Behavior of volatiles in arc volcanism

Samenvatting
Het transport van chemische elementen via omhoogkomend magma is één van de
fundamentele processen in de kringloop van materie die gedreven wordt door subductie
langs convergerende plaatgrenzen. Het verkrijgen van kwantitatieve informatie over de
massabalans van vluchtige elementen wordt bemoeilijkt door hun complexe gedrag in
magmatische systemen. Dit proefschrift beschrijft de voornaamste mechanismen en omstandigheden die bepalend zijn voor de hoeveelheid en mobiliteit van vluchtige elementen
op het traject van magmabron tot vulkanische uitstoot.
Hiertoe is een gedetailleerd geochemisch en petrologisch onderzoek uitgevoerd met
de volgende doelstellingen: het bepalen van de oorsprong van vluchtige elementen, het
kwantificeren van de hoeveelheden in de subductiekringloop, het karakteriseren van de
aard van het transportmedium op de grens tussen de gesubduceerde (onderschuivende)
plaat en de overliggende mantel, het bepalen van de hoeveelheid vluchtige bestanddelen
in primitieve eilandboogmagma’s en hun gedrag tijdens de evolutie en het omhoogkomen
van magma, alsook hun invloed op de verdeling van sporenelementen, zowel tijdens het
smelten van de magmabron als tijdens ontgassing nabij het aardoppervlak.
Het onderzoeksgebied bestrijkt de Indonesische eilandbogen. Dit is een regio met
veel actieve vulkanen die zowel grote variaties in magmasamenstelling kennen, als verspreid zijn over sectoren met verschillende subductiekarakteristieken. Totaal- en in situ
analysetechnieken zijn toegepast op merendeels basaltische monsters van negen vulkanen
en resulteerden in een grote hoeveelheid meetgegevens. Deze bestaan uit de chemische
en isotopensamenstelling van lava’s en de chemische samenstelling van mineralen, glasinsluitsels en zouten geadsorbeerd aan vulkanische as van eruptiepluimen.
Uitvoerig bewijsmateriaal toont aan dat de mantel onder de eilandbogen is verrijkt met
zwavel door bijdragen van de subducerende plaat. De verrijking met zwaar zwavel (³⁴S)
van basaltische lava’s in Indonesië kan niet worden verklaard door veranderingen in de
isotopensamenstelling als gevolg van ontgassing alleen. Dit duidt erop dat magmabronnen
in de mantelwig zijn gemetasomateerd door materiaal dat verrijkt is met ³⁴S. Correlaties
met andere geochemische indicatoren, zoals Sr-, O- en H-isotopen, wijzen erop dat
aanzienlijke hoeveelheden zwavel van de subducerende plaat door waterige oplossingen
naar de bovenliggende mantelwig moeten zijn getransporteerd. Een belangrijke waarneming is dat de meeste zwavel af komstig is van gesubduceerde sedimenten. Onaf hankelijk
bewijs voor de verrijking met zwavel van de mantel onder eilandbogen wordt geleverd
door modelberekeningen aan het partieel smelten van mantelgesteenten.
De concentraties van zwavel en zwavelminnende elementen in primitieve eilandboogmagma’s zijn bepaald met behulp van glasinsluitsels in olivijn van de Galunggung-vulkaan
op Java. De gevonden concentraties kunnen niet worden verklaard door het smelten
van eenzelfde bron als waaruit mid-oceanische rugbasalten ontstaan, maar vereisen een
xi
Samenvatting
toevoeging van -1 % zwavel aan de magmabron door materiaal af komstig van het
subductieproces. Lood en mogelijk koper zijn ook aan de mantelwig toegevoegd, terwijl
de gehaltes aan andere zwavelminnende elementen (kobalt, nikkel) grotendeels worden
bepaald door de samenstelling van de mantel voorafgaand aan het subductieproces.
De systematiek in waterstof- en zuurstofisotopensamenstelling die basalten van de
vulkanen in Indonesië vertonen, verschaft aanvullende gegevens over de kringloop van
vluchtige bestanddelen in eilandbogen. De toevoeging van water aan de mantel onder
de eilandbogen geeft weliswaar aanleiding tot het smelten van mantelgesteente, maar de
grote smeltfracties die vereist zijn om de watergehaltes in eilandboogmagma’s te kunnen
verklaren, suggereren dat smelten door drukontlasting bijdraagt aan de vorming van
eilandboogmagma’s.
Ondanks de aanvankelijk hoge gehaltes aan vluchtige bestanddelen in eilandboogmagma’s zijn de gehaltes na eruptie laag, wat duidt op het verlies van aanzienlijke hoeveelheden
vluchtige bestanddelen tijdens ontgassing op geringe diepte. De hoge zwaveluitstoot tijdens
het begin van de erupties van de Galunggung-vulkaan in 1- suggereert dan ook
dat deze zwavel af komstig was van magma diep in de aardkorst. Deze veronderstelling
wordt ondersteund door de hoge zwavelconcentraties in primitieve glasinsluitsels die zijn
ontstaan voordat ontgassing plaatsvond. In tegenstelling tot zwavel moet het grootste deel
van het chloor direct af komstig zijn van uitgebraakt magma. Zwavel en chloor waren
dus grotendeels ontkoppeld tijdens ontgassing. Op vulkanische as geadsorbeerd materiaal
toont aan dat de eruptiepluimen van een belangrijk deel (tot  %) van hun vluchtige
bestanddelen zijn ontdaan. Gebruik van satellietwaarnemingen van eruptiepluimen zal
daarom de uitstoot van vluchtige bestanddelen onderschatten. De resultaten van de studie
aan de Galunggung vulkaan onderstrepen dat gegevens over vluchtige bestanddelen
af komstig van meerdere technieken samengevoegd moeten worden om de hoeveelheid
vluchtige elementen die wordt uitgestoten tijdens vulkaanerupties betrouwbaar te kunnen
schatten.
In deze studie is het zeldzame mineraal zirkonoliet voor de eerste keer waargenomen
in een eilandboogvulkaan. Aanwezigheid hiervan in opvullingen van ontgassingsholtes
in lava’s van de Lewotolo-vulkaan (op Lomblen eiland) is een belangrijke aanwijzing dat
bepaalde overgangsmetalen (HFSE), zeldzame aardmetalen (REE) en actiniden kunnen
worden gemobiliseerd in een magmatische omgeving op geringe diepte door processen
die door vloeistoffen aangedreven worden. De mobiliteit van deze groep elementen lijkt
zich te beperken tot kaliumrijke vulkanieten en intrusies, waarschijnlijk vanwege het
fluorrijke karakter van deze magmatische systemen. Ook het gezamenlijk voorkomen
van silica met zirkonoliet zou verklaard kunnen worden door deze fluorrijke omstandigheden, aangezien thermodynamische berekeningen voorspellen dat silica wordt afgezet
tijdens drukontlasting van SiF₄-houdende gassen. De bevindingen in deze studie van de
Lewotolo-vulkaan ondersteunen de hypothese dat HFSE-, REE- en actinidenhoudende
ertsafzettingen in eilandbogen voornamelijk ontstaan in de omgeving van kaliumrijke
magmahaarden.
xii