Von der Dynamik eines Magma-Reservoirs und Sauerstoffisotopen in Quarz

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Der Quarz ist in magmatischen Gesteinen mit hohem Siliziumgehalt ein sehr häufiges Mineral. In einer Fallstudie hat nun ein internationales Wissenschaftler-Team die Brauchbarkeit von Quarz als Tracer (ein geochemischer Marker) für magmatische Prozesse untersucht, die vor einer Eruption stattgefunden haben. Als Untersuchungsobjekt wählten sie dafür den Toba Vulkan in Indonesien, der nach einer Theorie mit seinem Ausbruch vor 75 000 Jahren die Menschheit beinahe ausgelöscht hätte.

Karte des Nordens von Sumatra, wo die Toba-Caldera liegt. Der Rote Rahmen kennzeichnet den Ort des Batak Tumors, der Blaue die Lokation der Toba Caldera. Die Sterne kennzeichnen die Herkunft der genommenen Proben (Bild (bearbeitet): GeoMapApp; www.geomapapp.org).

Am 25. Januar 2017 veröffentlichte ein Internationales Team von Wissenschaftler eine Studie, in der ein besonderes Augenmerk auf die kleinsten chemischen Veränderungen in Kristallen gelegt wurde. Die besagten Kristalle stammen aus Lavaproben von dem Toba-Vulkan im Norden Sumatras in Indonesien, der bereits dreimal ausbrach, bevor eine Eruption vor 75 000 Jahren ihm den Titel „Supervulkan“ einbrachte. Auch die Gesteinsproben (vorrangig Tuffe) der neuen Studie stammen von dieser letzten Eruption.

Was war das Ziel der Studie?

Das Ziel der Studie war, durch Untersuchung chemischer Variationen in der Sauerstoffisotopie in Quarz zu belegen, dass Quarz genauso gut oder sogar besser als das Mineral Zirkon dazu geeignet ist, magmatische Ereignisse zu beschreiben, die vor einer Eruption stattgefunden haben. Zirkon wird dabei häufig als Analysematerial verwendet, da es sehr langlebig und verwitterungsresistent ist. Quarzkristalle wiederum können sehr viel größer werden als Zirkone und reagieren bei Magmatemperaturen (ca. 800 °C) ebenfalls stärker auf wechselnde Sauerstoffisotopien. Deswegen war anzunehmen, dass es wesentlich einfacher ist, für Quarze ein detailliertes Isotopen-Profil zu erstellen, welches Veränderungen in der Chemie bei dem Kristallwachstum wiederspiegelt.

 

Was für Veränderungen sind gemeint?

Die Messungen der Wissenschaftler bezogen sich vor allem auf Sauerstoff-Atome in Quarzkristallen, die unterschiedliche Isotopien aufweisen können. Die Isotope stellen dabei Atome des gleichen Elements dar, die eine unterschiedliche Anzahl von Neutronen in ihrem Atomkern aufweisen. Atome mit vielen Neutronen stellen hierbei schwerere Isotope dar als Atome mit weniger Neutronen.

Da von der Mitte nach Außen hin in den Quarzkörnern unterschiedliche Anteile an den verschiedenen Isotopen gemessen wurden, spricht man von einer Isotopenzonierung. In diesem Fall stellte die wichtigste Messmethode die Sekundär-Ionen-Massenspektrometrie (SIMS) dar, bei der (vereinfacht erklärt) die Probe mit Ionen beschossen und wird und die dabei entstehenden geladenen Teilchen detektiert und anschließend analysiert werden.

 

Ergebnisse?

Die Analyseergebnisse mit Hilfe der SIMS-Methode zeigen, dass 40% der analysierten Quarzkörner nach außen hin einen höheren Anteil an leichten Isotopen besitzen als Innen. Dies bedeutet, dass am Anfang des Kristallwachstums die Chemie in dem Magma eine andere gewesen sein muss.

Isotopenzonierungen in Zirkon (Foto: Budd et. al., 2017)

Wie wurden die Ergebnisse interpretiert?

Nach vielen Versuchen und Überlegungen hat das Team die Beobachtungen wie folgt interpretiert: Das Magma-Reservoir, welches in der Erdkruste „steckte“, assimilierte durch seine hohe Temperatur Teile ebenjener Kruste. Da die Kruste einen relativ hohen Anteil an schweren Isotopen besitzt, sind die schon vorhandenen Quarze in dem Magma nicht zoniert. Über dem Reservoir lag jedoch zusätzlich ein Teil der schon von vorherigen Ausbrüchen vorhandenen Vulkanstruktur, der mit der Zeit vor allem durch Einfluss von Wasser chemisch verändert wurde. Durch diese sogenannte „hydrothermale Alteration“ wurde der Anteil an schweren Sauerstoffisotopen in diesem Gestein stark verringert. Wenn nun also dieses Gestein in das Magma-Reservoir gelangt, wird es entweder ganz oder teilweise aufgeschmolzen und verändert die Gesamtchemie in dem Reservoir. Dies ist jedoch nicht alles; dadurch, dass das Gestein viele wasser- und gasführende Blasen enthält, kann es in der Kammer schnell zu einem Überdruck kommen, der zu einer Eruption führt. Bevor die Quarze anfangen konnten, große Mengen der leichten Sauerstoffisotope in ihre Kristallstruktur einzubauen, brach der Vulkan aus. Die Magmakammer existierte anschließend allerdings noch weiterhin und assimilierte weiter alteriertes Dachgestein, wodurch die Quarze während ihres Wachstums eine andere Isotopensignatur erhielten. Dies sind die 40% der Quarzkörner, die in einem etwas späteren Vulkanausbruch an die Oberfläche gelangten und in der Analyse der Wissenschaftler deutliche Zonierungen zeigen.

Konzeptskizze der Isotopenstratigraphie in Quarz und der Dynamik in Magma-Resevoirs. Zunächst wurde ein Teil der Kruste, dann hydrothermal alteriertes Gestein assimiliert. (Bild: Budd et. al. 2017)

Gehen wir also noch einmal einen Schritt zurück und betrachten die Ausgangslage der Studie: Ziel der Studie war es zu prüfen, ob sich Quarz als Tracer für chemische Prozesse in magmatischen Reservoirs eignet. Guckt man sich die aussagekräftigen Ergebnisse an, ist wohl ein deutliches „Ja“ dazu angebracht.

 

Quelle: Budd, D. A. et al. Magma reservoir dynamics at Toba caldera, Indonesia, recorded by oxygen isotope zoning in quartz. Sci. Rep. 7, 40624; doi: 10.1038/srep40624 (2017).

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