ETH -forskare visar att magmakamrar under supervulkaner är mer som fuktiga svampar än reservoarer av smält berg. Innan en vulkan av detta slag bryter ut, sådan grädde måste långsamt återaktiveras genom värmeinmatning efter djup magmauppladdning som slutligen härrör från jordens mantel.

Supervulkaner är överlägsna i alla avseenden. Utbrottet av Toba-kalderan i dagens Indonesien cirka 74, 000 år sedan var så kraftfull att det ledde till en period av global kylning och, eventuellt, en drastisk minskning av befolkningen i mänskligheten. För cirka 2,1 miljoner år sedan, det första av tre utbrott av Yellowstone supervulkan i USA bildade en krater med en yta på 50 x 80 kilometer. Cirka 2, 800 kubik kilometer material kastades ut i processen - cirka 10 till 20 gånger så mycket som vid utbrottet av Mount Tambora 1815 i Indonesien. Även detta relativt små utbrott, anses vara den största på senare tid, gav effekter som kunde kännas runt om i världen.

Dock, supervulkaner är svåra att studera och fortsätter därför att förbluffa forskare än idag. Till exempel, forskare är överens om att det måste finnas en magmakammare på några kilometers djup i jordskorpan, innehållande material som flyr under ett utbrott. Dock, experterna är inte överens om formen och konsistensen för en sådan reservoar.

Pool vs stelnat block

Vissa geologer antar att kalderor, som supervulkankratrar är kända, sitta ovanpå en gigantisk magasin av flytande magma inbäddad i jordskorpan. Manteln förser denna reservoar med material och värme, och en supervulkan av detta slag kan explodera explosivt när som helst.

Andra anser det mer troligt att magmakammaren har svalnat helt och stelnat, och att det bara görs flytande genom en massiv värmetillströmning från manteln. Först då kan ett utbrott ske.

"Förmodligen är ingen av teorierna korrekt, "säger Olivier Bachmann, Professor i vulkanologi vid ETH Zürich. Bachmann och hans grupp har publicerat två artiklar i tidskriften Naturgeovetenskap , där de visar att sanningen kan ligga någonstans mellan dessa två ytterligheter.

Sanningen någonstans i mitten?

"Magmakammaren i en supervulkan liknar inte en kruka soppa som kan koka över när som helst och vid minsta provokation, "Förklarar Bachmann. På samma sätt han säger att det är fel att anta att magma har svalnat för att bilda en helt stelnad kropp, eftersom återaktivering av en sådan kropp skulle kräva en enorm värmetillströmning på mycket kort tid. Dessutom, flyktiga ämnen som vatten och CO2 skulle släppa ut från kroppen under kylning och stelning. Dock, dessa ämnen är viktiga för ett utbrott eftersom de tjänar till att bygga upp motsvarande tryck i magmakammaren.

Som exempel på supervulkanutbrottet i "Kneeling Nun Tuff" i New Mexico, studier av Bachmanns doktorand Dawid Szymanowski visade att en supervulkan magmakammare innehåller en blandning av vätska och kristallint - det vill säga stelnat - magma. Mer än 40 till 50 procent av reservoaren finns i kristallin form. Enligt ETH -forskarens uppfattning, kamrarna kan uppvisa en svampliknande struktur, med en nätstruktur av kristalliserat berg och porer innehållande smält material - kristallkross, som Szymanowski kallar det.

Sällsynta mineraler som dataloggare

Denna grädde kommer sannolikt att förbli i magmakammaren under mycket lång tid innan den kastas upp till ytan. Szymanowski härleder denna slutsats från analysen av zirkon och titanit, två spårmineraler som finns i magma. Zirkon är det kristallina materialet i de äldsta kända bergproven på jorden - vissa kristaller som finns i Australien är cirka 4,4 miljarder år gamla.

Zirkon- och titanitkristaller registrerar inte bara den tid då de bildades utan även temperaturen under deras bildning, eftersom denna temperatur påverkar införlivandet av kemiska element i kristallgitteret. Efter kristallbildning, den kemiska sammansättningen av dessa mineraler i en magmakammare förblir väsentligen oförändrad även om förhållandena i magmakammaren ändras avsevärt.

Genom att analysera ålder och kemisk sammansättning av zirkon- och titanitkristaller från olika bergarter i laboratoriet, forskarna får information om hur en magmakammares temperatur har förändrats över tiden. Utbrottet tar dessa två mineraler upp till ytan, där de kan hittas i motsvarande bergskikt.

Från dessa analyser, vulkanologerna från ETH drog slutsatsen att temperaturen i magmakammaren som matade Kneeling Nun Tuff -utbrottet måste ha legat mellan 680 och 730 grader Clesius i över en halv miljon år. Från mineralerna, forskarna kunde fastställa att det tog supervulkanen väldigt lång tid att bli helt "laddad" och nå utbrottspunkten.

Numerisk modell stöder mineralanalyser

Mineralanalyserna stöds också av en datormodell skapad av Ozge Karakas, en postdoc i Bachmanns grupp. Denna modell publicerades i juni - även i tidningen Naturgeovetenskap - och beskriver ett system som består av en magmakammare i den övre skorpan som är ansluten till ytterligare kamrar i den nedre skorpan.

Het "källmagma" bildas i manteln vid en temperatur av ungefär 1, 200 grader innan de stiger genom sprickor och skorstenar in i den övre skorpan. Väl där, det bildar en reservoar, som svalnar och delvis kristalliseras men kan överleva som en kristallkross i hundratusentals år.

Med hjälp av modellen, forskarna kunde visa att bildandet av en permanent reservoar i den övre skorpan inte kräver gigantiska mängder material från manteln på kort tid. "Förhållandena i den övre skorpan är inte lämpliga för att samla och lagra så mycket material mycket snabbt, "säger Karakas. Ändå, geologen säger att behållaren behöver en anslutning med magma i den nedre manteln för att säkerställa värmetransport, och hon betonar att tills nu, forskare hade inte inkluderat den nedre skorpan i sina överväganden. "Utan det, dock, det skulle inte finnas några supervulkaner. "

Mycket sällsynta händelser

Både modellen och mineralanalyserna pekar därför på tanken att supervulkaner bildas och mognar under mycket lång tid, och att de bara kan bryta ut med tiotusentals år mellanrum. "Magma bevaras främst som en typ av kristallint, svampliknande struktur. Och den måste alltid återaktiveras av en värmeström innan den kan bryta ut, "säger Olivier Bachmann, sammanfattar resultaten.

Det är inte möjligt att förutsäga när nästa supervulkanutbrott är på väg att inträffa baserat på de nya fynden, eftersom systemet ännu inte är förstått tillräckligt detaljerat. Dock, mekanismer för tillväxt och återaktivering av gigantiska magmareservoarer blir tydligare, och det kan hjälpa till att bättre bedöma tecken på återuppvaknande av dessa system i framtiden. "I alla fall - och lyckligtvis för oss - är ett vulkanutbrott en mycket sällsynt händelse, säger Bachmann.