DE GEOCHEMIE VAN VULKANISCHE FLUÏDA: Van

DE GEOCHEMIE VAN VULKANISCHE FLUÏDA: Van magma tot kratermeer
Dmitri Rouwet
Maandag 11 oktober 2010 - 14.00 uur (cyclus B)
Binnen de Aardwetenschappen –Geologie- is veel terug te brengen tot de alles omkaderende
principes van de platentektoniek. Dat geldt ook voor vulkanen. Het meest voorkomende scenario
waar vulkanen voorkomen op Aarde is langs actieve plaatranden; daar waar twee platen uit mekaar
(divergeren), of naar mekaar toe bewegen (convergeren). Deze continu bewegende “puzzle” van
tektonische platen probeert zo de ronde oppervlakte van de Aarde van zijn gesteenten te voorzien:
convergerende platen vormen breuken en gebergteketens, genereren aardbevingen, en...
“vulkanische bogen”, divergerende platen creëeren lineaire spleten die opgevuld worden… met
magma. We kunnen zeggen dat vulkanen het “littekenweefsel” vormen die ervoor zorgen dat de
“ronde puzzle” steeds sluit.
Magma staat vooral bekend als gesmolten gesteente, gevormd in de mantel van de Aarde, met
silikaatmineralen als bouwblokken. Het is meer dan dat. Zonder de juiste hoeveelheid water binnen
de aardmantel, wat de smelttemperatuur van om het even welk materiaal doet verlagen, zou magma
niet gevormd kunnen worden. Buiten water (H2O), bevat onze “ademende” Aarde doorheen heel
haar diameter (12,742 km) vele gassen, ingesloten in de diepte van de Aarde sinds de vorming van
onze Planeet, zo’n 4.54 x 109 jaar geleden. Onder bepaalde druk- en temperatuursregimes in de
aardmantel, en met de juiste hoeveelheid water, smelt het gesteente op. Net dit process,
magmavorming, wordt bevorderd aan deze actieve plaatranden. Het gesmolten vloeibare product,
magma, is minder dens dan het zich omringende gesteente, en zoekt, door puur verschil in gravitaire
krachten, zijn weg naar het aardoppervlak. Gedurende honderdduizenden tot miljoenen jaren
worden op die manier onafhankelijke vulkanen gevormd. Let op de tijdschaal: het leven van een
vulkaan is slechts een microseconde vergeleken met de leeftijd van onze Aarde, en toch lijken
vulkanen voor ons zo onmenselijk oud.
Magma wordt lava zodra het aan de aardoppervlakte komt. Lava is ook vaak gedefinieerd als
“ontgast magma”. Dit houdt dus in dat magma ontgast tijdens haar opwaartse migratie doorheen de
aardmantel en –korst. Dat de Aarde ontgast op allerlei manieren is vaak moeilijk te vatten in ons
dagelijks leven. De Aarde ademt wel degelijk (uit). Het is misschien enkel zichtbaar in vulkanen
met een “open” krater (open-conduit), waar een constante waterdamp- en gaspluim uit opwaait (bvb
Etna, Stromboli, Mauna Loa, Popocatépetl, etc…) en vaak “vuurrode” lavastromen langs afdalen.
Deze open-conduit vulkanen, vensters in de ondiepe dieptes van de Aarde, komen frequent voor,
maar zijn vaak minder gevaarlijk voor de mensen die errond wonen. Het zijn zeker niet de enige
ontgassende vulkanen! Closed-conduit vulkanen zijn minstens zo veel voorkomend, en ook al zie je
het niet goed, ze ontgassen ook. Het magma onder closed-conduit vulkanen bevindt zich vaak op
grotere dieptes, waardoor de in het magma opgeloste gassen, door de hoge druk van het
bovenliggende gesteente (lithostatische druk), niet beetje bij beetje kunnen vrijkomen. Dit zorgt
voor een drukopbouw onder closed-conduit vulkanen, die slechts kan vrijkomen wanneer een
nieuw, vers, en dieper magma van onder wordt aangevoerd en duwt tot de “prop” weggeblazen
wordt door de té hoge gasdruk in het magma. Dit zorgt voor de meest explosieve en gevaarlijkste
erupties, ook al leek de vulkaan tot kort ervoor slechts een onschuldige berg (bvb Vesuvio,
Pinatubo, Mt. St. Helens, El Chichón, Chaitén). Net die erupties zijn het die schade aanbrengen,
mensenlevens in gevaar brengen en steden van de kaart vegen… net die erupties zouden we willen
voorspellen.
In ons dagelijks leven draait het concept “Aarde” vaak rond “het weer”. We denken niet aan wat er
van onder zou kunnen komen, maar… wat komt er van boven? Vulkanen interrageren met en
beïnvloeden wel degelijk de atmosfeer. Het is net die laatste stap, vooraleer magma lava wordt, die
voor vulkanologen hele theoriën en modellen kan laten instuiken. En het is vaak zo simpel als: de
zon schijnt, het regent, het waait, het is vochtig, dikke wolken, hoge druk of lage, warm of koud.
Ook vulkanen zijn gevoelig aan deze voor ons meer vatbare principes. Het sneeuwde lang geleden,
er was een gletsjer, het waaide uit het NW op 8 km hoogte, een vulkaan met vloeibaar ontgast
basaltisch magma vond het nog eens tijd om uit te barsten na 187 jaar. Of… hoe de impact van onze
atmosfeer op een in puur magmatische termen onschuldige eruptie afgelopen voorjaar een heel
continent platlegde: Eyjafjallajökull.
Hoe kunnen we de ontgassingsstaat van een magma afleiden door wat we aan de aardoppervlakte
kunnen detecteren? Want net daar ligt onze menselijke limiet: niemand kan op 10 km diepte zelf
gaan kijken hoe en wat er met het magma echt aan de hand is. In magma opgeloste gassen (CO2, H2,
de zwavelgassen SO2 en H2S, HCl, HF, de edelgassen He, Ne, en Ar, N2, CO, CH4, en natuurlijk het
meest aanwezige H2O) hebben elk hun specifieke oplosbaarheid in een bepaald type magma. Bij
drukverlaging in het magma, door opwaartse magmamigratie, gaat elk gas vrijkomen onder
specifieke drukcondities (dus diepte), elk om beurt in een welgekende volgorde, bvb: eerst He,
vervolgens CO2, dan SO2, later HCl. Ook al zien we geen lava, detecteren we zelfs geen fysische
beweging van magma (door seismologie of vervorming van de aardkorst), toch “zien” we het
magma bewegen. Gassen zijn lichter dan magma, en veel gevoeliger aan drukverschillen. Zien we
“het treintje” He-CO2-SO2-HCl passeren aan de oppervlakte, dan weten we bijna precies hoe
ontgast het magma is, en zelfs op welke diepte het zich bevindt, binnen een bepaalde periode van
observatie. Dat lijkt simpel, en zo is het vaak… voor de minder gevaarlijke open-conduit vulkanen.
Net als deze gassen bijna aan de oppervlakte zijn kunnen ze geabsorbeerd worden in water,
oppervlaktewaters, aquifers of simpelweg regenwater: “meteorisch water” in technische termen. Net
als een specifieke oplosbaarheid in magma, hebben deze gassen hun chemisch gedrag in water,
afhangende van de temperatuur, druk, pH, redox-condities en zoutgehalte van het water zelf. Dit
maakt het vulkanisch raadsel heel ingewikkeld, net op het laatste moment. Helaas is het vaak dát, en
slechts dát, wat vulkanologen aan de oppervlakte kunnen waarnemen. Zo zijn CO2, SO2, H2S, HCl,
HF zure gassen die de chemische samenstelling van een grondwater in een vulkaan sterk kunnen
veranderen. Het water absorbeert de zure gassen, wordt zelf zuur, en lost tegelijkertijd het
omringende gesteente op, waardoor het water sterk geladen wordt met kationen zoals Na, K, Ca,
Mg, Fe, Al, of zelfs schadelijke metalen zoals Cu, Pb, Zn, etc. Ook deze kationen hebben hun
specifiek gedrag in water, afhangende van temperatuur, pH en redox-condities. De typisch
vulkanische gassen worden getransporteerd in hete stoom, waardoor thermale waters in en rond
vulkanen ontstaan. Komt er te veel gas vrij dan het aanwezige grondwater kan absorberen binnen de
lokale fysico-chemische condities, dan kunnen er zelfs gasbubbels vrijkomen in zulke thermale
bronnen. Heel deze waterchemie van grondwaters in en rond vulkanen zet dus een “wazige bril” op
de neus van de vulkanologen. Toch brengt deze bril ook enkele voordelen met zich mee.
Dé ultieme manifestatie van water- en gaschemie van vulkanische grondwaters zijn kratermeren
(crater lakes). Daar waar in open-conduit vulkanen het uit de krater vrijkomende gas direct verloren
gaat aan de atmosfeer, en de vulkanoloog net daar moet zijn met meetapparatuur om het
“vulkanisch snapshot” niet te missen, worden gassen uit closed-conduit vulkanen met een
kratermeer in hun centrale krater systematisch geabsorbeerd in het meer, en… bewaard in de tijd.
Wanneer de dynamica van elk uniek kratermeer doorgrond is, kan dit heel nuttig worden binnen
monitoring programma’s van vulkanische activiteit. De meest actieve kratermeren zijn de zuurste,
zoutste en warmste oppervlaktewaters op Aarde. Daarenboven zijn crater lakes één van de meest
spectaculaire en fotogenieke natuurfenomen, waar ik jullie graag van wil laten meegenieten.
Mt. Etna, Sicilia-Italia (juli 2008). Een flankeruptie van een befaamde open-conduit vulkaan.
Poás, Costa Rica (april 2007). Het meest actieve kratermeer ter wereld, Laguna Caliente (links), en
het niet actieve kratermeer Laguna Botos op enkele honderden meters (rechts), binnen hetzelfde
closed-conduit vulkanisch complex van de Poás.