Bogenvulkane sind feuchter als bisher angenommen, mit wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Implikationen

Der Prozentsatz an Wasser in Bogenvulkanen, die sich über Subduktionszonen bilden, kann weitaus höher sein, als viele frühere Studien berechnet haben.

Diese erhöhte Wassermenge hat weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis, wie sich die untere Erdkruste bildet, wie Magma durch die Kruste ausbricht und wie sich wirtschaftlich wichtige Mineralerzvorkommen bilden, so ein neues Papier, das in veröffentlicht wurde Natur Geowissenschaften.

Die geschätzten Wasserkonzentrationen in primitiven Bogenmagmen aus dieser Studie sind laut dem Papier variabler und deutlich höher als der Durchschnitt von etwa vier Gewichtsprozent Wasser, der in anderen Studien gefunden wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass primitive Arc-Magmen etwa 0,6–10 Gew.-% H2O enthalten und nach umfassender Kristallfraktionierung in der unteren Arc-Kruste eine H2O-Sättigung von etwa 20 Gew.-% H2O erreichen können, fügt das Papier hinzu.

„Das Gesamtbild hier ist, dass Wasser im Wesentlichen das Schmiermittel der Plattentektonik ist. Der Wassergehalt wird alle möglichen Parameter beeinflussen, die an der Bewegung tektonischer Platten beteiligt sind“, sagt Hauptautor Benjamin Urann, der in Massachusetts promoviert hat Institute of Technology (MIT) – WHOI Joint Programme in Oceanography/Applied Ocean Science and Engineering zum Zeitpunkt der Studie.

„In der Lage zu sein, eine Vorstellung davon zu bekommen, was der tatsächliche Wassergehalt der Bogenmagmen ist, was wir in dieser Studie getan haben, kann helfen, Schätzungen darüber zu verfeinern, wie viel Wasser weltweit tief in den Mantel subduziert wird; verschiedene Wasserreservoirs zu quantifizieren Erde, einschließlich Oberflächen- und Tiefwasserreservoirs, und den Transport zwischen diesen verschiedenen Reservoirs besser zu verstehen“, sagt Urann, der derzeit Postdoctoral Research Fellow der National Science Foundation Ocean Sciences an der University of Wyoming ist. Urann fügte hinzu, dass das Papier auch die Auswirkungen des Wassergehalts auf die Bildung wirtschaftlich wichtiger Erzlagerstätten wie Porphyr-Kupferlagerstätten erörtert. Diese Lagerstätten machen laut US Geological Survey etwa 60 % der weltweiten Kupferquellen aus.

Viele frühere Studien stützten sich auf Techniken wie das Messen von Schmelzeinschlüssen – das sind winzige Magmatröpfchen, die von Kristallen eingeschlossen wurden, die um sie herum wachsen – und das Messen von Lava und anderen vulkanischen Ablagerungen, die an die Erdoberfläche ausgebrochen sind. „Allerdings haben diese Methoden inhärente Einschränkungen, die den gesamten Bereich von H2O in Bogenmagmen verschleiern“, heißt es in dem Papier.

Urann und sein Ph.D. Supervisorin Véronique Le Roux, die Mitautorin der Veröffentlichung ist, entwickelte Methoden mit dem Sekundärionen-Massenspektrometrie-Instrument am WHOI, um den Wassergehalt in Mineralien zu messen, wobei ihre Arbeit auf anderen Bemühungen aufbaut, die darauf hindeuteten, dass Bogenmagmen erheblich enthalten sollten mehr H2O als aus Schmelzeinschlussmessungen abgeleitet.

Die Forscher stellten fest, dass es sinnvoll wäre, anstelle von Lavaproben, die an die Erdoberfläche ausgebrochen sind, tiefe Krustenmagmen zu untersuchen, die nicht zu viel von ihrem Wassergehalt verloren haben.

„Obwohl Sie das flüssige Magma in diesen Tiefen nicht abrufen können, können Sie möglicherweise Proben sammeln: Es ist Magma, das sich in der Tiefe der Kruste verfestigt hat. Wir haben das Glück, dass manchmal mit Plattentektonik, einige davon diese wirklich tiefen Krusten werden an der Oberfläche exhumiert“, sagt Le Roux, assoziierter Wissenschaftler in der Abteilung für Geologie und Geophysik des WHOI und Fakultätsmitglied des MIT-WHOI Joint Program. Die Forscher verwendeten Kumulate, die die Co-Autoren des Papiers aus dem Kohistan-Paläobogen-Terran im Himalaya-Gebirge im Nordwesten Pakistans gesammelt hatten.

Anstatt Gestein an der Oberfläche zu untersuchen, das als Magma weit nach oben durch die Kruste wandert und dabei einen Großteil seines Wassergehalts verliert, untersuchten die Forscher Magma – Kumulate der unteren Kruste – das tief unten in der Kruste bei einem ausreichend hohen Druck kristallisiert war, um es zurückzuhalten ihre ursprüngliche Wassergehaltssignatur.

Le Roux sagt, dass „die Analyse von Wasser in angesammelten Mineralien ein neuer vielversprechender Ansatz ist, um Zugang zu den tiefen Schichten der Kruste in Subduktionszonen zu erhalten.“

Die Forscher berechneten, dass das von ihnen analysierte Magma je nach Zusammensetzung des Magmas zwischen 10 und 20 Gewichtsprozent Wasser enthielt. „Obwohl dieser Gewichtsprozentanteil an Wasser experimentell als möglich vorhergesagt worden war, wurde er bei natürlichen Proben nie nachgewiesen“, sagte Le Roux.

„Unter dem Strich können Arc-Magmen feuchter sein, als wir dachten“, sagte Urann.