Rond 1085 na Christus, langs de zuidelijke rand van het verhoogde Colorado-plateau in Noord-Arizona, een vulkaan barstte uit, voor altijd veranderende oude Pueblo-fortuinen en al het leven in de buurt. Tussen de ongeveer 600 vulkanen die het landschap van de vulkanische velden van San Francisco bezaaien, deze knalde. Het was de allereerste (en laatste) uitbarsting van wat bekend werd als Sunset Crater, toepasselijk genoemd naar zijn veelkleurige, 1, 000 voet hoge sintelkegel.

Vandaag, ASU School of Earth and Space Exploration-wetenschapper Amanda Clarke en haar team hebben gewerkt aan het oplossen van de mysterieuze oorzaak van de uitbarsting van de Sunset Crater en alle geleerde lessen om de bedreigingen die soortgelijke vulkanen tegenwoordig over de hele wereld kunnen vormen, beter te begrijpen.

"Dit is gebruikelijk in de vulkanologie, om eerdere uitbarstingen te reconstrueren om te proberen te begrijpen wat de vulkaan of regio in de toekomst zou kunnen doen, " zei Clarke. "We hebben het veldwerk gedaan en we hebben gegevens uit een eerdere studie gecombineerd en een aantal moderne technieken gebruikt om het verhaal samen te stellen."

Samen met een aantal medewerkers, ze hebben nauwgezet elke spleet in kaart gebracht, uitbarsting storting, en oude lavastroom van Sunset Crater om de volledige splatterpatronen en geochemische composities van alle uitgeworpen materialen te reconstrueren, of tefra, van de uitbarsting.

Een explosief verleden

"Als je de site bezoekt, er zijn deze lavastromen die duidelijk zijn, maar ook deze grote tefra-deken die tot ver buiten het vulkanische bouwwerk zelf reikt, ver voorbij de ventilatieopening, " zei Clarke. "Mijn interesse werd voor het eerst gewekt toen ik vele jaren geleden tijdens een excursie leerde met voormalig ASU-professor Stephen Self, dat Sunset Crater een explosief verleden had."

In een eerdere studie, De groep van Clarke toonde voor het eerst aan dat de vulkanische activiteit zich ontwikkelde in zeven of acht verschillende fasen:initiële spleetfasen, gevolgd door zeer explosieve fasen, en tenslotte, lage explosiviteit, afnemende fasen. "Het is niet duidelijk hoe dit komt, maar uiteindelijk, de uitbarsting vestigde zich op deze enkele pijpleiding naar de oppervlakte, en dat is waar veel van ons werk het verhaal oppikt, ' zei Clarke.

Op verschillende momenten tijdens de explosieve fase, de lucht was gevuld met basalt, sintelas tot 20 tot 30km hoog, waardoor het een van de meest explosieve vulkaanuitbarstingen in zijn soort is die ooit in de wereld is gedocumenteerd.

"Mensen in Winslow [100 km verderop] zouden het hebben kunnen zien, "zei Clarke. Om een ​​idee te geven van de grootte van de uitbarsting, ze maten het totale volume aan uitbarstingsmateriaal, of 0,52 km ³ dicht gesteente-equivalent (DRE) - dat, ter vergelijking, bleek vergelijkbaar met het volume van de beruchte uitbarsting van Mount St. Helens in 1980. "

Het leek qua hoogte en volume erg op de berg St. Helens, "zei Clarke. "Je denkt dat deze dingen die sintelkegels zijn, zoiets zullen zijn als Stromboli in Italië - een vuurfontein van een paar honderd meter en mensen zouden het misschien vanaf hun terras kunnen bekijken - maar deze piekfase was St. Helens schaal."

Mysterieus magma

Maar waarom het uitbrak, dat is een mysterie gebleven, tot nu. "De wetenschappelijke vraag is hoe deze meer vloeibare magma's zich gedragen als stroperige magma's, " zei Clarke. De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie was het resultaat van een samenwerking tussen SESE Ph.D. alumna Chelsea Allison (nu aan de Cornell University) en onderzoekswetenschapper Kurt Roggensack. "Chelsea was een afgestudeerde student die een aantal innovatieve analyses deed en Kurt heeft deze expertise in petrologie en meer kleinschalige analyse, terwijl ik meer een fysieke vulkanoloog ben; dus daar kwamen we samen, ' zei Clarke.

Het meten van de factoren die hebben geleid tot de uitbarsting van de Sunset Crater 1, 000 jaar later is een uiterst moeilijke taak omdat de gassen waaruit het magma bestaat gewoonlijk tijdens de uitbarsting naar de lucht ontsnappen, voor altijd verloren in de tijd. Maar om het verleden beter te reconstrueren, de groep heeft geprofiteerd van uitgebreide microanalyses van de kleinste klodders en bellen die de beste weergave zijn van de samenstelling van magma uit Sunset Crater vóór de uitbarsting, bekend als smeltinsluitingen. Roggensack wordt erkend als een wereldexpert in innovatieve smeltinsluitingsanalyse, vooral in basaltische magma's.

Hoe klein? Smeltinsluitsels zijn minder dan een duizendste van een inch breed. Ze worden in de loop van de tijd ingebed in groeiende kristallen van het magma-leidingsysteem dat zich vormt voordat een vulkaan uitbarst. "Ze zijn bevrijd van het magma in de explosie, ' zei Clarke.

Ze zijn als koolzuurhoudende, soda-brouwsel van ingesloten gas, bevroren in de tijd van het omringende magma terwijl ze kristalliseren, maar toch in staat om de gassamenstelling en geheime geschiedenis van een uitbarsting zo lang geleden te onthullen.

Denk aan de basaltachtige Sunset Crater die meer een consistentie van ahornsiroop heeft dan de pindakaasvariëteit van het ryolietmagma van de berg St. Helens. "Dat zijn stroperige magma's waar veel water in kan zitten, ' zei Clarke.

Wat waren de omstandigheden en ingrediënten die konden leiden tot de uitbarsting van de Sunset Crater?

"Dat leidt tot de grote vragen over wat de vluchtige inhoud van het magma is, want dat gaat de explosiviteit beheersen, "zei Clarke. "Om de vragen te beantwoorden, je moet diep in het sanitair systeem graven, en dat hebben we gedaan."

Clarke's groep is een van de eersten die het belang van koolstofdioxide bij vulkaanuitbarstingen aantoont, deels omdat het in de eerste plaats geen gemakkelijke taak was om te meten. "We denken dat deze uitbarsting een behoorlijke hoeveelheid koolstofdioxide en ook zwaveldioxide in de atmosfeer kan hebben gepompt, ' zei Clarke.

"Water is meestal het hoofdbestanddeel [zoals in Mt. St. Helens], maar wat we bij zonsondergang vinden, is dat koolstofdioxide zeer overvloedig is en dat het in het diepere deel van het systeem belangrijker is om het magma in de richting van het oppervlak. We denken dat dat een grote rol heeft gespeeld. En de koolstofdioxide komt waarschijnlijk van diep in de mantel binnen het brongebied."

De smeltinsluitingen (MI's) zijn specifiek gekozen om een ​​representatief voorbeeld te geven van textuurkenmerken die zijn waargenomen bij de uitbarsting van de zonsondergangkrater (bijv. variërende bellenvolumes, maten en vormen). Enkele van de instrumenten van de handel die werden gebruikt, waren microscopen om de details van kristallisatie en bellenvorming voor elke kleine smeltinsluiting tot leven te brengen, evenals gevoelige instrumenten om de hoeveelheid vluchtige stoffen te meten die in het gebluste glas zijn opgesloten.

"Dat kan ons enkele details vertellen van de laatste momenten van het magma voordat het werd uitgeblust."

Kleine bubbels

Met behulp van een op maat gemaakte Raman-spectrometer bij ASU in het LeRoy Eyring Center for Solid State Science (LE-CSSS), Chelsea Allison zette de smeltinsluitingsanalyse op waarbij monsters eerst worden geëxciteerd met behulp van een blauwe saffierlaser. Hoogwaardige smeltinsluitingen werden gepolijst en afgebeeld met een petrografische microscoop ter voorbereiding op Raman-analyse.

Als een Russische pop, genesteld in het kleine kristal is deze kleine smeltinsluiting (nu glas), en dan zit er in de smeltinsluiting een bel, en in de bel zit koolstofdioxide.

"Raman-spectroscopie kan worden gebruikt om de dichtheid van koolstofdioxide te meten, en dan van het volume en de dichtheid van de bel, je kunt dat gebruiken om een ​​massa te berekenen, " zei Clarke. "Allison moest allerlei dingen doen, waaronder het creëren van normen om ervoor te zorgen dat wat ze aan het meten was nauwkeurig was. Ze gebruikte bekende hoeveelheden koolstofdioxide in kleine glazen buisjes om een ​​kalibratiecurve te maken."

"Mensen negeerden de bubbels, denkend dat er van binnen niets belangrijks was, maar het bleek bijna allemaal koolstofdioxide te zijn, "zei Clarke. "We hebben die koolstofdioxide in de bel toegevoegd aan het totale koolstofdioxidebudget van het magma."

"Dat hangt allemaal samen, want als je eenmaal de volumes van de uitbarsting hebt, en de totale vluchtige inhoud van het magma, je kunt beginnen te begrijpen hoeveel er in de atmosfeer is uitgestoten, en hoe ziet dat eruit in vergelijking met andere uitbarstingen."

Het kwam uit de diepte

De kooldioxidegasfase speelde een cruciale rol bij het aandrijven van de explosieve uitbarsting, met het gas opgeslagen in het magma van Sunset Crater zo diep als 15 km onder het oppervlak.

"We denken dat magma al op 15 km diep borrelde, en dat is niet wat mensen typisch denken over magmasystemen met deze vulkanen. Het is al eerder aangetoond dat je een bubbelfase hebt. En als je een systeem hebt dat al bruisend en zo diep is, het betekent dat je misschien een heel snelle opstijging hebt."

Hoewel, de impact van basaltisch vulkanisme op het wereldwijde atmosferische systeem is grotendeels onbekend, dit hoge kooldioxide- en zwavelgehalte van de uitbarsting zou ook een grote impact op de atmosfeer kunnen hebben gehad op het moment van de uitbarsting.

Ze vergeleken ook de magmatische vluchtige stoffen bij Sunset Crater met die in explosieve caldera-vormende kiezelzuuruitbarstingen zoals de Bishop Tuff om verschillen in hun overvloed en samenstelling te benadrukken. Deze vergelijking suggereerde dat de kooldioxiderijke fase een kritieke pre-eruptieve toestand is die zeer explosieve basaltuitbarstingen veroorzaakt.

Explosieve kiezelzuuruitbarstingen, hoewel nog steeds veel groter in termen van uitgebarsten volume, zijn betere analogieën met de dynamiek van de uitbarsting van de Sunset Crater. Twee van dergelijke historische uitbarstingen, de uitbarsting van 1991 bij Pinatubo (Filipijnen) en de uitbarsting van trachyandesiet in 1815 in Tambora (Indonesië), resulteerde in ingrijpende atmosferische effecten.

De uitbarsting van de Pinatubo, die drie jaar na de uitbarsting een aanzienlijke impact hadden op het mondiale klimaat, uitbarsting 10 keer de massa van magma (5 km ³ DRE) als Sunset Crater (0,5 km ³ DRE), maar gaf slechts ~ 3 keer de massa zwaveldioxide vrij. De Tambora-uitbarsting was verantwoordelijk voor het "jaar zonder zomer", en terwijl het ~60 keer de massa magma (30 km .) uitbarstte ³ DRE) als Sunset Crater, het gaf slechts ~ 9 keer de massa zwaveldioxide vrij.

De lessen die zijn getrokken uit Sunset Crater en zijn soort basaltvulkanisme kunnen ons vandaag de dag nog steeds informeren.

"Nu kunnen we vragen, zijn de omstandigheden die hebben geleid tot de uitbarsting van de Sunset Crater echt zo ongewoon?', zei Clarke. waarneembare uitbarsting verandert in iets dat veel gevaarlijker is voor vliegtuigen die overvliegen of voor de mensen eromheen? We kunnen deze concepten gaan toepassen op actieve systemen."

"En onthoud, hoewel de ventilatieopening bij Sunset Crater niet opnieuw zal uitbarsten, het veld van San Francisco is nog steeds actief. Daar zal waarschijnlijk nog een uitbarsting plaatsvinden. Het kan overal zijn, en waarschijnlijk in de oostelijke sector, maar we weten niet waar en wanneer. Het kan op een schaal van duizenden jaren zijn."