Szupervulkáni kitörés: mitől indul el?

A vulkanológia sok nagy kérdései közül talán az egyik leglényegesebb: mitől indul el egy vulkánkitörés? Mi az az erő, ami a mélyben lévő magmát a felszínre hozza? Ez minden kitörés esetében kulcskérdés, hiszen a fogható jelek ettől is függnek. Az elmúlt években ez a kérdés leginkább a legnagyobb kitörések, azaz a szupervulkáni kitörések esetében került előtérbe és most két frissen megjelent tudományos közlemény is ezt a kérdést célozta meg és jutott hasonló eredményre. Mindkét cikket a neves Nature Geoscience szakfolyóirat közölte: a Wim Malfait és Carmen Sanchez-Valle vezette kutatócsoport figyelemreméltó kísérleti munkával és mérési adatok alapján tett következtetést a hatalmas vulkánkitörések mélybeli elindító okára, a szintén svájci kutatóhelyen dolgozó Luca Caricchi és társai pedig matematikai modellezéssel járta körül a kérdést.
A fontos új tudományos eredmények ismertetése előtt azonban egy nem kevésbé lényeges pontosítást kell tennem:
A vulkanológia tudománya a szupervulkáni kitörést mint elnevezést végül, bár nem egyöntetűen és tapsolva, de elfogadta és azt a legnagyobb kitörésekre, azaz a több mint 1000 köbkilométer térfogatú vulkáni anyagot szolgáltató kitörésekre használja. Más a helyzet viszont a szupervulkán névvel. Ezt nem hogy NEM használjuk, de igyekszünk felhívni a figyelmet arra, hogy a médiában SE használják, mivel értelme nincsen. Nincs ugyanis olyan tűzhányó, ami "szuper" lenne (legfeljebb szuper szép :-))! Vannak olyan vulkáni rendszerek, amelyek képesek szupervulkáni kitörést produkálni, ezek alapvetően kiterjedt kalderák, de e mellett messze nem szupervulkáni kitörések is történhetnek ugyanitt. Erre a legjobb példa a sokat idézett Yellowstone. A három nagy kitörése (2,1 millió éve, 1,3 millió éve és 640 ezer éve) közül szigorúan véve csak az első és a harmadik nevezhető szupervulkáninak, a középső, úgynevezett Mesa Falls kitörés "csak" 280 köbkilométer vulkáni anyagot szolgáltatott. Ezek mellett még tucatnyi riolitos, sőt bazaltos lávaöntő kitörése is volt, azaz a Yellowstone sokszínű vulkáni működése közül csak 2 érte el a szupervulkáni minősítést. Nincs értelme tehát a Yellowstone-t szupervulkánnak nevezni, ahogy egyik tűzhányót sem!

A Yellowstone kaldera északkeleti része. Bár ez a vulkáni rendszer két szupervulkáni kitörést produkált, ez nem jelenti azt, hogy a Yellowstone szupervulkán lenne! Fotó: National Park Service

Mindenesetre vannak olyan területek a Földön, ahol a földkéreg mélyebb részein (8-20 km mélységben) kialakulhatnak hatalmas magmatározók, ahol a felhalmozódott magma akár szupervulkáni kitörést is okozhat. Mi tehát az elsődleges ok? A két kutatócsoport közleményét olvasva, talán kissé csalódást keltő lehet az eredmény: nem más, mint a sűrűségkülönbségből adódó felhajtóerő! Ez egy egyszerű fizikai törvény, miszerint ha egy test sűrűsége kisebb, mint a környezetének, akkor az igyekszik feljebb kerülni. Ez érthető mondjuk egy vizes közeg esetében, ahol a vízbe nyomott labda gyorsan a vízfelszínre kerül újra, de mi a helyzet akkor, amikor a közeg szilárd, sőt hatalmas nyomás alatt van? Mi van, ha ez a helyzet a földkéreg mélyebb részein áll elő? Ekkor a kis sűrűségű test felfelé ható nyomást fejt ki a fölötte lévő kőzettestre. 10 kilométer vastag, nehezen eltörő kőzettest azonban elég nagy ellennyomást fejt ki, ezért a helyzet ekkor korántsem egyszerű. Az elmozduláshoz egyrészt szükséges az, hogy jelentős legyen a sűrűségkülönbség, másrészt mindezt nagy térfogatú anyagnak kell ezt kifejtenie. Innentől kezdve pedig a történet már roppant izgalmas lehet!
A tudomány attól tudomány, mert igyekszik megfigyelésekkel, mérési adatokkal, ha kell akkor kísérletekkel, matematikai számításokkal megalapozni a következtetéseket és ezek alapján építhető fel egy modell, ami ha kiállja a későbbi tesztek próbáját, akkor fontos alapja lehet a gyakorlati alkalmazásnak is. Ez történt most is! Malfait és csapata a grenoble-i Európai Szinkrotron Röntgen Laboratóriumban (ESRF) végeztek kísérleteket. Miért pont itt? Azért mert, csak itt sikerült olyan körülményeket előállítani, azaz magas hőmérsékletet (1000-1700 Celsius fok) és nagy nyomást (0,9-3,5 GPa), ami jellemezheti a földkéreg mélyebb részeit, ahol a szupervulkáni kitörést megelőzően a kiterjedt magmatározók kialakulnak. Két volfrám-karbid satupofa közé tehát egy cseppnyi kőzetdarabot helyeztek, amit a magas hőmérsékleten megolvasztottak és különböző nyomás értékek mellet vizsgálták állapotát, mérték sűrűségét. A kőzetdarab összetétele riolitos volt, azaz a szupervulkáni kitörések anyagának megfelelő. Az olvadék sűrűségét röntgensugárzás átbocsátásával mérték az elnyelési kép alapján. A másik ok tehát ez volt, hogy csak ezzel a különleges módszerrel lehet ilyen körülmények között megmérni egy anyag sűrűségét.

Egy fantasztikus kísérlet: egy hatalmas magmatározó kísérleti szimulációja a grenoble-i ESRF laborban és az olvadék röntgensugarakkal való sűrűségmérése! Fotók: Blascha Faust és Nigel Hawtin, ESRF

Milyen eredményre jutott a kutatócsoport? Amennyiben kialakul egy kb. 7 tömegszázalék oldott vizet tartalmazó, nagy szilíciumdioxid-tartalmú, azaz riolitos kőzetolvadék 20-30 km mélységben, akkor annak sűrűsége 2,0-2,2 g/cm3, ami jóval alacsonyabb, mint a környező kőzeteké (ami 2,7 g/cm3 körüli). A sűrűségkülönbség megvan, most már csak a megfelelő térfogat szükséges ahhoz, hogy ez akkora nyomással járjon, ami meghaladja azt a kritikus értéket, ami ahhoz szükséges, hogy a magmatömeg feletti kőzettest szakítószilárdságát meghaladja és abban törések, repedések jöjjenek létre. Amennyiben ez bekövetkezik, akkor a magma felfelé nyomulhat és innentől kezdve nincs megállás. A feltörő magmából ugyanis a nyomáscsökkenés hatására kiválnak az oldott illóanyagok (pl. széndioxid és víz), ezzel a magmában gázbuborékok jelennek meg, amelyek tovább csökkentik a magma sűrűségét, mellesleg pedig a gázbuborék képződés térfogat-növekedéssel jár, ami további feszítő nyomást okoz. A végeredmény tehát az, hogy nincs megállás, irány a felszín, irány a szupervulkáni kitörés! A modellszámítások szerint 10-40 MPa túlnyomás szükséges ahhoz, hogy egy 20-30 km mélyen lévő kőzetolvadék elindulhasson. Ehhez legalább 8 km vastag magmás test szükséges, ami rendelkezik kis sűrűségű, elkülönült, azaz kitörésre alkalmas kőzetolvadékkal, azaz óriási térfogatú anyag!

Egy idealizált magmatározó, amelynek a felső részén különül el a kis sűrűségű riolitos kőzetolvadék, ami egyre nagyobb nyomást fejt ki, ami adott esetben elegendő lehet, hogy a kőzetolvadék a felszínre törjön! Fotó: Nigel Hawtin, ESRF

Röviden, mi kell ahhoz, hogy egy ilyen kis sűrűségű, nagy térfogatú kőzetolvadék előálljon? Ehhez az kell, hogy egy kiterjedt magmatömeg kristályosodjon, majd a kristályok között lévő, szilíciumgazdag maradékolvadék kipréselődve a magmatározó felső részén különüljön el, ahol megfelelő mennyiségben már elérheti azt a fizikai állapotot, ami a feltöréséhez elegendő. Mindehhez idő kell! Ahhoz nagyon sok, több tíz-, sőt több százezer év, hogy kialakulhasson egy több ezer köbkilométer térfogatú magmatározó, ami képes több mint 1000 köbkilométer mennyiségű maradékolvadékot produkálni. Ha azonban ez a rendszer felállt és már elindul a kritikus olvadéktömeg elkülönülése, akkor akár néhány évszázad alatt bekövetkezhet a kitörés. A szupervulkáni kitörések tehát nem túl gyorsak, nagyon hosszú idő kell, hogy eljusson oda a rendszer, ahol már valóban felgyorsulnak események!
Malfait és kutatócsoportjának új eredménye az, hogy egy szupervulkáni kitöréshez nem szükséges külső hatóerő, nem szükséges például egy újabb friss magmatömeg benyomulása a magmatározóba, hanem mindehhez elegendő a lassú kristályosodási folyamat, ami létrehozza a kitörésre képes, kis sűrűségű olvadéktömeget. Mi ennek a gyakorlati haszna? Egyrészt, a vulkán megfigyelés során le kell "nézni" a mélybe és jellemezni kell a magmatározó természetét. A kiterjedt, azaz szupervulkáni kitörésre elegendő mennyiségű magmát tartalmazó rendszerek esetében meg kell határozni a kristálypépben lévő kőzetolvadék mennyiségét és megadni ennek eloszlását. Ehhez nagy felbontású szeizmikus, azaz geofizikai kutatások kellenek. A szupervulkáni kitörés másik fontos előjele a növekvő mélybeli nyomás, aminek következtében a felszín emelkedik és ez ebben az esetben akár méteres nagyságrendű is lehet. A jó hír tehát az, hogy egy szupervulkáni kitörés előjele egyértelmű lehet, tehát fel lehet rá készülni. A másik jó hír, hogy egyelőre a Föld egyetlen területén nem ismerünk olyan helyszínt, ahol szupervulkáni kitörésre alkalmas kőzetolvadék tömeg tározódna!
A másik tanulmány nem kevéssé fontos következtetést hozott. Matematikai modellezéssel ők is arra jutottak, hogy a ritka szupervulkáni kitörések fő hajtóereje a sűrűségkülönbségen alapuló felhajtóerő, azonban a jóval gyakoribb, de még mindig pusztító erejű vulkánkitörések esetében friss magmabenyomulás okozza a magma feltörését. Ez más szemléletű vulkán megfigyelést igényel és mutatja azt, hogy bár most mindenki a szupervulkáni eredményekkel foglalkozik, azonban talán ezzel egyenrangú, sőt még fontosabb üzenet az, hogy a nagy ördög mellett lássuk meg a sok kicsi ördögfiókát is, akik ugyanolyan nagy bajt képesek előidézni, azaz kapjon médiafigyelmet a nem szupervulkáni kitörések okozói is, mert ezekkel többet kell majd foglalkoznunk a jövőben. Ehhez kíván hozzájárulni az MTA-ELTE Vulkanológiai Kutatócsoport szakember gárdája is, akik a szupervulkáni rendszerek vizsgálata mellett a kisebb vulkáni rendszereket is behatóan vizsgálja.