Forstå oprindelsen af ​​Arizonas Sunset Crater-udbrud af 1, 000 år siden

Omkring 1085 e.Kr. langs den sydlige kant af det nordlige Arizonas forhøjede Colorado-plateau, en vulkan gik i udbrud, evigt skiftende gamle Puebloan formuer og alt nærliggende liv. Blandt de omkring 600 vulkaner, der er spredt ud over San Franciscos vulkanfelter, denne blæste. Det var det allerførste (og sidste) udbrud for det, der blev kendt som Sunset Crater, passende navngivet for sin flerfarvede, 1, 000 fod høj askekegle.

I dag, ASU School of Earth and Space Exploration videnskabsmand Amanda Clarke og hendes team har arbejdet på at løse den mystiske grundårsag til Sunset Crater-udbruddet og eventuelle erfaringer for bedre at forstå de trusler, lignende vulkaner kan udgøre rundt om i verden i dag.

"Dette er en almindelig ting i vulkanologi, at rekonstruere tidligere udbrud for at prøve at forstå, hvad vulkanen eller regionen kan gøre i fremtiden, " sagde Clarke. "Vi lavede feltarbejdet, og vi kombinerede data fra en tidligere undersøgelse og brugte nogle moderne teknikker til at sætte historien sammen."

Arbejder sammen med flere samarbejdspartnere, de har møjsommeligt kortlagt hver sprække, udbrudsdepot, og gammel lavastrøm fra Sunset Crater for at rekonstruere de komplette sprøjtmønstre og geokemiske sammensætninger af alle udstødte materialer, eller tephra, fra udbruddet.

En eksplosiv fortid

"Når du besøger webstedet, der er disse lavastrømme, der er tydelige, men også dette store tefratæppe, der strækker sig langt ud over selve det vulkanske bygningsværk, langt ud over udluftningen, " sagde Clarke. "Min interesse blev først vækket, da jeg lærte på en studietur for mange år siden med den tidligere ASU-professor Stephen Self, at Sunset Crater havde en eksplosiv fortid."

I en tidligere undersøgelse, Clarkes gruppe viste først, at den vulkanske aktivitet udviklede sig i syv eller otte forskellige faser:indledende sprækkefaser, efterfulgt af meget eksplosive faser, og endelig, lav eksplosivitet, aftagende faser. "Det er ikke klart, hvordan dette sker, men til sidst, udbruddet satte sig på denne enkelte rørledning til overfladen, og det er her, meget af vores arbejde henter historien, " sagde Clarke.

På flere punkter i den eksplosive fase, himlen var fyldt med basalt, aske op til 20 til 30 km høj, gør det til et af de mest eksplosive vulkanudbrud af sin art, der nogensinde er dokumenteret i verden.

"Folk i Winslow [100 km væk] ville have været i stand til at se det, " sagde Clarke. For at give en ide om udbruddets størrelse, de målte det samlede volumen af ​​udbrudsmateriale, eller 0,52 km ³ tæt stenækvivalent (DRE) – som, til sammenligning, viste sig at svare til omfanget af det berygtede Mount St. Helens-udbrud i 1980. "

Det var meget lig Mt. St. Helens med hensyn til højde og volumen, " sagde Clarke. "Du tror, ​​at de her ting, der er slaggkegler, bliver noget som Stromboli i Italien - et brandfontæne på et par hundrede meter, og folk kunne måske se det fra deres terrasse - men denne topfase var St. . Helens skala."

Mystisk magma

Men hvorfor det brød ud, det er forblevet et mysterium, indtil nu. "Det videnskabelige spørgsmål er, hvordan disse mere flydende magmaer opfører sig som tyktflydende magmaer, " sagde Clarke. Undersøgelsen, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation var resultatet af et samarbejde mellem SESE Ph.D. alumna Chelsea Allison (nu ved Cornell University) og forsker Kurt Roggensack. "Chelsea var en kandidatstuderende, der lavede nogle innovative analyser, og Kurt har denne ekspertise inden for petrologi og mere småskalaanalyse, mens jeg mere er en fysisk vulkanolog; så det var her, vi kom sammen, " sagde Clarke.

Måling af de faktorer, der førte til Sunset Crater-udbruddet 1, 000 år senere er en ekstremt vanskelig opgave, fordi de gasser, der udgør magmaet, normalt flygter til himlen under udbruddet, for evigt tabt i tiden. Men for bedre at rekonstruere fortiden, gruppen har draget fordel af omfattende mikroanalyser fra de mindste klatter og bobler, der er den bedste repræsentation af sammensætningen af ​​magma fra Sunset Crater før udbruddet, kendt som smelteindeslutninger. Roggensack er anerkendt som en verdensekspert i innovativ smelteinklusionsanalyse, især i basaltiske magmaer.

Hvor lille? Smelteindeslutninger er mindre end en tusindedel af en tomme på tværs. De bliver med tiden indlejret i voksende krystaller af det magma VVS-system, der dannes, før en vulkan går i udbrud. "De er blevet befriet fra magmaet i eksplosionen, " sagde Clarke.

De er som et brus, sodavandsblanding af indespærret gas, frosset i tid fra den omgivende magma, når de krystalliserer, alligevel i stand til at afsløre gassammensætningen og hemmelige historie om et udbrud for så længe siden.

Tænk på det basaltiske Sunset Crater, der har mere en ahornsirupskonsistens i forhold til jordnøddesmørsorten af ​​rhyolit-magmaen fra Mt. St. Helens. "Det er tyktflydende magmaer, der kan have en masse vand fyldt i dem, " sagde Clarke.

Hvad var de forhold og ingredienser, der kunne føre til Sunset Crater-udbruddet?

"Det fører til de store spørgsmål om, hvad det flygtige indhold af magma er, fordi det kommer til at kontrollere eksplosiviteten, " sagde Clarke. "For at besvare spørgsmålene, du skal grave dybt ned i VVS-systemet, og det er, hvad vi gjorde."

Clarkes gruppe er blandt de første til at vise betydningen af ​​kuldioxid i vulkanudbrud, dels fordi det ikke var let at måle i første omgang. "Vi tror, ​​at dette udbrud kunne have pumpet en hel del kuldioxid og også svovldioxid ud i atmosfæren, " sagde Clarke.

"Vand er normalt hovedkomponenten [som i Mt. St. Helens], men hvad vi finder ved solnedgang er, at kuldioxid er meget rigeligt, og det har en tendens til at være mere kritisk i den dybere del af systemet for at få magmaen til at bevæge sig mod overfladen. Vi tror, ​​at det spillede en stor rolle i det her. Og kuldioxiden kommer sandsynligvis fra dybt inde i kappen inden for kildeområdet."

Smelteindeslutningerne (MI'er) blev specifikt valgt for at give en repræsentativ prøve af teksturelle træk observeret i Sunset Crater-udbruddet (f.eks. varierende boblevolumener, størrelser og former). Nogle af branchens værktøjer, der blev brugt, var mikroskoper til at bringe detaljerne om krystallisation og bobledannelse til live for hver lille smelteinkludering, samt følsomme instrumenter til at måle mængden af ​​flygtige stoffer fanget i det kølede glas.

"Det kan fortælle os nogle af detaljerne i de sidste øjeblikke af magmaen, før den blev slukket."

Små bobler

Ved hjælp af et specialbygget Raman-spektrometer på ASU i LeRoy Eyring Center for Solid State Science (LE-CSSS), Chelsea Allison opsatte smelteinklusionsanalysen, hvor prøverne først exciteres ved hjælp af en blå safirlaser. Smelteindeslutninger af høj kvalitet blev poleret og afbildet med et petrografisk mikroskop som forberedelse til Raman-analyse.

Som en russisk dukke, Beliggende inde i den lille krystal er denne lille smelteindeslutning (nu glas), og så er der en boble inde i smelteinklusionen, og inde i boblen er kuldioxid.

"Raman-spektroskopi kan bruges til at måle tætheden af ​​kuldioxid, og derefter fra boblens volumen og tæthed, du kan bruge det til at beregne en masse, " sagde Clarke. "Allison var nødt til at gøre alle slags ting, herunder at skabe standarder for at sikre, at det hun målte var nøjagtigt. Hun brugte kendte mængder kuldioxid inde i små glasrør til at lave en kalibreringskurve."

"Folk plejede at ignorere boblerne, troede, at der ikke var noget vigtigt indeni, men det viser sig, at det næsten udelukkende var kuldioxid, " sagde Clarke. "Vi har føjet den kuldioxid inde i boblen til magmaens samlede kuldioxidbudget."

"Det hele hænger sammen, fordi når du har mængden af ​​udbruddet, og det totale flygtige indhold af magma, du kan begynde at forstå, hvor meget der blev kastet ud i atmosfæren, og hvordan ser det ud sammenlignet med andre udbrud."

Det kom fra dybet

Kuldioxidgasfasen spillede en afgørende rolle i at drive det eksplosive udbrud, med gas lagret i magmaet i Sunset Crater så dybt som 15 km under overfladen.

"Vi tror, ​​at magma boblede allerede på 15 km dyb, og det er ikke, hvad folk typisk tænker om magmasystemer med disse vulkaner. Det er blevet demonstreret før, at man har en boblefase. Og hvis du har et system, der allerede er sprudlende og så dybt, det betyder, at du måske har en virkelig hurtig opstigning."

Selvom, virkningen af ​​basaltisk vulkanisme på det globale atmosfæriske system er stort set ukendt, denne høje kuldioxid og svovl fra udbruddet kunne også have haft stor indflydelse på atmosfæren på tidspunktet for udbruddet.

De sammenlignede også de magmatiske flygtige stoffer ved Sunset Crater med dem i eksplosive caldera-dannende siliciumudbrud som Bishop Tuff for at fremhæve forskelle i deres overflod og sammensætning. Denne sammenligning antydede, at den kuldioxidrige fase er en kritisk præ-eruptiv tilstand, der driver meget eksplosive basaltiske udbrud.

Eksplosive siliciumudbrud, selvom det stadig er meget større med hensyn til udbrudsvolumen, er bedre analogier til dynamikken i Sunset Crater-udbruddet. To sådanne historiske udbrud, 1991-udbruddet ved Pinatubo (Filippinerne) og 1815-udbruddet af trachyandesite ved Tambora (Indonesien), resulterede i dybe atmosfæriske påvirkninger.

Pinatubo-udbruddet, som havde betydelig indflydelse på det globale klima i tre år efter udbrud, udbrød 10 gange magmamassen (5 km ³ DRE) som Sunset Crater (0,5 km ³ DRE), men frigav kun ~3 gange massen af ​​svovldioxid. Tambora-udbruddet var ansvarlig for "året uden sommer", og mens det brød ud ~60 gange magmamassen (30 km ³ DRE) som Sunset Crater, det frigav kun ~9 gange massen af ​​svovldioxid.

Erfaringerne fra Sunset Crater og dets type basaltisk vulkanisme kunne stadig informere os i dag.

"Nu kan vi spørge, er forholdene, der førte til Sunset Crater-udbruddet, virkelig så usædvanlige?" sagde Clarke. "Hvor almindeligt er det for os at se en basaltisk kegle, som vi synes burde være en blid, observerbare udbrud bliver til noget, der er meget mere farligt for fly, der flyver over hovedet eller for folk omkring det? Vi kan begynde at anvende disse koncepter på aktive systemer."

"Og husk, selvom udluftningen ved Sunset Crater ikke kommer til at bryde ud igen, San Francisco-feltet er stadig aktivt. Der kommer formentlig endnu et udbrud der. Det kan være hvor som helst, og sandsynligvis i den østlige sektor, men vi ved ikke hvor og hvornår. Det kan være på en skala fra tusinder af år."