Entgasung und Kristallisation beim Aufstieg dazitischer Magmen zur Erdoberfläche

Abstract

In der vorliegenden Studie wurden kinetische Prozesse beim experimentell simulierten Aufstieg dazitischer Magmen, den Eruptionsprodukten vom Vulkan Taapaca nachempfunden, untersucht. Der Schwerpunkt lag auf der Entgasung der wassergesättigten Proben und der mit dem resultierenden Anstieg der Liquidustemperaturen einhergehenden Kristallisation von Plagioklas. Desweiteren wurden enthaltene Amphibole auf eine mögliche Reaktion als Folge der Dekompression untersucht.

Die Entgasung während der Dekompression erfolgte bei einer Temperatur von 850°C in isothermen Dekompressionsraten von 6,3 bar/h bis 450 bar/h stets nahe an der Gleichgewichtskonzentration von Wasser, welche unabhängig durch Gleichgewichtsexperimente bestimmte wurde. So nehmen die Wassergehalte bei einer Dekompressionsrate von 50 bar/h von 4,93 Gew.-% bei 1550 bar zu niedrigeren Drücken kontinuierlich ab. Eine systematische Abhängigkeit von der Dekompressionsrate konnte für die Unterschiede in den jeweiligen Wassergehalten nicht gefunden werden.

Die Anpassung der residualen Glaszusammensetzung während der Dekompression wird vor allem von der für die Reaktionen zur Verfügung stehenden Zeit kontrolliert, wie die in dieser Studie eingeführten Größen “Reequilibrationsindex” (REI) und “-geschwindigkeit” (RES) zeigen: Experimente mit Dekompressionsraten von 21,4 bar/h erreichen eine weitgehendere Reequilibration als die schneller dekomprimierten Proben, obwohl die letztgenannten RES aufweisen, die auf eine bis zu 10-fach schnellere Reaktionskinetik hinweisen. Dies kompensiert nicht die wesentlich kürzere, für die Reaktionen zur Verfügung stehenden Zeiten.

Die Kristallisation von Plagioklas wurde (neben der Entgasung) als wichtigster Prozess während der Dekompression identifiziert. Weitere signifikante Reaktionen unter Beteiligung von Mineralen konnten nicht gefunden werden. Die Kristallrößenverteilungen (CSD) von Plagioklasen bei unterschiedlichen Dekompressionsraten unterscheiden sich signifikant bei 500 bar, wo langsamer dekomprimierte Proben eine steile CSD mit höheren Populationsdichten bei kleinen Kristallgrößenklassen erreichen. Bei 50 bar hingegen tritt dieser Unterschied nicht mehr auf. Wenngleich unterschiedliche Dekompressionsraten zur sehr ähnlichen CSDs bei geringen Drücken führen, so unterscheidet sich dennoch die Gewichtung mit welcher Keimbildung und Wachstum zur Kristallisation bei höheren Drücken im jeweiligen Experiment beitragen.

Die Zusammensetzungen der Plagioklase aus Dekompressionsexperimenten sind im Schnitt An-reicher als die jeweiligen Kristalle aus Gleichgewichtsexperimenten. Während in Gleichgewichtsexperimenten bei niedrigen Drücken ein Anstieg der K2O-Komponente beobachtet werden kann, so tritt dies in den Dekompressionsexperimenten nicht auf. Die Kristallzusammensetzungen von Dekompressions- und Gleichgewichtsexperimenten unterscheiden sich demnach signifikant.

In Amphibolen konnten keinerlei Reaktionen auf die Dekompression beobachtet werden. Die Zusammensetzungen der Amphibole bleibt konstant und es bilden sich keine Konzentrationsprofile von Kernen zu Rändern. Auch wurde keine Zerfallsreaktion vorgefunden, obwohl während der Dekompressionspexperimente das Stabilitätsfeld von Amphibol früh verlassen wurde.

Die Aufstiegsraten am natürlichen System des Vulkans Taapaca können anhand der vorliegenden Daten zur Entgasung, der Kristallisation von Plagioklas, sowie den Ergebnissen zu Amphibolen nicht eingegrenzt werden. Die Beobachtungen anhand von simulierten Dekompressionsraten von 6,3 bar/h bis 450 bar/h sind mit den natürlichen Proben vereinbar. Allerdings kann ein systematischer Fehler hier nicht ausgeschlossen werden, da sich das natürliche System vor der Eruption in einem Ungleichgewichtszustand befindet, der mittels der Experimente nicht rekonstruiert werden konnte.

Darüber hinaus wurden Wasserlöslichkeiten in der dazitischen Schmelze bei 1000 bis 1250°C und 250 bis 2500 bar bestimmt. Bei 1200°C steigen die Wasserlöslichkeiten von 1,6 Gew.-% bei 250 bar auf 6,5 Gew.-% bei 2500 bar an. Mit steigenden Temperaturen nimmt die Wasserlöslichkeit bei konstantem Druck ab. Bei 1 kbar von 4,3 Gew.-% bei 1000°C auf 3,3 Gew.-% bei 1250 C, bei 2 kbar von 6 Gew.-% auf 5,5 Gew.-% im gleichen Temperaturintervall.