Die untere Erdkruste spielt eine entscheidende Rolle bei der Verarbeitung von Mantelschmelzen und dem Auslösen von Vulkanausbrüchen durch die Zufuhr von Magma aus dem Erdmantel. Eine kürzlich veröffentlichte Studie des Cambridge Department of Earth Sciences legt nun offen, dass basaltisches Magma bis zu tausend Jahre an der Krusten-Mantel-Grenze gelagert wird, bevor es infolge eruptiver Ereignisse als Lava an der Erdoberfläche ausbricht. Diese Erkenntnis wirkt sich maßgeblich auf unser Verständnis über die Entstehung und Entwicklung magmatischer Systeme aus.
Forscher der University of Cambridge verwenden im Rahmen einer großangelegten Studie vulkanische Mineralien, sogenannte Kristalluhren, um nachvollziehen zu können, wie lange Magma in den tiefsten Regionen vulkanischer Systeme verweilt, bevor es im Rahmen eines Vulkanausbruches an die Erdoberfläche transportiert wird.
“Dieser Prozess gleicht einer geologischen Detektivarbeit”, so Dr. Euan Mutch vom Cambridge Department of Earth Sciences und Erstautor der Bekanntmachung. “Wir untersuchen den Mineralienanteil im vulkanischen Gestein, um den Ablauf von Eruptionen rekonstruieren zu können und unter welchen Bedingungen das geschmolzene Gestein vor dem Ausbruch gelagert wurde. Jedoch ist es für uns immer noch schwer zu verstehen, was genau in den tiefsten Schichten eines Vulkansystems passiert.“
“Die zeitliche Einschätzung wie lange Magma in der Erdkruste gespeichert wird, kann langfristig helfen, die Prozesse besser nachvollziehen zu können, die einen Vulkanausbruch auslösen”, sagte Co-Autor Dr. John Maclennan, ebenfalls vom Department of Earth Sciences. “Die Aufstiegsgeschwindigkeit und die Verweildauer von Magma im Erdinnern ist eng mit dem Wärmeaustausch in der tieferen Erdkruste verbunden.“
Die Forscher untersuchten die Borgarrhraun-Eruption des Theistareykir-Vulkans in Nordisland vor rund 10.000 Jahren, welcher direkt aus der Mohorovičić-Diskontinuität gespeist wurde. Die Mohorovičić-Diskontinuität, kurz Moho, stellt die Grenzfläche zwischen der Erdkruste und dem Erdmantel dar und wird durch die chemischen Unterschiede zwischen der basaltischen Zusammensetzung der unteren Erdkruste zu peridotitischen und dunitischen Gesteinen des oberen Erdmantels hervorgerufen. Um berechnen zu können, wie lange sich Magma innerhalb der Moho-Diskontinuität aufhält, verwenden die Forscher das vulkanische Mineral Spinell als eine repräsentative Kristalluhr.
Mit der Kristalluhrmethode sind die Forscher in der Lage zu modellieren, wie sich die chemische Zusammensetzung der Spinellmineralien im Laufe der Zeit verändert hat, während das Magma nahe der Moho-Diskontinuität verweilt. Konkret untersuchen sie die Diffusionsraten von Aluminium und Chrom innerhalb der Mineralien anhand der Ergebnisse früherer Laborversuche.
“Die Diffusion von Elementen bewirkt, dass das Mineral ein chemisches Gleichgewicht mit seiner Umgebung eingeht”, sagt Maclennan. “Wenn wir wissen, wie schnell sie diffundieren, können wir herausfinden, wie lange die Mineralien im Magma gelagert waren.
Auf Basis dieser Methode konnte das Forscherteam einen Zusammenhang zwischen der Steigrate des Magmas und der unmittelbaren Freisetzung von CO2 darlegen.
So konnte ein drastischer Anstieg der Co2-Konzentration in den Tagen vor eruptiven Ereignissen beobachtet werden, was darauf hinweist, dass die Überwachung der Co2-Konzentration in der Nähe von Vulkanen zukünftig sinnvoll sein kann, um die Vorläufer von Vulkanausbrüchen erkennen zu können.
Veröffentlichung: Euan J. F. Mutch, John Maclennan, Tim J. B. Holland, Iris Buisman (2019): Millennial storage of near-Moho magma. Science, Vol. 365, Issue 6450, pp. 260-264 DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.aax4092
Pia Gaupels
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