Omkring 1085 e.Kr. längs den södra kanten av norra Arizonas förhöjda Coloradoplatå, en vulkan bröt ut, evigt föränderliga forntida Puebloan förmögenheter och allt närliggande liv. Bland de 600 eller så vulkaner som sprider landskapet i San Franciscos vulkanfält, den här blåste. Det var det allra första (och sista) utbrottet för vad som kom att kallas Sunset Crater, passande namn efter sin mångfärgade, 1, 000 fot hög askekon.

I dag, ASU School of Earth and Space Exploration-forskaren Amanda Clarke och hennes team har arbetat med att lösa den mystiska grundorsaken till Sunset Crater-utbrottet och alla lärdomar för att bättre förstå hoten liknande vulkaner kan utgöra runt om i världen idag.

"Detta är en vanlig sak inom vulkanologi, att rekonstruera tidigare utbrott för att försöka förstå vad vulkanen eller regionen kan göra i framtiden, ", sa Clarke. "Vi gjorde fältarbetet och vi kombinerade data från en tidigare studie och använde några moderna tekniker för att sätta ihop historien."

Arbetar tillsammans med flera samarbetspartners, de har noggrant kartlagt varje spricka, utbrott, och uråldriga lavaflöden från Sunset Crater för att rekonstruera de kompletta stänkmönstren och geokemiska sammansättningar av alla utstötta material, eller tephra, från utbrottet.

Ett explosivt förflutet

"När du besöker webbplatsen, det finns dessa lavaflöden som är uppenbara, men också denna stora tefrafilt som sträcker sig långt bortom själva vulkaniska byggnaden, långt bortom ventilen, ", sa Clarke. "Mitt intresse väcktes först när jag lärde mig på en studieresa för många år sedan med den tidigare ASU-professorn Stephen Self, att Sunset Crater hade ett explosivt förflutet."

I en tidigare studie, Clarkes grupp visade först att den vulkaniska aktiviteten utvecklades i sju eller åtta distinkta faser:initiala sprickfaser, följt av mycket explosiva faser, och slutligen, låg explosivitet, avtagande faser. "Det är inte klart hur detta händer, men till sist, utbrottet satte sig på denna enda rörledning till ytan, och det är där mycket av vårt arbete hämtar berättelsen, sa Clarke.

Vid flera punkter under den explosiva fasen, himlen var fylld av basalt, aska upp till 20 till 30 km hög, vilket gör det till ett av de mest explosiva vulkanutbrotten i sitt slag som någonsin dokumenterats i världen.

"Folk i Winslow [100 km bort] skulle ha kunnat se det, " sa Clarke. För att ge en uppfattning om utbrottsstorleken, de mätte den totala volymen av utbrottsmaterial, eller 0,52 km ³ tät bergsekvivalent (DRE)—som, i jämförelse, visade sig likna volymen av det ökända Mount St. Helens-utbrottet 1980. "

Det var väldigt likt Mt. St. Helens när det gäller höjd och volym, " sa Clarke. "Du tror att de här sakerna som är askekottar kommer att bli något som Stromboli i Italien - en brandfontän på ett par hundra meter och folk kanske kan titta på den från sin terrass - men den här toppfasen var St. . Helens skala."

Mystisk magma

Men om varför det bröt ut, som har förblivit ett mysterium, tills nu. "Vetenskapsfrågan är hur dessa mer flytande magma beter sig som trögflytande magma, " sa Clarke. Studien, publicerad i tidningen Naturkommunikation var resultatet av ett samarbete mellan SESE Ph.D. alumnen Chelsea Allison (nu vid Cornell University) och forskaren Kurt Roggensack. "Chelsea var en doktorand som gjorde några innovativa analyser och Kurt har denna expertis inom petrologi och mer småskalig analys medan jag är mer av en fysisk vulkanolog; så det var där vi kom samman, sa Clarke.

Mätning av faktorerna som ledde till Sunset Crater-utbrottet 1, 000 år senare är en extremt svår uppgift eftersom gaserna som utgör magman vanligtvis flyr upp i himlen under utbrottet, för alltid förlorat i tiden. Men för att bättre rekonstruera det förflutna, gruppen har utnyttjat omfattande mikroanalyser från de allra minsta klumparna och bubblorna som är den bästa representationen av sammansättningen av magma från Sunset Crater före utbrottet, känd som smältinneslutningar. Roggensack är erkänd som en världsexpert inom innovativ smältinkluderingsanalys, speciellt i basalt magma.

Hur liten? Smältinneslutningar är mindre än en tusendels tum i diameter. De blir med tiden inbäddade i växande kristaller i magma-rörsystemet som bildas innan en vulkan får utbrott. "De har blivit befriade från magman i explosionen, sa Clarke.

De är som en kolsyra, läskblandning av instängd gas, frusna i tid från den omgivande magman när de kristalliserar, ändå kunna avslöja gassammansättningen och den hemliga historien om ett utbrott för så länge sedan.

Tänk på den basaltiska Sunset Crater som har en mer konsistens av lönnsirap jämfört med jordnötssmörsorten av rhyolitmagma från Mt. St. Helens. "Det är trögflytande magma som kan ha mycket vatten stoppat i sig, sa Clarke.

Vilka var förhållandena och ingredienserna som kunde leda till Sunset Crater-utbrottet?

"Det leder till de stora frågorna om vad det flyktiga innehållet i magman är eftersom det kommer att kontrollera explosiviteten, " sa Clarke. "För att svara på frågorna, du måste gräva ner djupt i VVS-systemet, och det är vad vi gjorde."

Clarkes grupp är bland de första att visa på betydelsen av koldioxid i vulkanutbrott, dels för att det inte var lätt att mäta från början. "Vi tror att det här utbrottet kunde ha pumpat ut en hel del koldioxid och även svaveldioxid i atmosfären, sa Clarke.

"Vatten är vanligtvis huvudkomponenten [som i Mt. St. Helens] men vad vi hittar vid solnedgången är att koldioxid är mycket rikligt och det tenderar att vara mer kritiskt i den djupare delen av systemet för att få magman att röra sig mot ytan. Vi tror att det spelade en stor roll i det här. Och koldioxiden kommer förmodligen från djupt in i manteln inom källområdet."

Smältinneslutningarna (MI) valdes specifikt för att ge ett representativt urval av strukturella egenskaper som observerades i Sunset Crater-utbrottet (t.ex. varierande bubbelvolymer, storlekar och former). Några av branschens verktyg som användes var mikroskop för att ge detaljerna om kristallisation och bubbelbildning för varje liten smältinneslutning liv, samt känsliga instrument för att mäta mängden flyktiga ämnen som fångas i det kylda glaset.

"Det kan berätta några av detaljerna i magmans sista ögonblick innan den släcktes."

Små bubblor

Med hjälp av en specialbyggd Raman-spektrometer vid ASU i LeRoy Eyring Center for Solid State Science (LE-CSSS), Chelsea Allison satte upp smältinklusionsanalysen där prover först exciteras med en blå safirlaser. Smältinneslutningar av hög kvalitet polerades och avbildades med ett petrografiskt mikroskop som förberedelse för Raman-analys.

Som en rysk docka, inbäddat inuti den lilla kristallen är denna lilla smälta inneslutning (nu glas), och sedan inuti smältinneslutningen finns en bubbla, och inuti bubblan finns koldioxid.

"Ramanspektroskopi kan användas för att mäta densiteten av koldioxid, och sedan från bubblans volym och täthet, du kan använda det för att beräkna en massa, ", sa Clarke. "Allison var tvungen att göra alla möjliga saker inklusive att skapa standarder för att säkerställa att det hon mätte var korrekt. Hon använde kända mängder koldioxid inuti små glasrör för att göra en kalibreringskurva."

"Folk brukade ignorera bubblorna, trodde att det inte fanns något viktigt inuti, men det visade sig att det nästan bara var koldioxid, " sa Clarke. "Vi har lagt till den koldioxiden inuti bubblan till magmans totala koldioxidbudget."

"Allt hänger ihop, för när du väl har volymerna av utbrottet, och det totala flyktiga innehållet i magman, du kan börja förstå hur mycket som kastades ut i atmosfären, och hur ser det ut jämfört med andra utbrott."

Det kom från djupet

Koldioxidgasfasen spelade en avgörande roll för att driva det explosiva utbrottet, med gasen lagrad i magman i Sunset Crater så djupt som 15 km under ytan.

"Vi tror att magma bubblade redan på 15 km djup, och det är inte vad folk vanligtvis tycker om magmasystem med dessa vulkaner. Det har visat sig tidigare att man har en bubbelfas. Och om du har ett system som redan är bubbligt och så djupt, det betyder att du kan ha en riktigt snabb uppstigning."

Fastän, inverkan av basaltisk vulkanism på det globala atmosfärssystemet är i stort sett okänd, denna höga koldioxid- och svavelhalt från utbrottet kunde också ha haft stor inverkan på atmosfären vid tidpunkten för utbrottet.

De jämförde också de magmatiska flyktiga ämnena vid Sunset Crater med de i explosiva calderabildande kiselutbrott som Bishop Tuff för att belysa skillnader i deras överflöd och sammansättning. Denna jämförelse antydde att den koldioxidrika fasen är ett kritiskt tillstånd före utbrottet som driver högexplosiva basaltutbrott.

Explosiva kiselutbrott, även om det fortfarande är mycket större i termer av utbrottsvolym, är bättre analogier till dynamiken i Sunset Crater-utbrottet. Två sådana historiska utbrott, utbrottet 1991 i Pinatubo (Filippinerna) och 1815 års utbrott av trachyandesite vid Tambora (Indonesien), resulterade i djupa atmosfäriska effekter.

Pinatubo-utbrottet, som hade betydande inverkan på det globala klimatet under tre år efter utbrottet, utbröt 10 gånger massan av magma (5 km ³ DRE) som Sunset Crater (0,5 km ³ DRE), men släppte ut bara ~3 gånger massan svaveldioxid. Tambora-utbrottet var ansvarigt för "året utan sommar", och medan det bröt ut ~60 gånger massan av magma (30 km ³ DRE) som Sunset Crater, det släppte bara ~9 gånger massan svaveldioxid.

Lärdomarna från Sunset Crater och dess typ av basaltisk vulkanism kan fortfarande informera oss idag.

"Nu kan vi fråga, är förhållandena som ledde till Sunset Crater-utbrottet verkligen så ovanliga?" sa Clarke. "Hur vanligt är det för oss att se en basaltisk askekon som vi tycker borde vara en mild, observerbara utbrott förvandlas till något som är mycket farligare för flygplan som flyger ovanför eller för människorna runt det? Vi kan börja tillämpa dessa koncept på aktiva system."

"Och kom ihåg, även om öppningen vid Sunset Crater inte kommer att bryta ut igen, San Francisco-fältet är fortfarande aktivt. Det blir nog ett annat utbrott där. Det kan vara var som helst, och förmodligen i den östra sektorn, men vi vet inte var och när. Det kan vara i en skala av tusentals år."