendioxid, das als Karbonatkristalle in den Blasen eingeschlossen ist, richtig zu berücksichtigen.

"Die Entwicklungsmethode und das Instrumentendesign waren herausfordernd, insbesondere während des Höhepunkts der Pandemie", sagte Gazel.

Mit diesen neuen Werkzeugen untersuchten die Wissenschaftler Vulkansedimente des Fogo-Vulkans auf den Kapverdischen Inseln westlich von Senegal im Atlantischen Ozean. Sie fanden eine hohe Konzentration flüchtiger Stoffe in den mikroskopisch kleinen Schmelzeinschlüssen, die von magnesium-eisenhaltigen Silikat-Kristallen umgeben sind. Die höhere Menge an Kohlendioxid, die in den Kristallen eingeschlossen ist, legte nahe, dass die Magma zehn Kilometer unter der Oberfläche - im Erdmantel - gespeichert war.

Die Gruppe entdeckte auch, dass dieser Prozess mit der tiefen Mantelquelle verbunden ist, die diese Vulkane versorgt.

Dies bedeutet, dass Eruptionen wie die Vulkanausbrüche von Fogo im Wesentlichen aus dem Mantel stammen und ohne Lagerung in der Erdkruste durch tief liegendes Kohlendioxid angetrieben werden, heißt es in dem Artikel.

"Diese Magmen haben extrem niedrige Viskositäten und stammen direkt aus dem Mantel", sagt DeVitre. "Hier können Viskosität und Wasser nicht die üblichen Rollen spielen, die sie in flacheren und/oder siliziumreichen vulkanischen Systemen spielen. Vielmehr muss die Magma am Fogo-Vulkan schnell durch das Kohlendioxid aufsteigen, und dies spielt wahrscheinlich eine bedeutende Rolle in seinem explosiven Verhalten. Dies ist ein großer Schritt, um die Kontrolle über basaltische Explosivität zu verstehen."

Das Verständnis der Magmaspeicherung hilft dabei, die Gesellschaft am besten auf zukünftige Ausbrüche vorzubereiten, sagt Gazel, der auch ein Stipendiat am Cornell Atkinson Center for Sustainability ist.

'As deep magma storage will not be detected by ground deformation until the melt is close to surface,' he said, 'this has important repercussions to our understanding of volcanic hazards. We need to understand the drivers of these eruptions. The only way to see these processes now is by observing earthquakes, but earthquakes don't tell you exactly what's happening.'

Said Gazel, 'With precise measurements that tell us where eruptions start, where magmas melt and where they are stored—and what triggers the eruption—we can develop a much better plan for future eruptions.'

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences

Provided by Cornell University