Eine Geschichte von zwei Arten von Vulkanen – einer, der teilweise für den Untergang einer Zivilisation verantwortlich ist

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Langweilig gegen Explosionen

Warum explodierte vor 3200 Jahren ein großer Vulkan am beliebten Reiseziel Santorini, aber nur wenige hundert Kilometer entfernt gab es kein Drama bei den Vulkanen auf den Inseln Ägina, Methana und Poros? Auf Santorin war die Explosion so heftig, dass der Vulkan in eine Caldera zusammenbrach und sich mit Meer füllte. Aber die anderen Inseln hatten kein solches Drama. Wie können sich Vulkane, die sich in geologischer Zeit und Raum so nahe befinden, so unterschiedlich verhalten? Forschungen der Universität Johannesburg verwenden Lava-Fingerabdrücke und mehr, um herauszufinden, warum. Bildnachweis: Prof. Marlina A. Elburg, Universität Johannesburg

Auf einer idyllischen Insel im Mittelmeer bedeckt der Ozean den Ort einer gewaltigen Vulkanexplosion vor 3200 Jahren. Ein paar hundert Kilometer nordwestlich haben drei andere Inseln noch ihre Vulkangeschichte von vor einigen Millionen Jahren größtenteils intakt. Keine Explosionen da. Warum also die Unterschiede zwischen der Caldera Santorini und den Lavakuppeln Aegina, Methana und Poros? Die Forscher nutzten vulkanische „Fingerabdrücke“ und Plattentektonik, um herauszufinden, warum.

Das Ende einer Zivilisation

Vor etwa 3200 Jahren explodierte ein großer Vulkan direkt neben der heutigen Insel Santorin in Griechenland. Während dieses Ausbruchs baute flüssiges geschmolzenes Gestein unter der Erde (Magma) einen immensen Druck auf und brach dann in eine Lavaexplosion aus. Der Aufprall war so heftig, dass der Vulkan in ein riesiges Becken namens Caldera einstürzte.

Was ein Inselvulkan gewesen war, wurde dann vom Ozean überrannt, ein Ereignis, das teilweise für den Untergang der minoischen Zivilisation verantwortlich war.

Santorini Island wurde zu einem beliebten Reiseziel mit großen Seeschiffen, die über die Caldera fuhren. Das Dorf Phira liegt am Rande der Überreste des Vulkans.

So idyllisch es auch aussieht, der Vulkan Santorini unter dem Ozean stellt zusammen mit dem Vesuv in Italien immer noch die größte Vulkangefahr für Europa dar.

Zahnpasta statt Feuerwerk

Ein paar hundert Kilometer nordwestlich von Santorini, im Saronischen Golf Griechenlands, viel näher an Athen, sieht eine ganz andere Art von „Vulkan“ viel weniger dramatisch aus.

Die kleinen Inseln Aegina, Methana und Poros weisen abgerundete Hügel mit Straßen auf, die sich in Haarnadelkurven bergauf schlängeln. Diese Hügel haben auch vulkanische Vorfahren – aber sie sind nichts wie Santorini.

Hier explodierte flüssige Lava nicht bei einem großen Ausbruch.

Lavarezepte

Warum vor 3200 Jahren eine große vulkanische Explosion am beliebten Reiseziel Santorini, aber nur wenige hundert Kilometer entfernt, kein Drama bei den Vulkanen auf den Inseln Ägina, Methana und Poros? Diese Inseln befinden sich am Rand derselben tektonischen Platte, so dass man ein ähnliches vulkanisches Verhalten erwarten kann. Aber sie haben individuelle Geschichten. Forschungen der Universität von Johannesburg befassen sich mit den Bestandteilen der Lavamischung und der Plattentektonik, um die Unterschiede herauszufinden. Bildnachweis: Frau Therese van Wyk, Universität Johannesburg

“Es gibt keine Hinweise darauf, dass auf diesen Inseln jemals große dramatische Ereignisse stattgefunden haben”, sagt Prof. Marlina A. Elburg, Geologieforscherin an der Universität von Johannesburg.

„Auf diesen Inseln sickerte vor 5,3 bis 2,6 Millionen Jahren während des Pliozäns dicke blockige Lava aus Magmakammern unter der Erde. Die Lava war so dick, dass sie eher Zahnpasta oder Kitt als Flüssigkeit ähnelte. Es bildeten eher Lavadome als Lavavulkane.

“Nach einigen Millionen Jahren Verwitterung sind sie gut getarnte Hügel, aber sie gelten immer noch als vulkanisch aktiv”, sagt sie.

Wie ist es möglich, dass sich Vulkane, die sich in geologischer Zeit und Raum so nahe befinden, unterschiedlich verhalten können? Die Forscher verwendeten verschiedene Techniken, um dies herauszufinden.

Suche nach vulkanischen Fingerabdrücken

Elburg und die damalige Doktorandin Ingrid Smet, Co-Autorin, analysierten Proben der Laven in neuen Ganzgesteinsanalysen Lithos.

Die Studie knüpfte an ihre früheren Forschungen zu den Laven in Methana an, die ebenfalls in veröffentlicht wurden Lithos.

Vulkan Mineral Hinweise

Warum explodierte vor 3200 Jahren ein großer Vulkan am beliebten Reiseziel Santorini, aber nur wenige hundert Kilometer entfernt gab es kein Drama bei den Vulkanen auf den Inseln Ägina, Methana und Poros? Dünne Abschnitte der Laven dieser vier Vulkane liefern einige der Gründe dafür. Einige Mineralien bilden sich nur in größeren Tiefen – und die Hornblende in der Lava der Insel Ägina weist darauf hin, dass die Magmakammern dort tiefer sind als die unter der Caldera von Santorin. Aber die Plattentektonik fügt noch einen weiteren, verborgenen Grund hinzu, der von der Universität Johannesburg untersucht wurde. Bildnachweis: Prof. Marlina A. Elburg, Universität Johannesburg

Sie suchten nach den Verhältnissen sehr spezifischer Elemente in den Proben, die als Isotopensignaturen bezeichnet werden. Isotopensignaturen funktionieren ähnlich wie „Fingerabdrücke“ für Laven – sie helfen Forschern herauszufinden, woraus die Laven gemacht wurden, wo und wann sie gebildet wurden.

„Die Isotopensignaturen stimmten größtenteils mit denen überein, die man von den Inseln im ägäischen Vulkanbogen erwarten würde“, sagt Elburg.

Aber es gab auch Überraschungen.

Unterirdische Recyclingmaschine

Unter all diesen Vulkanen in Ägina, Methana, Poros und Santorini ist tief in der Erdkruste etwas anderes los. Der ägäische Vulkanbogen verläuft ungefähr von Ost nach West unter dem Mittelmeer. In diesem Bogen taucht die afrikanische tektonische Platte unter die ägäische Mikroplatte.

Der Prozess des “Tauchens unter” wird von Geologen als Subduktion bezeichnet. Dies bedeutet, dass sich ein Teil der kühlen äußeren Erdkruste unter einem anderen Teil der Kruste bewegt und im heißen flüssigen Gestein des Erdmantels „recycelt“ wird.

Die Inseln Ägina, Methana, Poros und Santorini sind nicht nur Inseln mit Vulkanen. Sie alle sind ein wesentlicher Bestandteil der „Recyclingmaschine“ der Erde, die die Kruste unter den Ozeanen des Planeten immer wieder erneuert.

Dies wirft die Frage auf: Warum haben diese Inseln so unterschiedliche „Lavageschichten“, obwohl sie sich alle am Rand der Ägäisplatte befinden?

Einige der Antworten haben damit zu tun, was in die Lavamischungen für die Vulkane fließt.

Variable Lava-Mix-Rezepte

Die afrikanische Platte taucht unter der Ägäisplatte in einem ozeanischen Graben im Mittelmeer. Dies geschieht sehr langsam mit einigen Zentimetern pro Jahr. Dies bedeutet, dass der makellose kalte Basalt der absteigenden afrikanischen Plattenkruste seit Millionen von Jahren im Meerwasser eingeweicht ist, bevor er in das viel wärmere Magma unter der überragenden ägäischen Platte gelangt.

„Die Kruste der abfallenden Platte besteht jetzt aus veränderten Gesteinen, die Mineralien mit Wasser enthalten. Diese Mineralien werden während der Subduktion aufgrund des zunehmenden Drucks und der steigenden Temperatur instabil und setzen ihr Wasser frei “, sagt Elburg.

„Dieses Wasser senkt den Schmelzpunkt des Mantels, ähnlich wie beim Hinzufügen von Salz zum Eis. Deshalb beginnt der Mantel unter dem Overriding zu schmelzen. Es ist dieses geschmolzene Material oder Magma, das als Lava aus Vulkanen / Lavadomen fließt / sickert. “

Ein weiterer möglicher Bestandteil der unterschiedlichen Laven sind Sedimente im ozeanischen Graben in der Subduktionszone. Am Ägäischen Bogen ist die abfallende Platte von einem sehr dicken Haufen Ozeansedimente bedeckt. Ein Teil des Sediments ist eine ehemalige Kontinentalkruste.

Ein Großteil dieses Sediments wird „abgekratzt“, wenn die Platte subtrahiert und einen Akkretions- (oder Aufbau-) Keil bildet. Ein Teil davon geht jedoch auch in den Mantel und wird mit dem schmelzenden Mantelkeil vermischt, sagt sie.

Gleicher Teller, verschiedene Laven

Da die Vulkane Aegina, Methana, Poros und Santorini alle Teil derselben Subduktionszone sind, wirft die unterschiedliche vulkanische Aktivität mehrere große Fragen auf. Eines davon ist:

Warum die dicke blockige Lava in den westlichen Vulkanzentren Ägina, Methana und Poros vor 2,5 bis 2 Millionen Jahren, aber die flüssige Lava auf Santorin vor 3200 Jahren?

Die Antworten darauf werfen andere Fragen zum Recyclingverhalten des Planeten auf, auf dem wir leben.

Subduktionszonen sind jedoch schwierig zu untersuchen. Es ist nicht möglich, zu einem dieser Materialien zu gehen und einige Mustermaterialien zurückzugeben. Wissenschaftler müssen noch besser verstehen, welche Rolle die übergeordnete Platte spielt. Wie viel Wechselwirkung besteht zwischen aufsteigenden Magmen und der Kruste, durch die sie aufsteigen? und ob subduktionsbedingte Magmen ihre geochemische Signatur aus dem Sediment erhalten, das in die Erde zurückgeführt wird, sagt Elburg.

„Die Antworten auf diese Fragen können uns helfen zu verstehen, inwieweit die Schmelzprozesse, die in mehr als 100 Kilometern Tiefe im Mantel begonnen haben, fortgesetzt werden, wenn sich das Magma näher an der Erdoberfläche befindet“, sagt sie.

„Dieser Prozess der‚ Krustenverunreinigung ‘ist eine weitere ‚Erdrecyclingmaschine’, die auch das Potenzial für Erzvorkommen beeinflussen kann – wie in den Anden, wo große Kupfervorkommen gefunden werden und wo dieses‚ intrakrustale Recycling ‘eine Rolle spielt eine wichtige Rolle”.

Tiefer gegen flacher

Eine Möglichkeit, Laven zu untersuchen, besteht darin, dünne Scheiben (sogenannte Dünnschnitte) unter ein Mikroskop zu stellen und die Mineralien zu identifizieren. Da Mineralien unterschiedliche Bedingungen benötigen, um sich zu bilden, kann ihre Anwesenheit viel darüber aussagen, wo und wie Magmen gemischt wurden.

In dieser Studie zeigten die Mineralien, dass Santorini-Laven flüssiger waren, weil sie sich in flacheren Magmakammern bildeten, während die Laven des westlichen Vulkanzentrums dicker und blockiger waren, weil sie sich in tieferen Magmakammern bildeten.

„Die dünnen Abschnitte der Santorini-Laven weisen Pyroxene und signifikante Plagioklas auf. Dies weist darauf hin, dass sich das Magma, aus dem sich die Kristalle gebildet haben, in geringen Tiefen der Erde befand “, sagt Elburg.

Und es gibt einen unsichtbaren Grund, warum sich das Magma auf Santorin in flacheren Tiefen befand.

“Die tektonische Platte über Santorinis Magmakammern wird auseinandergezogen. In geologischer Hinsicht ist es unter lokaler Erweiterung. Und weil der Teller ausgestreckt wird und Santorini in der Mitte ist, befindet sich Santorini zufällig am dünnsten Teil des Tellers.

„Bei einer Magmakammer in geringerer Tiefe bricht das Dach ein, wenn sich die Kammer während eines Ausbruchs zu entleeren beginnt. Dies macht den Ausbruch noch schlimmer und schafft eine Caldera wie auf Santorin “, fügt sie hinzu.

Keine Explosionen

Im Gegensatz dazu fanden sie Hornblende, als sie die dünnen Abschnitte der dicken blockigen Laven aus Ägina und Methana betrachteten. Das Mineral fehlte in den Santorini Lavas.

Hornblende kann sich nur bilden, wenn das Magma tief genug in der Erde ist. Dies weist darauf hin, dass die Magmakammern auf Ägina und Methana tiefer liegen sollten als auf Santorin.

„Mit den Magmakammern in größeren Tiefen für die westlichen Aegina-Methana-Poros-Vulkane führt dies zu Veränderungen in der Lava. Dort brachen die Magmakammern unter den Lavakuppeln nicht ein. Zusätzlich macht die Kristallisation der Amphibolmineralgruppe, die Hornblende enthält, Magma viskoser oder klebriger. Daher ist es für das Magma schwieriger, überhaupt an die Oberfläche zu kommen.

Overriding Platte gegen Sediment

Um herauszufinden, ob die übergeordnete Platte oder die Ozeansedimente der größere Faktor bei der Erzeugung dicker, blockartiger Laven waren, analysierten die Forscher spezifische „Lava-Fingerabdrücke“. Diese radiogenen Isotopenverhältnisse gaben ihnen den besten Hinweis darauf, welche Materialien für diese Laven in die unterirdischen Magmen eingemischt wurden.

„Wir haben Santorini mit Aegina-Poros-Methana-Laven hinsichtlich ihrer Geochemie auf 87Sr / 86Sr, 143Nd / 144Nd und 208Pb / 204Pb verglichen. Sie waren deutlich unterschiedlich. Durch die Kombination der radiogenen Isotopensignatur der Laven mit den Spurenelementverhältnissen gelang es uns, das absteigende Sediment als den größten Einfluss zu identifizieren, der dicke blockige Laven erzeugt, nicht die übergeordnete Platte.

Niemand Lava Größe

“Wir haben festgestellt, dass Ägina und Methana-Poros ihre eigenen individuellen Vulkangeschichten haben, obwohl sie Teil des Ägäischen Bogens sind.

„Dies bedeutet, dass eine einfache, einheitliche Erklärung, die auf der Geschichte der Krustenverunreinigung basiert, für den Unterschied im Eruptionsstil im Vergleich zu Santorini nicht funktioniert.

„Moderne Subduktionszonen sind nicht alle gleich. Selbst in einem Vulkanbogen deuten mehr als ein Eruptionsstil auf Unterschiede in den Subduktionsprozessen hin “, schließt Elburg.

Verweise:

„Geochemie von Laven aus Ägina und Poros (Ägäischer Bogen, Griechenland): Unterscheidung zwischen Kontamination der oberen Kruste und Kontamination der Quelle im Gebiet des Saronischen Golfs“ von Marlina A. Elburg und Ingrid Smet, 10. Februar 2020, Lithos.
DOI: 10.1016 / j.lithos.2020.105416

“Extreme Isotopenvariation dokumentiert Extensionstektonik in Bogenmagmen aus Methana, Griechenland” von M.A. Elburg, I. Smet, P. Van den Haute, F. Vanhaecke, M. Klaver und T. Andersen, 31. August 2018, Lithos.
DOI: 10.1016 / j.lithos.2018.08.029

Die Forschung wurde durch die FWO-Zuschüsse G.0585.06N, G.0669.06 und 1509007N sowie das TransNational Access-Projekt 079-TNA3 von Europlanet finanziert.

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