Intorno al 1085 d.C., lungo il bordo meridionale dell'altopiano del Colorado, nell'Arizona settentrionale, un vulcano eruttò, cambiando per sempre le antiche fortune dei Pueblo e tutta la vita vicina. Tra i circa 600 vulcani che punteggiano il paesaggio dei campi vulcanici di San Francisco, questo è esploso. Fu la prima (e ultima) eruzione di quello che divenne noto come Sunset Crater, giustamente chiamato per il suo multi-colore, 1, Cono di cenere alto 000 piedi.

Oggi, La scienziata della ASU School of Earth and Space Exploration Amanda Clarke e il suo team hanno lavorato per risolvere la misteriosa causa alla radice dell'eruzione del Sunset Crater e tutte le lezioni apprese per comprendere meglio le minacce che vulcani simili possono rappresentare in tutto il mondo oggi.

"Questa è una cosa comune in vulcanologia, ricostruire le eruzioni passate per cercare di capire cosa potrebbe fare il vulcano o la regione in futuro, " ha detto Clarke. "Abbiamo svolto il lavoro sul campo e abbiamo combinato i dati di uno studio precedente e utilizzato alcune tecniche moderne per mettere insieme la storia".

Lavorando al fianco di diversi collaboratori, hanno accuratamente mappato ogni fessura, deposito di eruzione, e l'antica colata lavica del Sunset Crater per ricostruire i modelli di splatter completi e le composizioni geochimiche di tutti i materiali espulsi, o tefra, dall'eruzione.

Un passato esplosivo

"Quando visiti il ​​sito, ci sono queste colate laviche che sono evidenti, ma anche questa grande coperta di tefra che si estende ben oltre l'edificio vulcanico stesso, ben oltre lo sfiato, "ha detto Clarke. "Il mio interesse è stato suscitato per la prima volta quando ho appreso durante una gita sul campo molti anni fa con l'ex professore dell'ASU Stephen Self, che Sunset Crater ha avuto un passato esplosivo."

In uno studio precedente, Il gruppo di Clarke ha mostrato per la prima volta che l'attività vulcanica si è sviluppata in sette o otto fasi distinte:fasi iniziali di fessura, seguite da fasi altamente esplosive, e infine, bassa esplosività, fasi calanti. "Non è chiaro come ciò accada, ma alla fine, l'eruzione si stabilì su questo unico condotto verso la superficie, ed è qui che gran parte del nostro lavoro riprende la storia, " ha detto Clarke.

In più punti durante la fase esplosiva, il cielo era pieno di basalto, cenere di cenere alta fino a 20-30 km, rendendola una delle eruzioni vulcaniche più esplosive del suo genere mai documentate al mondo.

"Le persone a Winslow [100 km di distanza] avrebbero potuto vederlo, " disse Clarke. Per dare un'idea delle dimensioni dell'eruzione, hanno misurato il volume totale del materiale eruttivo, o 0,52 km ³ equivalente roccia densa (DRE) - che, a confronto, si è rivelato simile al volume della famigerata eruzione del Monte Sant'Elena del 1980. "

Era molto simile a Mt. St. Helens in termini di altezza e volume, " ha detto Clarke. "Pensi che queste cose che sono coni di cenere saranno qualcosa come Stromboli in Italia - una fontana di fuoco di un paio di centinaia di metri e la gente potrebbe essere in grado di guardarla dalla loro terrazza - ma questa fase di picco era St . Scala di Helens."

Magma misterioso

Ma sul motivo per cui è scoppiato, che è rimasto un mistero, fino ad ora. "La domanda scientifica è come questi magmi più liquidi si comportano come magmi viscosi, " ha detto Clarke. Lo studio, pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura è stato il risultato di una collaborazione tra SESE Ph.D. l'alunna Chelsea Allison (ora alla Cornell University) e il ricercatore Kurt Roggensack. "Chelsea era uno studente laureato che ha fatto alcune analisi innovative e Kurt ha questa esperienza in petrologia e analisi più su piccola scala mentre io sono più un vulcanologo fisico; quindi è lì che ci siamo riuniti, " ha detto Clarke.

Misurare i fattori che hanno portato all'eruzione del Sunset Crater 1, 000 anni dopo è un compito estremamente difficile perché i gas che compongono il magma di solito sfuggono nel cielo durante l'eruzione, perso per sempre nel tempo. Ma per ricostruire meglio il passato, il gruppo si è avvantaggiato di approfondite microanalisi dai più piccoli blob e bolle che sono la migliore rappresentazione della composizione del magma dal Sunset Crater prima dell'eruzione, note come inclusioni di fusione. Roggensack è riconosciuto come un esperto mondiale nell'analisi innovativa dell'inclusione di fusione, soprattutto nei magmi basaltici.

Quanto è piccolo? Le inclusioni di fusione hanno un diametro inferiore a un millesimo di pollice. Si incastonano nel tempo all'interno dei cristalli in crescita del sistema idraulico di magma che si forma prima dell'eruzione di un vulcano. "Sono stati liberati dal magma nell'esplosione, " ha detto Clarke.

Sono come un frizzante, soda intruglio di gas intrappolato, congelati nel tempo dal magma circostante mentre si cristallizzano, eppure in grado di rivelare la composizione del gas e la storia segreta di un'eruzione tanto tempo fa.

Pensa al basaltico Sunset Crater che ha più di una consistenza di sciroppo d'acero rispetto alla varietà di burro di arachidi del magma di riolite del Monte St. Helens. "Sono magmi viscosi che possono contenere molta acqua, " ha detto Clarke.

Quali erano le condizioni e gli ingredienti che potevano portare all'eruzione del Sunset Crater?

"Ciò porta alle grandi domande su quale sia il contenuto volatile del magma perché controllerà l'esplosività, " disse Clarke. "Per rispondere alle domande, devi scavare in profondità nel sistema idraulico, ed è quello che abbiamo fatto".

Il gruppo di Clarke è tra i primi a mostrare l'importanza dell'anidride carbonica nelle eruzioni vulcaniche, in parte perché non era un compito facile da misurare in primo luogo. "Pensiamo che questa eruzione avrebbe potuto pompare una discreta quantità di anidride carbonica e anche anidride solforosa nell'atmosfera, " ha detto Clarke.

"L'acqua è solitamente il componente principale [come nel Monte Sant'Elena], ma quello che troviamo al tramonto è che l'anidride carbonica è molto abbondante e che tende ad essere più critica nella parte più profonda del sistema per far muovere il magma verso la superficie. Pensiamo che abbia giocato un ruolo importante in questo. E l'anidride carbonica probabilmente proviene dalle profondità del mantello all'interno dell'area di origine".

Le inclusioni di fusione (MIs) sono state scelte specificamente per fornire un campione rappresentativo delle caratteristiche strutturali osservate nell'eruzione del Sunset Crater (ad es. volumi di bolle variabili, dimensioni e forme). Alcuni degli strumenti del mestiere utilizzati erano i microscopi per dare vita ai dettagli della cristallizzazione e della formazione di bolle per ogni minuscola inclusione di fusione, così come strumenti sensibili per misurare la quantità di volatili intrappolati nel vetro temprato.

"Questo può dirci alcuni dettagli degli ultimi momenti del magma prima che si spegnesse".

Piccole bolle

Utilizzando uno spettrometro Raman su misura presso l'ASU nel LeRoy Eyring Center for Solid State Science (LE-CSSS), Chelsea Allison ha impostato l'analisi dell'inclusione del fuso in cui i campioni vengono prima eccitati utilizzando un laser blu zaffiro. Inclusioni di fusione di alta qualità sono state lucidate e riprese con un microscopio petrografico in preparazione per l'analisi Raman.

Come una bambola russa, annidata all'interno del piccolo cristallo c'è questa piccola inclusione fusa (ora vetro), e poi all'interno dell'inclusione del fuso c'è una bolla, e all'interno della bolla c'è l'anidride carbonica.

"La spettroscopia Raman può essere utilizzata per misurare la densità dell'anidride carbonica, e poi dal volume e dalla densità della bolla, puoi usarlo per calcolare una massa, " ha detto Clarke. "Allison ha dovuto fare tutti i tipi di cose, inclusa la creazione di standard per garantire che ciò che stava misurando fosse accurato. Ha usato quantità note di anidride carbonica all'interno di piccoli tubi di vetro per creare una curva di calibrazione".

"La gente ignorava le bolle, pensando che dentro non c'era niente di importante, ma si scopre che era quasi tutto anidride carbonica, " ha detto Clarke. "Abbiamo aggiunto quell'anidride carbonica all'interno della bolla al bilancio totale di anidride carbonica del magma".

"Che tutto si lega insieme, perché una volta che hai i volumi dell'eruzione, e il contenuto volatile totale del magma, puoi iniziare a capire quanto è stato espulso nell'atmosfera, e che aspetto ha rispetto ad altre eruzioni".

È venuto dal profondo

La fase gassosa di anidride carbonica ha svolto un ruolo fondamentale nel guidare l'eruzione esplosiva, con il gas immagazzinato nel magma del Sunset Crater fino a 15 km sotto la superficie.

"Pensiamo che il magma stesse ribollendo già a 15 km di profondità, e non è quello che la gente pensa tipicamente dei sistemi magmatici con questi vulcani. È stato dimostrato in precedenza che hai una fase di bolla. E se hai un sistema che è già frizzante e così profondo, significa che potresti avere un'ascesa davvero rapida."

Sebbene, l'impatto del vulcanismo basaltico sul sistema atmosferico globale è in gran parte sconosciuto, questo alto biossido di carbonio e zolfo dall'eruzione potrebbe anche avere avuto un grande impatto sull'atmosfera al momento dell'eruzione.

Hanno anche confrontato i volatili magmatici del Sunset Crater con quelli delle eruzioni siliciche esplosive che formano caldere come il Bishop Tuff per evidenziare le differenze nella loro abbondanza e composizione. Questo confronto ha suggerito che la fase ricca di anidride carbonica è una condizione pre-eruttiva critica che guida eruzioni basaltiche altamente esplosive.

Eruzioni siliciche esplosive, sebbene ancora molto più grande in termini di volume eruttato, sono migliori analogie con la dinamica dell'eruzione del Sunset Crater. Due di queste eruzioni storiche, l'eruzione del 1991 a Pinatubo (Filippine) e l'eruzione della trachiandesite del 1815 a Tambora (Indonesia), ha provocato profondi impatti atmosferici.

L'eruzione del Pinatubo, che ha avuto un impatto significativo sul clima globale per tre anni dopo l'eruzione, eruttò 10 volte la massa del magma (5 km ³ DRE) come Sunset Crater (0,5 km ³ DRE), ma ha rilasciato solo ~ 3 volte la massa di anidride solforosa. L'eruzione del Tambora fu responsabile dell'"anno senza estate", e mentre eruttava ~60 volte la massa di magma (30 km ³ DRE) come Sunset Crater, ha rilasciato solo ~ 9 volte la massa di anidride solforosa.

Le lezioni apprese dal Sunset Crater e dal suo tipo di vulcanismo basaltico potrebbero informarci ancora oggi.

"Ora possiamo chiedere, le condizioni che hanno portato all'eruzione del Sunset Crater sono davvero così insolite?" ha detto Clarke. "Quanto è comune per noi vedere un cono di cenere basaltica che pensiamo dovrebbe essere un dolce, un'eruzione osservabile si trasforma in qualcosa di molto più pericoloso per gli aerei che volano sopra di loro o per le persone intorno? Possiamo iniziare ad applicare questi concetti ai sistemi attivi".

"E ricorda, anche se la bocca del Sunset Crater non esploderà di nuovo, il campo di San Francisco è ancora attivo. Probabilmente ci sarà un'altra eruzione lì. Potrebbe essere ovunque, e probabilmente nel settore orientale, ma non sappiamo dove e quando. Potrebbe essere su una scala di migliaia di anni".