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Kristalle zeigen, warum manche Vulkane ausbrechen
Nicht jedes Magma, das sich unter einem Vulkan sammelt, erreicht die Erdoberfläche. Winzige Feldspatkristalle aus den Zentralanden zeigen nun eine auffallend einheitliche chemische Signatur in ausgebrochenen Schmelzen. Die Untersuchung deutet darauf hin, dass ein Zustrom heißen Magmas aus der Tiefe Ausbrüche häufig anstößt, während andere Magmamassen im Untergrund zurückbleiben.
St Lucia (Australien). Unter Vulkanen befindet sich kein einheitlicher See aus flüssigem Gestein. Stattdessen sammelt sich Magma in verzweigten Systemen aus Schmelze, Gasen und Kristallen, die verschiedene Tiefen der Erdkruste durchziehen können. Obwohl sich dort große Magmamengen ansammeln, erreicht oft nur ein Teil davon die Oberfläche.
Besonders häufig tritt an Vulkanbögen Andesit aus, ein Gestein mittlerer chemischer Zusammensetzung, das durch die Mischung unterschiedlicher Magmen entsteht. Die chemischen Spuren in Vulkankristallen können die Entwicklung solcher Magmasysteme sichtbar machen. Doch warum bestimmte Schmelzen ausbrechen und andere über lange Zeit in der Erdkruste verbleiben, ist noch nicht vollständig geklärt.
Forscher der University of Queensland (UQ) um Daniela Parra-Encalada haben nun Plagioklas untersucht, einen in vulkanischen Gesteinen häufig vorkommenden Feldspat. Dazu analysierte das Team insgesamt 28 Gesteinsproben aus sieben Vulkansystemen der Zentralanden entlang einer rund 230 Kilometer langen Strecke in Chile und Argentinien. Darunter waren auch zwei Proben eines älteren Ignimbrits, einer Ablagerung aus einem besonders großen explosiven Ausbruch.
Die Wissenschaftler unterschieden kleine, erst kurz vor dem Ausbruch entstandene Kristalle von größeren Kristallen, die schon längere Zeit in Magmareservoiren gewachsen waren. Mithilfe von Elektronenmikrosonden und Laseranalysen ermittelten sie die Konzentrationen verschiedener Elemente sowie die Strontium-Isotopenverhältnisse in den Kristallen. So ließen sich die chemischen Spuren unterschiedlicher Phasen der Magmaentwicklung miteinander vergleichen.
Dabei zeigte sich ein auffallend einheitlicher Wert in den jüngsten Kristallen aus den ausgebrochenen Andesit-Schmelzen. Ihr durchschnittlicher Anorthitanteil, ein Maß für den calciumreichen Bestandteil des Plagioklases, lag bei rund 61 Molprozent mit einer Standardabweichung von sieben Prozentpunkten. Dieses Muster trat bei Vulkanen unterschiedlichen Alters und Ausbruchstyps auf.
Im Inneren älterer, größerer Kristalle fand sich dagegen meist eine andere chemische Zusammensetzung. Ihre calciumärmeren Bereiche weisen auf die längere Kristallisation in stärker kieselsäurereichen Magmen hin, die unter den Vulkanen gespeichert blieben. Unterschiede in den Spurenelementen und Strontium-Isotopen zeigen zugleich, dass sich die Magmaspeicher über längere Zeit veränderten.
Die calciumreicheren Ränder der großen Kristalle und die jüngsten Kleinkristalle deuten hingegen auf den Zustrom heißeren, magnesiumreicheren Magmas aus tieferen Bereichen hin. Durch diesen Nachschub können ältere Schmelzen erneut erwärmt und vermischt werden, wodurch ein Teil des Magmas aufstiegsfähig wird. Das beobachtete Muster bezeichnet die Studie als Plagioklas-Eruptionsfeld.
Thermodynamische Modellrechnungen ordnen die Bildung der jüngsten Kristalle Temperaturen von etwa 900 bis 975 Grad Celsius und Tiefen von ungefähr elf bis 19 Kilometern zu. Die Werte sind modellierte Bedingungen und keine unmittelbar gemessenen Temperaturen oder Tiefen vor einzelnen Eruptionen. Sie stützen die Deutung, dass heißer Magmanachschub häufig einen entscheidenden Anstoß für Andesit-Ausbrüche gibt.
Anders sieht das Bild bei Gesteinen aus, die von früheren besonders voluminösen explosiven Eruptionen stammen. Deren Plagioklase zeigen überwiegend Merkmale einer längeren Kristallisation in vergleichsweise kühlen, kieselsäurereichen Magmen. Die charakteristischen Veränderungen an den Kristallrändern fehlen dort weitgehend, sodass heißer Magmanachschub nicht der wichtigste Auslöser ge