Eine neue, von Yale geleitete Studie enthüllt die Wissenschaft hinter einem Schlüsselbestandteil – nämlich Sauerstoff – in einigen der heftigsten Vulkane der Welt.
Die Forschung bietet ein neues Modell zum Verständnis des Oxidationszustands von Arc-Magmen, den Laven, die einige Vulkane bilden, wie z. B. den, der Anfang dieses Jahres in Tonga dramatisch ausbrach.
Die Wolke von Tongas Unterwasser-Vulkanausbruch am 15. Januar stieg 36 Meilen in die Luft. Die Asche des Vulkans erreichte die Mesosphäre, die dritte Atmosphärenschicht der Erde.
„Diese Eruptionen ereignen sich in Vulkanbögen wie der Aleuten-Inselkette, die in der zirkumpazifischen Region bekannt sind und die weltweit explosivsten Vulkanausbrüche hervorrufen“, sagte Jay Ague, Henry Barnard Davis Memorial Professor für Erd- und Planetenwissenschaften in Yale.
Ague ist Erstautor der neuen Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Natur Geowissenschaften. Ague ist außerdem verantwortlicher Kurator für Mineralogie und Meteoritik am Yale Peabody Museum of Natural History.
Wissenschaftler wissen seit langem, dass Lichtbogenmagmen im größten Teil des Erdmantels (seiner oberen, felsigen Schicht) einen höheren Oxidationszustand aufweisen als Gesteine. Das sei überraschend, sagen sie, weil sich im Mantel Bogenmagmen bilden. Es gab keinen Konsens über die Ursprünge der oxidierenden Signatur.
Ague und seine Kollegen sagen, dass der Prozess mit einer Sedimentschicht beginnt, die tektonische Platten unter dem Meeresboden bedeckt. Tektonische Platten sind große Felsplatten, die in der Erdkruste und im oberen Mantel um ihre Position ringen.
Die Sedimente, die diese Ozeanplatten bedecken, bestehen größtenteils aus verwitterten Materialien, die von Kontinenten abgestoßen oder als Ergebnis der Aktivität hydrothermaler Quellen am Meeresboden produziert wurden. Riesige Röhrenwürmer und andere exotische Meeresbewohner gedeihen häufig in der Nähe dieser Öffnungen. Aber unabhängig von ihrer Herkunft sind die Sedimente, die ozeanische Platten bedecken, oft stark oxidiert.
Tektonische Platten sind ständig in Bewegung und bewegen sich etwa so schnell, wie Fingernägel wachsen. Ozeanische Platten entstehen an mittelozeanischen Rücken und sinken steil ins Erdinnere – in einem Prozess, der als Subduktion bezeichnet wird.
An dieser Stelle wird es für den Bogenvulkanismus interessant, sagte Ague.
Wenn eine Ozeanplatte abtaucht, erklärt Ague, erwärmt sie sich, wird komprimiert und beginnt zu dehydrieren. Diese Metamorphose erzeugt heiße, wasserreiche Flüssigkeiten, die an die Oberfläche steigen.
Wenn sich diese Materialien durch die oxidierte Sedimentschicht auf den Platten nach oben bewegen, werden die Flüssigkeiten selbst oxidiert – was die Voraussetzungen für ein Bogenmagma schafft.
„Während die Flüssigkeiten weiter aufsteigen, lassen sie die Platte zurück und dringen in den Erdmantel ein“, sagte Ague. „Dort treiben die Flüssigkeiten das Schmelzen des Mantels voran und produzieren oxidierte Magmen, die aufsteigen und schließlich als Lava aus Vulkanen ausbrechen können.“
Neben den dramatischen Auswirkungen von Vulkanausbrüchen ist der oxidierte Charakter von Bogenmagmen auch geologisch bedeutsam, sagte Ague. Die Oxidation ist entscheidend für die Herstellung bestimmter Arten von Erzvorkommen, insbesondere von Kupfer und Gold, wie sie im Westen Südamerikas vorkommen.
Auch das Einblasen hochoxidierter, schwefelhaltiger Gase in die Atmosphäre nach einem Ausbruch kann zu einer vorübergehenden globalen Abkühlung der Troposphäre, der untersten Schicht der Erdatmosphäre, führen.
„Dies war 1991 beim Ausbruch des Mount Pinatubo auf den Philippinen der Fall“, sagte Ague. „Es kam auch in einer Reihe berühmter historischer Fälle vor, wie dem Mount Tambora in Indonesien im Jahr 1815. Das war der stärkste Vulkanausbruch in der Geschichte der Menschheit und führte 1816 zum sogenannten ‚Jahr ohne Sommer‘.“
Santiago Tassara, Bateman Postdoctoral Associate am Department of Earth & Planetary Sciences in Yale, ist Co-Autor der neuen Studie. Weitere Co-Autoren sind Forscher der Cornell University, der Chinese Academy of Sciences, des National Museum of Natural History at the Smithsonian Institution, der Freien Universität Berlin und der University of Crete.
Jay Ague, Von Platten stammende Entgasungsflüssigkeiten, die durch subduziertes Metasedimentgestein oxidiert wurden, Natur Geowissenschaften (2022). DOI: 10.1038/s41561-022-00904-7. www.nature.com/articles/s41561-022-00904-7