Geowissenschaftler gehen seit langem davon aus, dass Wasser – zusammen mit oberflächennahem Magma, das in der Erdkruste gespeichert ist – Vulkane zum Ausbruch bringt. Dank neu entwickelter Forschungsinstrumente in Cornell haben Wissenschaftler nun herausgefunden, dass gasförmiges Kohlendioxid explosive Eruptionen auslösen kann.
Ein neues Modell legt nahe, dass Basaltvulkane, die sich typischerweise im Inneren tektonischer Platten befinden, von einem tiefen Magma im Erdmantel gespeist werden, das etwa 20 bis 30 Kilometer unter der Erdoberfläche gespeichert ist.
Die Forschung, die ein klareres Bild der tiefen inneren Dynamik und Zusammensetzung unseres Planeten bietet und Auswirkungen auf die Verbesserung der Planung von Vulkangefahren hat, wurde am 7. August 2023 im veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
„Früher dachten wir, dass die gesamte Aktion in der Kruste stattfindet“, sagte der leitende Autor Esteban Gazel, Charles N. Mellowes-Professor für Ingenieurwissenschaften am Department of Earth and Atmospheric Sciences der Cornell Engineering. „Unsere Daten deuten darauf hin, dass das Magma direkt aus dem Mantel kommt und schnell durch die Kruste strömt, angetrieben durch die Ausscheidung (die Prozessphase der Trennung von Gas und Flüssigkeit) von Kohlendioxid.
„Dies verändert das Paradigma, wie diese Ausbrüche passieren, völlig“, sagte Gazel. „In allen Vulkanmodellen dominierte Wasser als Hauptauslöser der Eruption, aber Wasser hat mit diesen Vulkanen wenig zu tun. Es ist Kohlendioxid, das dieses Magma aus der Tiefe der Erde befördert.“
Vor etwa vier Jahren haben Gazel und Charlotte DeVitre, Ph.D. ’22, jetzt Postdoktorand an der University of California, Berkeley, entwickelte ein hochpräzises Kohlendioxid-Dichtemessgerät (das die Dichte in einem winzigen Gefäß misst) für die Raman-Spektroskopie (ein Gerät, das gestreute Photonen durch ein Mikroskop untersucht).
Die natürlichen Proben – mikroskopisch kleine kohlendioxidreiche Blasen, die in Kristallen eingeschlossen sind und aus dem Vulkanausbruch stammen – werden dann mittels Raman gemessen und mit dem neu entwickelten Densimeter quantifiziert. Im Wesentlichen untersuchen die Wissenschaftler eine mikroskopisch kleine Zeitkapsel, um eine Geschichte des Magmas zu liefern. Diese neue Technik ist entscheidend für präzise Schätzungen der Magmaspeicherung nahezu in Echtzeit, die von Gazels Gruppe während des Ausbruchs in Las Palmas auf den Kanarischen Inseln im Jahr 2021 getestet wurden.
Darüber hinaus entwickelten die Wissenschaftler Methoden, um die Wirkung der Lasererwärmung auf kohlendioxidreiche Einschlüsse (die sich in den Kristallen befinden) zu bewerten und um Schmelzeinschlüsse und Blasenvolumina genau zu bestimmen. Sie entwickelten außerdem eine experimentelle Wiedererwärmungsmethode, um die Genauigkeit zu erhöhen und das in Form von Karbonatkristallen in den Blasen eingeschlossene Kohlendioxid richtig zu berücksichtigen.
„Die Entwicklungsmethode und das Instrumentendesign waren eine Herausforderung, insbesondere auf dem Höhepunkt der Pandemie“, sagte Gazel.
Mit diesen neuen Werkzeugen untersuchten die Wissenschaftler vulkanische Ablagerungen des Vulkans Fogo in Cabo Verde, westlich von Senegal im Atlantischen Ozean. Sie fanden eine hohe Konzentration flüchtiger Stoffe in den mikrokleinen Schmelzeinschlüssen, die in den Magnesium-Eisen-Silikatkristallen eingeschlossen sind. Die höhere Menge an Kohlendioxid, die in den Kristallen eingeschlossen war, deutete darauf hin, dass das Magma Dutzende Kilometer unter der Oberfläche – im Erdmantel – gespeichert war.
Die Gruppe entdeckte auch, dass dieser Prozess mit der Quelle im tiefen Erdmantel zusammenhängt, die diese Vulkane versorgt.
Dies impliziert, dass Eruptionen wie die Vulkanausbrüche von Fogo aus dem Erdmantel beginnen und dort gespeist werden, wodurch die Speicherung in der Erdkruste effektiv umgangen und durch tiefes Kohlendioxid angetrieben wird, heißt es in dem Papier.
„Diese Magmen haben extrem niedrige Viskositäten und kommen direkt aus dem Erdmantel“, sagte DeVitre. „Hier können Viskosität und Wasser also nicht die übliche Rolle spielen, die sie in flacheren und/oder silikatischeren (reich an Kieselsäure) Vulkansystemen spielen. Vielmehr muss beim Vulkan Fogo das Magma durch das Kohlendioxid schnell nach oben getrieben werden, und das spielt wahrscheinlich eine Rolle.“ eine bedeutende Rolle bei seinem explosiven Verhalten. Dies ist ein wichtiger Schritt in unserem Verständnis der Kontrollen der basaltischen Explosivität.“
Das Verständnis der Magmaspeicherung helfe dabei, die Gesellschaft bestmöglich auf zukünftige Ausbrüche vorzubereiten, sagte Gazel, der auch Fakultätsmitglied am Cornell Atkinson Center for Sustainability ist.
„Da eine tiefe Magmaspeicherung durch Bodenverformung erst dann erkannt wird, wenn sich die Schmelze nahe der Oberfläche befindet“, sagte er, „hat dies wichtige Auswirkungen auf unser Verständnis vulkanischer Gefahren. Wir müssen die Treiber dieser Ausbrüche verstehen. Der einzige Weg dazu.“ Um diese Prozesse jetzt zu erkennen, kann man Erdbeben beobachten, aber Erdbeben sagen einem nicht genau, was passiert.“
Gazel sagte: „Mit präzisen Messungen, die uns sagen, wo Eruptionen beginnen, wo Magmen schmelzen und wo sie gespeichert sind – und was die Eruption auslöst – können wir einen viel besseren Plan für zukünftige Eruptionen entwickeln.“
Mehr Informationen:
DeVitre, Charlotte L. et al., Ozeanische intraplattenexplosive Eruptionen, die direkt vom Mantel gespeist werden, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2023). DOI: 10.1073/pnas.2302093120. doi.org/10.1073/pnas.2302093120