ETH-onderzoekers laten zien dat magmakamers onder supervulkanen meer op doorweekte sponzen lijken dan op reservoirs van gesmolten gesteente. Voordat zo'n vulkaan uitbarst, dergelijke brij moet langzaam worden gereactiveerd door warmtetoevoer na diepe magma-oplading die uiteindelijk afkomstig is van de aardmantel.

Supervulkanen zijn in elk opzicht overtreffend. De uitbarsting van de Toba-caldera in het hedendaagse Indonesië, ongeveer 74, 000 jaar geleden was zo krachtig dat het leidde tot een periode van wereldwijde afkoeling en, mogelijk, een drastische daling van de bevolking van de mensheid. Ongeveer 2,1 miljoen jaar geleden, de eerste van drie uitbarstingen van de Yellowstone-supervulkaan in de VS vormde een krater met een oppervlakte van 50 x 80 kilometer. ongeveer 2, Daarbij werd 800 kubieke kilometer materiaal uitgeworpen – ongeveer 10 tot 20 keer zoveel als bij de uitbarsting van de berg Tambora in Indonesië in 1815. Zelfs deze relatief kleine uitbarsting, beschouwd als de grootste in de afgelopen tijd, effecten produceerden die over de hele wereld gevoeld konden worden.

Echter, supervulkanen zijn moeilijk te bestuderen en blijven daarom onderzoekers tot op de dag van vandaag verbijsteren. Bijvoorbeeld, wetenschappers zijn het erover eens dat er een kamer van magma moet zijn op een diepte van enkele kilometers in de aardkorst, met materiaal dat ontsnapt tijdens een uitbarsting. Echter, de experts zijn het niet eens over de vorm en consistentie van een dergelijk reservoir.

Zwembad versus gestold blok

Sommige geologen gaan ervan uit dat caldera's, zoals supervulkaankraters bekend staan, zitten bovenop een gigantisch reservoir van vloeibaar magma ingebed in de aardkorst. De mantel voorziet dit reservoir van materiaal en warmte, en zo'n supervulkaan kan op elk moment explosief uitbarsten.

Anderen achten het aannemelijker dat de magmakamer volledig is afgekoeld en gestold, en dat het alleen vloeibaar wordt gemaakt door een massale instroom van warmte uit de mantel. Alleen dan kan een uitbarsting plaatsvinden.

"Waarschijnlijk is geen van beide theorieën correct, " zegt Olivier Bachmann, Hoogleraar vulkanologie aan de ETH Zürich. Bachmann en zijn groep hebben twee artikelen in het tijdschrift gepubliceerd Natuur Geowetenschappen , waarin ze aantonen dat de waarheid ergens tussen deze twee uitersten kan liggen.

De waarheid ergens in het midden?

"De magmakamer van een supervulkaan lijkt niet op een pan soep die op elk moment en bij de minste provocatie kan overkoken, " legt Bachmann uit. Evenzo, hij zegt dat het verkeerd is om aan te nemen dat het magma is afgekoeld tot een volledig gestold lichaam, want het reactiveren van een dergelijk lichaam zou binnen zeer korte tijd een enorme instroom van warmte vereisen. In aanvulling, vluchtige stoffen zoals water en CO2 zouden bij afkoeling en stolling uit het lichaam ontsnappen. Echter, deze stoffen zijn essentieel voor een uitbarsting omdat ze dienen om de overeenkomstige druk in de magmakamer op te bouwen.

Als we de supervulkaanuitbarsting van de "Kneeling Nun Tuff" in New Mexico als voorbeeld nemen, studies door Bachmanns doctoraalstudent Dawid Szymanowski toonden aan dat de magmakamer van een supervulkaan een mengsel van vloeibaar en kristallijn bevat - dat wil zeggen, gestold - magma. Meer dan 40 tot 50 procent van het reservoir is in kristallijne vorm aanwezig. Volgens de ETH-onderzoeker de kamers kunnen een sponsachtige textuur vertonen, met een maasstructuur van gekristalliseerd gesteente en poriën die gesmolten materiaal bevatten - kristalbrij, zoals Szymanowski het noemt.

Zeldzame mineralen als dataloggers

Deze brij zal waarschijnlijk heel lang in de magmakamer blijven voordat hij naar de oppervlakte wordt geslingerd. Szymanowski trekt deze conclusie uit de analyse van zirkoon en titaniet, twee sporenelementen die in het magma aanwezig zijn. Zirkoon is het kristallijne materiaal van de oudst bekende gesteentemonsters op aarde - sommige kristallen die in Australië worden gevonden, zijn ongeveer 4,4 miljard jaar oud.

Zirkoon- en titanietkristallen registreren niet alleen het tijdstip waarop ze werden gevormd, maar ook de temperatuur tijdens hun vorming, omdat deze temperatuur de opname van chemische elementen in het kristalrooster beïnvloedt. Na kristalvorming, de chemische samenstelling van deze mineralen in een magmakamer blijft in wezen onveranderd, zelfs als de omstandigheden in de magmakamer aanzienlijk veranderen.

Door de leeftijd en chemische samenstelling van zirkoon- en titanietkristallen van verschillende gesteenten in het laboratorium te analyseren, de onderzoekers krijgen informatie over hoe de temperatuur van een magmakamer in de loop van de tijd is veranderd. De uitbarsting brengt deze twee mineralen naar de oppervlakte, waar ze te vinden zijn in overeenkomstige gesteentelagen.

Uit deze analyses de vulkanologen van ETH concludeerden dat de temperatuur in de magmakamer die de Kneeling Nun Tuff-uitbarsting voedde, meer dan een half miljoen jaar tussen 680 en 730 graden Clesius moet zijn gebleven. Van de mineralen, de onderzoekers konden vaststellen dat het heel lang duurde voordat de supervulkaan volledig "opgeladen" was en het punt van uitbarsting bereikte.

Numeriek model ondersteunt mineraalanalyses

De mineralenanalyses worden ook ondersteund door een computermodel gemaakt door Ozge Karakas, een postdoc in de groep van Bachmann. Dit model is in juni gepubliceerd – ook in het tijdschrift Natuur Geowetenschappen - en beschrijft een systeem dat bestaat uit een magmakamer in de bovenste korst die is verbonden met andere kamers in de onderste korst.

Heet "bron" magma vormt zich in de mantel bij een temperatuur van ongeveer 1, 200 graden voordat hij door scheuren en schoorstenen opstijgt in de bovenste korst. Eenmaal daar, het vormt een reservoir, die afkoelt en gedeeltelijk kristalliseert, maar honderdduizenden jaren als kristalbrij kan overleven.

Met behulp van het model, de wetenschappers konden aantonen dat de vorming van een permanent reservoir in de bovenste korst niet in korte tijd gigantische hoeveelheden materiaal uit de mantel vereist. "De omstandigheden in de bovenkorst zijn niet geschikt om heel snel zoveel materiaal te verzamelen en op te slaan. " zegt Karakas. Niettemin, de geoloog zegt dat het reservoir wel een verbinding met magma in de ondermantel nodig heeft om het transport van warmte te verzekeren, en ze benadrukt dat tot nu, onderzoekers hadden de onderste korst niet in hun overwegingen betrokken. "Zonder het, echter, er zouden geen supervulkanen zijn."

Zeer zeldzame gebeurtenissen

Zowel het model als de mineralenanalyses wijzen daarom op het idee dat supervulkanen zich gedurende zeer lange perioden vormen en rijpen, en dat ze alleen met tussenpozen van tienduizenden jaren kunnen uitbarsten. "Het magma wordt voornamelijk bewaard als een soort kristallijn, sponsachtige structuur. En het moet altijd opnieuw worden geactiveerd door een instroom van warmte voordat het kan uitbarsten, " zegt Olivier Bachmann, de bevindingen samenvatten.

Het is niet mogelijk om te voorspellen wanneer de volgende supervulkaanuitbarsting gaat plaatsvinden op basis van de nieuwe bevindingen, omdat het systeem nog niet in voldoende detail wordt begrepen. Echter, mechanismen van groei en reactivering van gigantische magmareservoirs worden duidelijker, en dat kan helpen om in de toekomst de tekenen van opnieuw ontwaken van die systemen beter te beoordelen. "In ieder geval - en gelukkig voor ons - is een supervulkaanuitbarsting een zeer zeldzame gebeurtenis, ', zegt Bachmann.