Magmakamre har en svampelignende struktur

ETH -forskere viser, at magmakamre under supervulkaner mere ligner soggy svampe end reservoirer af smeltet sten. Før en vulkan af denne art går i udbrud, sådan grød må langsomt genaktiveres af varmeindgang efter dyb magmaopladning, der i sidste ende stammer fra jordens kappe.

Supervulkaner er superlative i enhver henseende. Udbruddet af Toba-calderaen i det moderne Indonesien omkring 74, 000 år siden var så stærk, at den førte til en periode med global afkøling og, eventuelt, et drastisk fald i menneskehedens befolkning. For omkring 2,1 millioner år siden, det første af tre udbrud af Yellowstone-supervulkanen i USA dannede et krater med et areal på 50 x 80 kilometer. Cirka 2, 800 kubikkilometer materiale blev kastet ud i processen - omkring 10 til 20 gange så meget som i 1815-udbruddet af Mount Tambora i Indonesien. Selv dette relativt lille udbrud, betragtes som den største i nyere tid, produceret effekter, der kunne mærkes rundt om i verden.

Imidlertid, supervulkaner er svære at studere og fortsætter derfor med at forvirre forskere den dag i dag. For eksempel, forskere er enige om, at der må være et magmakammer i en dybde af et par kilometer i jordskorpen, indeholdende materiale, der undslipper under et udbrud. Imidlertid, eksperterne er ikke enige om formen og konsistensen af ​​et sådant reservoir.

Svømmebassin vs størknet blok

Nogle geologer antager, at calderaer, som supervulkankratere er kendt, sidde på toppen af ​​et gigantisk reservoir af flydende magma indlejret i jordskorpen. Kappen forsyner dette reservoir med materiale og varme, og en supervulkan af denne art kan bryde eksplosivt ud når som helst.

Andre anser det for mere sandsynligt, at magmakammeret er kølet helt ned og størknet, og at det kun gøres flydende ved en massiv tilstrømning af varme fra kappen. Først da kan et udbrud finde sted.

"Sandsynligvis er ingen af ​​teorierne korrekte, siger Olivier Bachmann, Professor i vulkanologi ved ETH Zürich. Bachmann og hans gruppe har publiceret to artikler i tidsskriftet Natur Geovidenskab , hvor de demonstrerer, at sandheden kan ligge et sted mellem disse to yderpunkter.

Sandheden et sted i midten?

"Magmakammeret i en supervulkan ligner ikke en gryde med suppe, der kan koge over til enhver tid og ved den mindste provokation, " forklarer Bachmann. På samme måde, han siger, at det er forkert at antage, at magmaen er kølet ned for at danne et fuldstændigt størknet legeme, da reaktivering af et legeme af denne art ville kræve en enorm tilstrømning af varme inden for meget kort tid. Ud over, flygtige stoffer som vand og CO2 ville undslippe kroppen under afkøling og størkning. Imidlertid, disse stoffer er afgørende for et udbrud, da de tjener til at opbygge det tilsvarende tryk i magmakammeret.

Tager vi supervulkanudbruddet af "Knælende Nun Tuff" i New Mexico som et eksempel, undersøgelser af Bachmanns doktorand Dawid Szymanowski viste, at en supervulkans magmakammer indeholder en blanding af flydende og krystallinsk – dvs. størknet - magma. Mere end 40 til 50 procent af reservoiret er til stede i krystallinsk form. Efter ETH-forskerens opfattelse, kamrene kan have en svampelignende tekstur, med en maskestruktur af krystalliseret sten og porer indeholdende smeltet materiale - krystalgrød, som Szymanowski kalder det.

Sjældne mineraler som dataloggere

Denne grød vil sandsynligvis forblive i magmakammeret i meget lang tid, før den slynges op til overfladen. Szymanowski udleder denne konklusion fra analysen af ​​zirkon og titanit, to spormineraler, der er til stede i magmaen. Zirkon er det krystallinske materiale af de ældste kendte stenprøver på Jorden - nogle krystaller fundet i Australien er cirka 4,4 milliarder år gamle.

Zirkon- og titanitkrystaller registrerer ikke kun det tidspunkt, hvor de blev dannet, men også temperaturen under deres dannelse, da denne temperatur påvirker inkorporeringen af ​​kemiske elementer i krystalgitteret. Efter krystaldannelse, den kemiske sammensætning af disse mineraler i et magmakammer forbliver i det væsentlige uændret, selvom forholdene i magmakammeret ændrer sig betydeligt.

Ved at analysere alder og kemisk sammensætning af zirkon- og titanitkrystaller fra forskellige sten i laboratoriet, forskerne får information om, hvordan et magmakammers temperatur har ændret sig over tid. Udbruddet bringer disse to mineraler op til overfladen, hvor de kan findes i tilsvarende klippelag.

Ud fra disse analyser, vulkanologerne fra ETH konkluderede, at temperaturen i magmakammeret, der fodrede Kneeling Nun Tuff -udbruddet, må have ligget mellem 680 og 730 grader Clesius i over en halv million år. Fra mineralerne, forskerne kunne fastslå, at det tog supervulkanen meget lang tid at blive fuldt "ladet" og nå udbrudspunktet.

Numerisk model understøtter mineralanalyser

Mineralanalyserne understøttes også af en computermodel skabt af Ozge Karakas, en postdoc i Bachmanns gruppe. Denne model blev offentliggjort i juni – også i tidsskriftet Natur Geovidenskab – og beskriver et system bestående af et magmakammer i den øvre skorpe, der er forbundet med yderligere kamre i den nedre skorpe.

Varm "kilde"-magma dannes i kappen ved en temperatur på ca. 200 grader, før den stiger gennem sprækker og skorstene til den øverste skorpe. Når først der, det danner et reservoir, som afkøles og delvis krystalliseres, men kan overleve som en krystalpind i hundredtusinder af år.

Ved at bruge modellen, forskerne var i stand til at påvise, at dannelsen af ​​et permanent reservoir i den øvre skorpe ikke kræver gigantiske mængder materiale fra kappen i løbet af korte perioder. "Forholdene i den øvre skorpe er ikke egnede til at indsamle og opbevare så meget materiale meget hurtigt, " siger Karakas. Ikke desto mindre, geologen siger, at reservoiret har brug for en forbindelse med magma i den nederste kappe for at sikre transporten af ​​varme, og hun understreger, at indtil nu, forskere havde ikke inkluderet den nederste skorpe i deres overvejelser. "Uden det, imidlertid, der ville ikke være nogen supervulkaner."

Meget sjældne hændelser

Både modellen og mineralanalyserne peger derfor på ideen om, at supervulkaner dannes og modnes over meget lange perioder, og at de kun kan bryde ud med titusinder af års mellemrum. "Magmaen er primært bevaret som en type krystallinsk, svampelignende struktur. Og den skal altid genaktiveres af en varmestrøm, før den kan bryde ud, "siger Olivier Bachmann, opsummere resultaterne.

Det er ikke muligt at forudsige, hvornår det næste supervulkanudbrud er ved at finde sted baseret på de nye fund, da systemet endnu ikke er forstået tilstrækkeligt detaljeret. Imidlertid, mekanismer for vækst og reaktivering af gigantiske magma-reservoirer bliver tydeligere, og det kan hjælpe til bedre at vurdere genopvågnen tegn på disse systemer i fremtiden. "Under alle omstændigheder - og heldigvis for os - er et supervulkanudbrud en meget sjælden begivenhed, siger Bachmann.