På en idyllisk ö i Medelhavet, havet täcker upp platsen för en enorm vulkanisk explosion från 3200 år sedan. Några hundra kilometer nordväst, tre andra öar har fortfarande sin vulkaniska historia från några miljoner år sedan i stort sett intakt. Inga explosioner där. Så varför är skillnaderna mellan Santorini-calderan och Aegina, Methana och Poros lavakupoler? Forskare använde vulkaniska "fingeravtryck" och plåttektonikforskning för att ta reda på varför.

Slutet på en civilisation

En stor vulkan sprängdes för cirka 3200 år sedan, precis intill där ön Santorini ligger i Grekland idag. Under det utbrottet, flytande smält sten under marken (magma) byggde upp ett enormt tryck, och sedan utbröt i en lavaexplosion. Nedslaget var så intensivt att vulkanen kollapsade i en enorm bassäng som kallas en kaldera.

Det som hade varit en ö-vulkan, översvämmades sedan av havet, en händelse som anses vara delvis ansvarig för den minoiska civilisationens undergång.

Santorini Island blev ett populärt resmål med stora oceangående fartyg som seglade över kalderan. Byn Phira ligger på klippkanten av resterna av vulkanen.

Hur idylliskt det än ser ut, Santorini-vulkanen under havet utgör fortfarande den största vulkaniska faran för Europa, tillsammans med vulkanen Vesuvius i Italien.

Tandkräm snarare än fyrverkerier

Några hundra kilometer nordväst om Santorini, i Greklands Saroniska viken, mycket närmare Aten, en helt annan sorts "vulkan" ser mycket mindre dramatisk ut.

De små öarna i Egina, Methana och Poros har rundade kullar med vägar som slingrar sig uppför i hårnålsböjar. Dessa kullar har också vulkaniska härkomster - men de är ingenting som Santorini.

Här, flytande lava exploderade inte i ett stort utbrott.

"Det finns inga bevis för att stora dramatiska händelser någonsin ägde rum på dessa öar, " säger prof Marlina A. Elburg, en geologiforskare vid University of Johannesburg.

"Tjock blockig lava sipprade ut ur magmakammare under marken på dessa öar för mellan 5,3 och 2,6 miljoner år sedan, under Pliocen. Lavan var så tjock, det var mer som tandkräm eller kitt än vätska. Det bildade lavakupoler snarare än lavavulkaner.

"Efter några miljoner års vittring, de är väl kamouflerade kullar, men de anses fortfarande vara vulkaniskt aktiva, " hon säger.

Hur är det möjligt att vulkaner så nära i geologisk tid och rum kan bete sig annorlunda? Forskarna använde flera tekniker för att ta reda på det.

Hitta vulkaniska "fingeravtryck"

Elburg och medförfattaren Ingrid Smet, en Ph.D. kandidat vid den tiden, analyserade prover av lavorna i nya helstensanalyser, i forskning publicerad i Lithos .

Studien följde på deras tidigare forskning om lavorna vid Methana, även publicerad i Lithos .

De letade efter förhållandena mellan mycket specifika element i proverna, kallas isotopsignaturer. Isotopsignaturer fungerar på samma sätt som "fingeravtryck" för lavor - de hjälper forskare att ta reda på vad lavorna var gjorda av, var, och när de bildades.

"För det mesta matchade isotopsignaturerna vad man kan förvänta sig från där öarna ligger i den Egeiska vulkanbågen, säger Elburg.

Men det fanns också överraskningar.

Underjordisk återvinningsmaskin

Under alla dessa vulkaner i Aegina, Methana, Poros och Santorini, något annat pågår djupt inne i jordskorpan. Den Egeiska vulkanbågen löper ungefär från öst till väst under Medelhavet. Den här bågen är där den afrikanska tektoniska plattan "dyker under" den Egeiska mikroplattan.

Processen att "dyka under" kallas subduktion av geologer. Det betyder att en del av den svala yttre jordskorpan börjar röra sig under en annan del av jordskorpan, att "återvinnas" inuti den varma flytande stenen i jordens mantel.

öarna i Egina, Methana, Poros och Santorini är inte bara öar med vulkaner. Alla är en integrerad del av jordens "återvinningsmaskin" som hela tiden förnyar jordskorpan under planetens hav.

Detta väcker frågan:Varför har dessa öar så olika 'lavahistorier', även om alla är på kanten av den egeiska plattan?

En del av svaren har att göra med vad som går in i lava-"blandningarna" för vulkanerna.

Varierande lavamix-recept

Den afrikanska plattan "dyker under" Egeiska plattan i en havsgrav i Medelhavet. Detta sker mycket långsamt med några centimeter per år. Vilket betyder att den orörda kalla basalten från den nedåtgående afrikanska plattans skorpa har blötlagts i havsvatten i miljontals år innan den kommer in i den mycket varmare magman under den överordnade Egeiska plattan.

"Skorpan på den nedåtgående plattan består nu av förändrade stenar, som innehåller mineraler med vatten i. Dessa mineraler blir instabila under subduktion på grund av det ökande trycket och temperaturen, och släpper ut deras vatten, säger Elburg.

"Detta vatten sänker mantelns smältpunkt, liknande vad som händer när man tillsätter salt till is. Det är därför manteln under överkörningen börjar smälta. Det är detta smälta material, eller magma, som rinner/sipprar ut ur vulkaner/lavakupoler som lava."

En annan möjlig ingrediens i de olika lavorna är sediment i oceangraven vid subduktionszonen. Vid Egeiska bågen är den nedåtgående plattan täckt av en mycket tjock hög med havssediment. En del av sedimentet är tidigare kontinental skorpa.

Mycket av detta sediment "skrapas bort" när plattan subducerar och bildar en ackretionär (eller uppbyggnad) kil. Dock, en del av det går också ner i manteln och blandas med den smältande mantelkilen, hon säger.

Samma tallrik, olika lavor

Sedan Egina, Methana, Vulkanerna Poros och Santorini är alla en del av samma subduktionszon, den olika vulkaniska aktiviteten väcker flera stora frågor. En av dessa är:

Varför den tjocka blockiga lavan vid de västra vulkancentra Aegina, Methana och Poros för 2,5 till 2 miljoner år sedan, men flytande lava vid Santorini 3, 200 år sedan?

Svaren på detta skapar andra frågor om återvinningsbeteendet på planeten vi lever på.

Men subduktionszoner är knepiga att studera. Det är inte möjligt att gå till en av dessa och komma tillbaka med provmaterial. Forskare behöver fortfarande mer förståelse för vilken roll den överordnade plattan spelar; hur mycket växelverkan det finns mellan stigande magmas och skorpan de stiger upp genom; och om subduktionsrelaterade magma får sin geokemiska signatur från sedimentet som återvinns tillbaka till jorden, säger Elburg.

"Svaren på dessa frågor kan hjälpa oss att förstå i vilken utsträckning smältprocesserna som startade på mer än 100 kilometer djupt i manteln, fortsätta när magman är närmare jordens yta, " hon säger.

"Denna process av 'skorpförorening' är ännu en 'jordåtervinningsmaskin', vilket också kan påverka potentialen för malmfyndigheter – som i Anderna, där större kopparfyndigheter finns, och där denna "intrakrustal återvinning" anses spela en viktig roll".

Djupare vs grundare

Ett sätt att studera lavor är att sätta tunna skivor (kallade tunna sektioner) under ett mikroskop och identifiera mineralerna. Eftersom mineraler behöver olika förhållanden för att bildas, deras närvaro kan säga mycket om var och hur magma blandades.

I denna studie indikerade mineralerna att Santorini-lavor var mer flytande eftersom de bildades i grundare magmakammare, medan lavorna i det västra vulkaniska centrumet var tjockare och mer blockiga eftersom de bildades i djupare magmakammare.

"De tunna delarna av Santorini-lavorna visar pyroxener och betydande plagioklas. Detta indikerar att magman från vilken kristallerna bildades fanns på grunda djup i jorden, säger Elburg.

Och det finns en osynlig anledning till att magman låg på grundare djup på Santorini.

"Den tektoniska plattan ovanför Santorinis magmakammare dras isär. I geologiska termer, den är under lokaliserad förlängning. Och eftersom plattan sträcks ut och Santorini är mitt i den, Santorini råkar vara på den tunnaste delen av plattan.

"Med en magmakammare på ett grundare djup, taket faller in när kammaren börjar tömma sig under ett utbrott. Detta gör utbrottet ännu värre och skapar en kaldera, som på Santorini, " tillägger hon.

Inga explosioner

I kontrast, när de tittade på de tunna delarna av de tjocka blockiga lavorna från Aegina och Methana, de hittade hornblende. Mineralet saknades i Santorini-lavorna.

Hornblende kan bara bildas om magman är tillräckligt djup i jorden. Detta indikerar att magmakamrarna på Aegina och Methana bör vara belägna djupare än på Santorini.

"Med magmakamrarna på större djup för vulkanerna i västra Aegina-Methana-Poros, som skapar förändringar i lavan. Där grott sig inte magmakamrarna under lavakupolerna. Dessutom, kristalliseringen av amfibolmineralgruppen som inkluderar hornblende, gör magma mer trögflytande, eller klibbig. Så det är svårare för magman att komma upp till ytan i första hand.

Överdriven platta vs sediment

För att ta reda på om den överliggande plattan eller havssedimenten var den största faktorn för att skapa tjocka blockiga lavor, forskarna analyserade specifika "lavafingeravtryck". Dessa radiogena isotopförhållanden gav dem den bästa indikationen på vilka material som blandades in i den underjordiska magman för dessa lavor.

"Vi jämförde Santorini med Aegina-Poros-Methana lavor när det gäller deras geokemi på ⁸⁷ Sr/ ⁸⁶ Sr, ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd och ²⁰⁸ Pb/ ²⁰⁴ Pb. De var tydligt olika. Sedan genom att kombinera lavans radiogena isotopsignatur med spårelementförhållanden, vi lyckades peka ut det nedåtgående sedimentet som det största inflytandet som skapade tjocka blockiga lavor, inte den överordnade plattan.

Ingen lavastorlek

"Vi fann att Aegina och Methana-Poros har sina egna individuella vulkaniska historia, även om de är en del av den Egeiska bågen.

"Detta betyder att en enkel förklaring som passar alla, baserat på jordskorpans kontamineringshistorik, för skillnaden i eruptiv stil jämfört med Santorini fungerar inte.

"Modern subduction zones are not all alike. Even in one volcanic arc, more than one eruptive style points to differences in subduction processes, " concludes Elburg.