Cornell-Forscher haben präzise, mikroskopische Hinweise darauf gefunden, wo Magma gespeichert ist, und bieten Wissenschaftlern – und Regierungsbeamten in besiedelten Gebieten – eine Möglichkeit, das Risiko von Vulkanausbrüchen besser einzuschätzen.
Die neue Studie wurde am 8. Februar veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler Satellitenbilder, Erdbebendaten und GPS verwendet, um nach Bodendeformationen in der Nähe aktiver Vulkane zu suchen, aber diese Techniken können bei der Lokalisierung der Tiefe der Magmaspeicherung ungenau sein. Indem sie mikroskopisch kleine, kohlendioxidreiche Flüssigkeiten finden, die in gekühlten Vulkankristallen eingeschlossen sind, können Wissenschaftler innerhalb von hundert Metern genau bestimmen, wo sich Magma befindet.
„Eine grundlegende Frage ist, wo Magma in der Erdkruste und im Erdmantel gespeichert ist“, sagte der Hauptautor Esteban Gazel, Charles N. Mellowes Professor für Ingenieurwissenschaften an der Cornell Engineering. „Dieser Ort ist wichtig, weil Sie das Risiko eines Ausbruchs abschätzen können, indem Sie den spezifischen Ort von Magma lokalisieren, anstatt andere Signale wie das hydrothermale System eines Vulkans zu verwenden.“
Laut Gazel sind Schnelligkeit und Präzision unerlässlich. „Wir demonstrieren das enorme Potenzial dieser verbesserten Technik in Bezug auf ihre Schnelligkeit und beispiellose Genauigkeit“, sagte er. „Wir können Daten innerhalb von Tagen nach Eintreffen der Proben von einem Standort erstellen, was bessere Ergebnisse nahezu in Echtzeit liefert.“
Bei vulkanischen Ereignissen erreicht Magma die Erdoberfläche und bricht als Lava aus und kann – je nachdem, wie viel Gas es enthält – von Natur aus explosiv sein. Wenn es als Teil der Folgen des Ausbruchs abgelagert wird, kann fragmentiertes feinkörniges Material – Tephra genannt – gesammelt und schnell ausgewertet werden.
Gazel und der Doktorand Kyle Dayton, der Erstautor des Artikels „Deep Magma Storage During the 2021 La Palma Eruption“, folgerten, wie Einschlüsse von kohlendioxidreichen Flüssigkeiten, die in Olivinkristallen eingeschlossen sind, verwendet werden können, um die Tiefe als Kohlendioxid genau anzuzeigen Die Dichte dieser Einschlüsse wird durch den Druck gesteuert.
Diese Flüssigkeiten können mit einem kalibrierten Raman-Spektroskopie-Instrument schnell gemessen werden, um – in Kilometern ausgedrückt – zu bestimmen, wie weit unten das Magma gespeichert war und wie tief das sengende Reservoir war.
Präzisere Methoden der Raman-Spektroskopie wurden im Gazel-Labor entwickelt. „Wir haben die Genauigkeit gegenüber verfügbaren Geobarometern um eine Größenordnung verbessert, von Kilometern auf Meter“, sagte er, „aber auch die räumliche Auflösung von Einschlussmessungen von zehn Mikrometern bis hinunter zu einem Mikrometer im Vergleich zu zuvor verfügbaren Mikrothermometrietechniken.“
Nach fünf Jahrzehnten Ruhe öffneten sich neue Schlote im Vulkan Cumbre Vieja auf La Palma auf den Kanarischen Inseln und begannen am 19. September 2021 auszubrechen. Wochen später schlossen sich Gazel und Dayton einem kleinen Eliteteam internationaler Forscher an, um den Vulkan zu untersuchen.
Diese Forschung auf den Kanarischen Inseln führte dazu, dass Gazel und Dayton Tephra durchsuchten, um Kristalle zu finden, die wiederum Daten zur Verbesserung von Eruptionsmodellen und -vorhersagen liefern.
„Wir finden heraus, wie tief Magma vor einem Ausbruch durch das, was der Vulkan hervorbringt, gespeichert wird“, sagte Dayton.
„Während diese Vulkankristalle wachsen, fangen sie gelegentlich versehentlich kleine Blasen aus Kohlendioxidflüssigkeit ein“, sagte sie. „Diese Kristalle werden während des Vulkanausbruchs exhumiert und wir durchsuchen die Tephra und suchen nach Kristallen, die Flüssigkeitseinschlüsse enthalten. Durch diese winzigen Unfälle können wir einige der vulkanischen Geheimnisse der Erde aus der Tiefe aufdecken, um sie besser zu verstehen und uns auf zukünftige Eruptionen vorzubereiten.“
Mehr Informationen:
Kyle Dayton et al., Tiefe Magmaspeicherung während des La Palma-Ausbruchs 2021, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade7641