En fortælling om to slags vulkaner

På en idyllisk ø i Middelhavet, havet dækker over stedet for en enorm vulkansk eksplosion fra 3200 år siden. Et par hundrede kilometer nordvest, tre andre øer har stadig deres vulkanske historie fra et par millioner år siden for det meste intakt. Ingen eksplosioner der. Så hvorfor er forskellene mellem Santorini calderaen og Aegina, Methana og Poros lavakupler? Forskere brugte vulkansk "fingeraftryk" og pladetektonisk forskning for at finde ud af hvorfor.

Slutningen på en civilisation

En stor vulkan sprængtes i luften for omkring 3200 år siden, lige ved siden af ​​hvor Santorini-øen ligger i Grækenland i dag. Under det udbrud, flydende smeltet sten under jorden (magma) opbyggede et enormt tryk, og brød derefter ud i en lavaeksplosion. Påvirkningen var så intens, at vulkanen kollapsede i et stort bassin kaldet en caldera.

Hvad havde været en ø-vulkan, blev derefter oversvømmet af havet, en begivenhed, der anses for delvist ansvarlig for den minoiske civilisations undergang.

Santorini-øen blev et populært rejsemål med store oceangående skibe, der sejlede over calderaen. Landsbyen Phira ligger på klippekanten af ​​resterne af vulkanen.

Hvor idyllisk det end ser ud, Santorini-vulkanen under havet udgør stadig den største vulkanske fare for Europa, sammen med Vesuv-vulkanen i Italien.

Tandpasta frem for fyrværkeri

Et par hundrede kilometer nordvest for Santorini, i Grækenlands Saroniske Bugt, meget tættere på Athen, en helt anden slags "vulkan" ser meget mindre dramatisk ud.

De små øer Aegina, Methana og Poros har afrundede bakker med veje, der snor sig op ad bakke i hårnålesving. Disse bakker har også vulkanske afstamning - men de ligner ikke Santorini.

Her, flydende lava eksploderede ikke i et stort udbrud.

"Der er intet bevis for, at der nogensinde har fundet store dramatiske begivenheder sted på disse øer, " siger prof Marlina A. Elburg, en geologiforsker ved University of Johannesburg.

"Tyk blokholdig lava sivede ud af magmakamre under jorden på disse øer for mellem 5,3 og 2,6 millioner år siden, under Pliocæn. Lavaen var så tyk, det var mere som tandpasta eller kit end væske. Det dannede lavakupler i stedet for lavavulkaner.

"Efter et par millioner års forvitring, de er godt camouflerede bakker, men de betragtes stadig som vulkansk aktive, " hun siger.

Hvordan er det muligt, at vulkaner så tæt på i geologisk tid og rum kan opføre sig anderledes? Forskerne brugte flere teknikker til at finde ud af det.

Finder vulkanske 'fingeraftryk'

Elburg og medforfatter Ingrid Smet, en ph.d. den daværende kandidat, analyserede prøver af lavaerne i nye helstensanalyser, i forskning offentliggjort i Lithos .

Undersøgelsen fulgte på deres tidligere forskning om lavaerne ved Methana, også udgivet i Lithos .

De ledte efter forholdet mellem meget specifikke elementer i prøverne, kaldet isotopsignaturer. Isotopsignaturer virker på samme måde som 'fingeraftryk' for lavaer - de hjælper forskere med at finde ud af, hvad lavaerne var lavet af, hvor, og hvornår de blev dannet.

"For det meste matchede isotopsignaturerne, hvad man ville forvente, hvorfra øerne ligger i den ægæiske vulkanbue, siger Elburg.

Men der var også overraskelser.

Underjordisk genbrugsmaskine

Under alle disse vulkaner i Aegina, Methana, Poros og Santorini, noget andet foregår dybt inde i jordskorpen. Den ægæiske vulkanske bue løber nogenlunde øst til vest under Middelhavet. Denne bue er, hvor den afrikanske tektoniske plade 'dykker under' den Ægæiske mikroplade.

'Dykning under'-processen kaldes subduktion af geologer. Det betyder, at en del af den kølige ydre jordskorpe begynder at bevæge sig under en anden del af skorpen, bliver 'genbrugt' inde i den varme flydende sten i Jordens kappe.

øerne Aegina, Methana, Poros og Santorini er ikke kun øer med vulkaner. Alle af dem er en integreret del af Jordens 'genbrugsmaskine', der bliver ved med at forny skorpen under planetens oceaner.

Dette rejser spørgsmålet:Hvorfor har disse øer så forskellige 'lavahistorier', selvom de alle er på kanten af ​​den Ægæiske plade?

Nogle af svarene har at gøre med, hvad der går ind i lava-"blandingerne" til vulkanerne.

Variable lava mix opskrifter

Den afrikanske plade 'dykker under' den Ægæiske plade i en havgrav i Middelhavet. Dette sker meget langsomt med nogle få centimeter om året. Hvilket betyder, at den uberørte kolde basalt fra den nedadgående afrikanske plades skorpe har været gennemblødt i havvand i millioner af år, før den trænger ind i den meget varmere magma under den altoverskyggende Ægæiske plade.

"Skorpen på den nedadgående plade består nu af ændrede sten, indeholder mineraler med vand i. Disse mineraler bliver ustabile under subduktion på grund af det stigende tryk og temperatur, og frigive deres vand, siger Elburg.

"Dette vand sænker kappens smeltepunkt, svarende til, hvad der sker, når man tilføjer salt til is. Derfor begynder kappen under overkørslen at smelte. Det er dette smeltede materiale, eller magma, der flyder/sives ud af vulkaner/lavakupler som lava."

En anden mulig ingrediens i de forskellige lavaer er sedimenter i havgraven ved subduktionszonen. Ved den Ægæiske Bue er den nedadgående plade dækket af en meget tyk bunke havaflejringer. Noget af sedimentet er tidligere kontinental skorpe.

Meget af dette sediment 'skrabes af', når pladen subducerer og danner en akkretionær (eller opbygning) kile. Imidlertid, noget af det går også ned i kappen og blandes med den smeltende kappekile, hun siger.

Samme tallerken, forskellige lavaer

Siden Aegina, Methana, Poros og Santorini vulkaner er alle en del af den samme subduktionszone, den anderledes vulkanske aktivitet rejser flere store spørgsmål. En af disse er:

Hvorfor den tykke blokholdige lava ved de vestlige vulkancentre Aegina, Methana og Poros for 2,5 til 2 millioner år siden, men flydende lava ved Santorini 3, 200 år siden?

Svarene på dette skaber andre spørgsmål om genbrugsadfærden på den planet, vi lever på.

Men subduktionszoner er vanskelige at studere. Det er ikke muligt at gå til en af ​​dem og vende tilbage med nogle prøvematerialer. Forskere har stadig brug for mere forståelse af, hvilken rolle den overordnede plade spiller; hvor meget interaktion der er mellem opstigende magmaer og skorpen de stiger op gennem; og om subduktionsrelaterede magmaer opnår deres geokemiske signatur fra sedimentet, der genbruges tilbage til jorden, siger Elburg.

"Svarene på disse spørgsmål kan hjælpe os med at forstå, i hvilket omfang de smelteprocesser, der startede på mere end 100 kilometer dybt i kappen, fortsætte, når magmaen er tættere på jordens overflade, " hun siger.

"Denne proces med 'skorpeforurening' er endnu en 'jordgenbrugsmaskine', hvilket også kan påvirke potentialet for malmforekomster - som i Andesbjergene, hvor der findes større kobberforekomster, og hvor denne 'intrakrustal genbrug' menes at spille en vigtig rolle".

Dybere vs lavvandede

En måde at studere lava på er at sætte tynde skiver (kaldet tynde sektioner) under et mikroskop og identificere mineralerne. Fordi mineraler har brug for forskellige betingelser for at dannes, deres tilstedeværelse kan sige meget om, hvor og hvordan magmaer blev blandet.

I denne undersøgelse indikerede mineralerne, at Santorini lavaer var mere flydende, fordi de blev dannet inde i mere lavvandede magmakamre, mens lavaerne i det vestlige vulkanske center var tykkere og mere blokerede, fordi de blev dannet i dybere magmakamre.

"De tynde sektioner af Santorini-lavaerne viser pyroxener og betydelig plagioklas. Dette indikerer, at magmaen, hvorfra krystallerne blev dannet, var placeret på lave dybder i jorden, siger Elburg.

Og der er en usynlig grund til, at magmaen var på lavere dybder ved Santorini.

"Den tektoniske plade over Santorinis magmakamre bliver trukket fra hinanden. I geologiske termer, den er under lokaliseret forlængelse. Og fordi pladen strækkes ud og Santorini er midt i den, Santorini er tilfældigvis på den tyndeste del af pladen.

"Med et magmakammer på en lavere dybde, taget vil falde ind, når kammeret begynder at tømme sig selv under et udbrud. Dette gør udbruddet endnu værre og skaber en caldera, som på Santorini, " tilføjer hun.

Ingen eksplosioner

I modsætning, da de så på de tynde dele af de tykke blokerede lavaer fra Aegina og Methana, de fandt hornblende. Mineralet var fraværende i Santorini-lavaerne.

Hornblende kan kun dannes, hvis magmaen er dybt nok i Jorden. Dette indikerer, at magmakamrene på Aegina og Methana bør være placeret dybere end på Santorini.

"Med magmakamrene på større dybder for de vestlige Aegina-Methana-Poros vulkaner, det giver ændringer i lavaen. Der faldt magmakamrene under lavakuplerne ikke ind. krystallisationen af ​​amfibolmineralgruppen, der inkluderer hornblende, gør magma mere tyktflydende, eller klistret. Så det er sværere for magmaen at komme til overfladen i første omgang.

Overskridende plade vs sediment

For at finde ud af, om den overordnede plade eller havets sedimenter var den største faktor i at skabe tykke, blokerede lavaer, forskerne analyserede specifikke 'lavafingeraftryk'. Disse radiogene isotopforhold gav dem den bedste indikation på, hvilke materialer der blev blandet ind i de underjordiske magmaer for disse lavaer.

"Vi sammenlignede Santorini med Aegina-Poros-Methana lavaer med hensyn til deres geokemi på ⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr, ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd og ²⁰⁸ Pb/ ²⁰⁴ Pb. De var tydeligt forskellige. Derefter ved at kombinere lavaernes radiogene isotopsignatur med sporstofforhold, vi formåede at udpege det nedadgående sediment som den største indflydelse, der skabte tykke, blokerede lavaer, ikke den overordnede plade.

Ingen lava størrelse

"Vi fandt ud af, at Aegina og Methana-Poros har deres egne individuelle vulkanske historier, selvom de er en del af den ægæiske bue.

"Dette betyder, at en simpel ensartet forklaring, based on crustal contamination history, for the difference in eruptive style compared to Santorini does not work.

"Modern subduction zones are not all alike. Even in one volcanic arc, more than one eruptive style points to differences in subduction processes, " concludes Elburg.