Der einzige aktive Vulkan der Antarktis zeigt, wie CO2 es Vulkanen ermöglicht, dauerhafte Lavaseen an der Oberfläche zu bilden

Die Antarktis ist seit langem ein Land voller Geheimnisse und Heldentaten, das durch die Erkundungen von James Ross, Roald Amundsen, Robert Scott und Ernest Shackleton berühmt wurde. Die Antarktis ist ein Schlüsselstück des Puzzles zum Verständnis der globalen kontinentalen Evolution und enthält Beispiele, die das Spektrum der vulkanischen Prozesse der Erde definieren. Jetzt zeigt eine gemeinsame Studie der University of Utah und der University of Canterbury New Zealand, wie CO2 tief im Untergrund dem Magma hilft, nicht tief in der Erde eingeschlossen zu werden, und es ihm ermöglicht, die Oberfläche zu erreichen und sich dort anzusammeln.

Die Studie, erschienen in Naturkommunikation „erweitert unser Verständnis der Quellen und des Transports verschiedener Arten von Magma und flüchtigen Gasen an die Oberfläche“, sagt Phil Wannamaker, der Zweitautor der Studie und Geophysiker am Energy & Geoscience Institute der University of Utah.

„Mount Erebus ist ein Beispiel für einen CO2-dominierten Riftvulkan, eine Ergänzung zu den bekannteren Bogenvulkanen des pazifischen Randes und anderswo, die von H2O dominiert werden“, fügt der neuseeländische Mitforscher Graham Hill, der Hauptautor der Studie, hinzu.

„Das Verständnis sowohl von H2O- als auch von CO2-Vulkanen ist wichtig, um das Budget solcher flüchtiger Gase tief in der Erde zu berechnen, bei denen Material in den Erdmantel injiziert und an die Oberfläche zurückgebracht wird, um von vorne zu beginnen“, sagt Wannamaker.

Wannamaker und Hill führten die Studie mit den Alumni John Stodt und Michal Kordy von der University of Utah und der assoziierten Wissenschaftlerin Virginie Maris durch; die Geophysiker Paul Bedrosian vom United States Geological Survey, Martyn Unsworth von der University of Alberta und Yasuo Ogawa vom Tokyo Institute of Technology sowie der leitende Vulkanologe Phil Kyle vom New Mexico Institute of Mining and Technology. Zu den Co-Autoren gehörten auch Erin Wallin von der University of Hawaii und der Bergsteiger Danny Uhlmann, der jetzt Geologie an der Universität Lausanne studiert.

Diese anderen Vulkane

Der Mount Erebus ist der einzige aktive Vulkan der Antarktis. Er und sein ruhender Begleitvulkan Mount Terror wurden nach den Erkundungsschiffen von Sir James Ross benannt, der sie und die Transantarktischen Berge 1841 entdeckte. Der Mount Erebus wurde erstmals 1908 von Sir Ernest Shackleton und anderen bestiegen.

Erebus ist ein Beispiel für eine Familie von Vulkanen mit einer alkalischen chemischen Zusammensetzung, mit Laven, die relativ reich an Natrium, Kalium und anderen Elementen sind, einschließlich Seltenerdelementen, während sie relativ arm an Kieselsäure sind.

Alkalische Vulkane unterscheiden sich stark von Vulkanen wie in der Cascade Range, die sich von Nordkalifornien über British Columbia bis nach Alaska erstreckt. Die Kaskaden befinden sich an einem Ort, an dem die tektonischen Platten der Erde aufeinander zu drängen, wobei die Kruste des Ozeans unter die Kruste des Kontinents gedrückt wird. Wenn diese Ozeankruste in die Erde sinkt und teilweise schmilzt, wird das Wasser in den Felsen Teil der Schmelze und ist das dominierende „flüchtige“ oder Molekül, das sich leicht auflöst oder aus einer Lösung sprudelt wie Sprudel aus einem kohlensäurehaltigen Getränk.

Dieses sich entwickelnde Magma steigt in und durch die Kruste, schafft es aber normalerweise nicht an die Oberfläche, weil das Wasser, wenn der Druck der darüber liegenden Kruste mit dem Aufstieg abnimmt, herausschießt, manchmal explosionsartig wie im Fall von Mount St. Helens im Jahr 1980 oder Mount Lassen im Jahr 1912. Das verbleibende Magma stockt und gefriert an Ort und Stelle, typischerweise in einer Tiefe von etwa fünf Kilometern.

Aber der Vulkan Erebus auf der Ross-Insel in der Antarktis befindet sich in einer kontinentalen Riftzone. Kontinentalrisse treten auf, wenn Erdkruste und Erdmantel auseinandergezogen werden. West-Utah ist ein Beispiel für eine Riftzone. Es liegt an der östlichen Grenze der aktiv riftenden geologischen Provinz Great Basin und wird langsam von Ost nach West gedehnt. Erebus liegt am Rande des Westantarktischen Riftsystems, das vor zig Millionen Jahren entstand und bis heute andauert.

Die Magmen in der Riftzone enthalten auch flüchtige Stoffe aus dem Recycling von Meereskruste und Sedimenten, aber diese sind viel älter und werden durch den Riftprozess an die Oberfläche freigesetzt. Anstelle von Wasser sind die flüchtigen Bestandteile in diesen Magmen CO2-dominiert.

Erebus hat auch einen beständigen Lavasee, ein klassisches Merkmal eines entwickelten, CO2-reichen Riftvulkans. Aber Lavaseen, die auch durch den Nyiragongo-Vulkan in Ostafrika und andere veranschaulicht werden, sind nicht in Bogenvulkanen wie den Kaskaden zu finden und zeigen, dass es etwas an Rift-Vulkanen geben muss, das Magma relativ friedlich an die Oberfläche gelangen lässt.

Magma in der Erde darstellen

Es ist unpraktisch, Gesteinsproben aus Tiefen von mehr als ein paar Kilometern unter der Oberfläche zu entnehmen, daher verlassen sich Forscher auf geophysikalische Methoden, um auf Strukturen und Prozesse in größeren Tiefen zu schließen. Dies ähnelt dem CT-Scannen des menschlichen Körpers. Die am weitesten verbreiteten und bekanntesten geophysikalischen Techniken sind seismische Techniken, bei denen Schallwellen zur internen Bildgebung verwendet werden. Dies wird zum Beispiel bei der Exploration von Öl und Gas häufig angewendet. Natürliche seismische Quellen, die tief in die Erde reichen können, sind jedoch rund um den Erebus-Vulkan spärlich, und Bilder, die solche Quellen verwenden, wurden nur bis in geringe Tiefen abgeleitet.

Hill, Wannamaker und Kollegen verwendeten eine Methode namens Magnetotelluric Sounding. Die magnetotellurische Sondierung verwendet natürliche elektromagnetische Wellen, die von der Sonne und von Blitzen erzeugt werden. Die meisten dieser Wellen wandern durch die Luft, aber „ein Teil dringt in die Erde ein, zerstreut interessante Gesteinsstrukturen und kehrt an die Oberfläche zurück, wo wir sie mit hochentwickelten „Voltmetern“ messen können“, sagt Wannamaker.

Wenn die elektromagnetischen Wellen das Erdinnere passieren, bewegen sie sich schneller oder langsamer, je nachdem, inwieweit Gestein und andere Materialien Elektrizität leiten oder widerstehen. Magma ist leitfähig und kann daher mit dieser Technik nachgewiesen werden.

Dies ist nicht der erste geophysikalische Ausflug in die Antarktis für die Gruppe von Wannamaker. Zusammen mit U Alaun und Co-Autor Dr. John Stodt leisteten sie Pionierarbeit bei der Technik der High-Fidelity-Magnetotellurik-Messungen an polaren Eisschilden. Neben Studien in der zentralen Westantarktis und am Südpol führte Wannamaker eine mehrjährige Kampagne durch die Antarktis Zentrales transantarktisches Gebirge, das zeigt, wie diese Berge emporgehoben wurden. Ihre Technik wird jetzt von anderen Forschern in den arktischen und antarktischen Polarregionen verwendet.

Von 2014 bis 2017 führten Wannamaker und Kollegen Messungen an 129 magnetotellurischen Standorten auf der Ross-Insel von Erebus durch. Muster der zurückgestreuten elektromagnetischen Strahlung von allen Stationen wurden dann von einem Computerprogramm zusammengesetzt, um ein Bild der Erdkruste und des oberen Erdmantels durch die Insel und den Vulkan bis zu einer Tiefe von etwa 60 Meilen (100 Kilometer) zu erstellen.

Ihre magnetotellurischen Daten zeigen eine steile Leitung mit niedrigem elektrischem Widerstand, die ihren Ursprung im oberen Mantel hat – der Magmaquelle. Aber der Kanal macht eine ausgeprägte seitliche Biegung in der tiefen Kruste, bevor er flachere magmatische Speicher und den Lavasee auf dem Gipfel erreicht. „Wir interpretieren die seitliche Wendung als strukturelles ‚Fehlerventil‘, das den episodischen Fluss von Magma- und CO2-Gasen steuert, die die High-Level-Phonolith-Magma-Entwicklungskammer auffüllen und erhitzen“, sagt Wannamaker. Phonolith ist die Gesteinsart, die vom Magma des Erebus gebildet wird.

Dieses magmatische Ventil wird wahrscheinlich durch sich kreuzende Nord-Süd- und Ost-West-Verwerfungen gebildet, da bekannt ist, dass Verwerfungen in derselben Ost-West-Ausrichtung in der Gegend um Erebus existieren, und den Weg des Magmas an die Oberfläche bereitstellt.

Im Gegensatz zu den H2O-reichen Bogenvulkanen der Kaskaden und des Pazifischen Randes zeigt der CO2-dominierte Erebus die Strukturen, die es dem Magma ermöglichen, direkt zum Lavasee des Vulkans aufzusteigen, da das Magma nicht wie wasserdominierte Magmen in der Kruste stehen bleibt .

„Das Verständnis der Transportkontrollen und -pfade für diese Art von Vulkanen, die von CO2 dominiert werden, zeigt uns die Größenordnungen und Volumina des Transports von flüchtigen Stoffen auf der Erde“, sagt Wannamaker. „Solche Vulkane an anderer Stelle sind wichtige Gastgeber für essentielle Mineralvorkommen wie seltene Erden, die für den zukünftigen Ressourcenbedarf der Gesellschaft immer wichtiger werden.“