Οι υπερ-εκρήξεις είναι εξαιρετικά μεγάλες ηφαιστειακές εκρήξεις που εκτινάσσουν περισσότερα από 1.000 κυβικά χιλιόμετρα μάγματος, πετρωμάτων και τέφρας.
Συγκαταλέγονται στα πιο επικίνδυνα γεωλογικά φαινόμενα στη Γη και έχουν βαθύτατες επιπτώσεις στο περιβάλλον, το κλίμα και την ανθρώπινη κοινωνία.
Για τον λόγο αυτό, η κατανόηση των υπόγειων διεργασιών πίσω από τις υπερεκρήξεις είναι απαραίτητη για τη βελτίωση των εκτιμήσεων ηφαιστειακού κινδύνου και τον μετριασμό των απειλών.
Νέα μελέτη από την Κινεζική Ακαδημία Επιστημών
Τώρα, μια ερευνητική ομάδα από το Ινστιτούτο Γεωλογίας και Γεωφυσικής της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών (IGGCAS) ανέπτυξε ένα ολοκληρωμένο τρισδιάστατο γεωδυναμικό μοντέλο της δυτικής Βόρειας Αμερικής, το οποίο προσομοιώνει τη σημερινή δυναμική τόσο της λιθόσφαιρας όσο και του υποκείμενου μανδύα μεταφοράς, αποκαλύπτοντας έναν μηχανισμό παραγωγής μάγματος κάτω από τα υπερηφαίστεια.
Τα ευρήματά τους δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science στις 9 Απριλίου.
Τα υπερηφαίστεια —εκείνα που έχουν προκαλέσει υπερεκρήξεις στο γεωλογικό παρελθόν— παραδοσιακά θεωρείται ότι φιλοξενούν μακρόβιους μαγματικούς θαλάμους εντός του φλοιού, στους οποίους κυριαρχεί το υγρό στοιχείο.
Σύμφωνα με αυτή την υπόθεση, η συσσώρευση μάγματος χαμηλής πυκνότητας αυξάνει την πίεση εντός του θαλάμου, προκαλώντας τελικά τη θραύση του φλοιού, κατάρρευση και έκρηξη. Ωστόσο, πρόσφατες μελέτες υποδηλώνουν ότι τέτοιοι μόνιμοι μαγματικοί θάλαμοι απουσιάζουν από τα ενεργά υπερηφαίστεια παγκοσμίως.
Αντίθετα, τα στοιχεία δείχνουν ότι το μάγμα υπάρχει με τη μορφή μεγάλων, εκτεταμένων ζωνών μερικώς λιωμένου πετρώματος —γνωστών ως συστήματα “μαγματικού πολτού” (magma mush)— που εκτείνονται σε μεγάλο μέρος του εξωτερικού στρώματος της Γης (τη λιθόσφαιρα).
Από τους μαγματικούς θαλάμους στον “μαγματικό πολτό”: Μια νέα προσέγγιση
Η λιθόσφαιρα είναι το ψυχρό, δύσκαμπτο εξωτερικό στρώμα της Γης, το οποίο περιλαμβάνει ολόκληρο τον φλοιό και τον λιθοσφαιρικό μανδύα. Κάτω από αυτήν βρίσκεται η ασθενόσφαιρα, ένα όλκιμο στρώμα που ρέει αργά σε γεωλογικές χρονικές κλίμακες.
Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι το μάγμα που τροφοδοτεί τα υπερηφαίστεια προέρχεται από την ανώτερη ασθενόσφαιρα (τον μανδύα σε μικρό βάθος ακριβώς κάτω από τη λιθόσφαιρα), αν και ο μηχανισμός της μερικής τήξης παραμένει ασαφής.
Καθώς αυτό το τήγμα ανέρχεται στη λιθόσφαιρα, αλληλεπιδρά με τα γύρω στερεά πετρώματα, σχηματίζοντας έναν εξαιρετικά παχύρρευστο μαγματικό πολτό.
Το ενεργό ιξώδες αυτών των “πολτών” είναι τουλάχιστον αρκετές τάξεις μεγέθους υψηλότερο από εκείνο του υγρού μάγματος, αμφισβητώντας έτσι τον μηχανισμό που βασίζεται στην άνωση των υπαρχόντων μοντέλων υπερεκρήξεων.
Επιπλέον, αυτά τα συστήματα μαγματικού πολτού είναι κατανεμημένα διάχυτα σε όλη τη λιθόσφαιρα, σε πλήρη αντίθεση με τους εντοπισμένους μαγματικούς θαλάμους που προτείνονται στα παραδοσιακά μοντέλα.
Η περίπτωση του Yellowstone ως φυσικό εργαστήριο
Η καλντέρα του Yellowstone, ένα πασίγνωστο υπερηφαίστειο στη δυτική Βόρεια Αμερική, έχει προκαλέσει δύο υπερεκρήξεις τα τελευταία 2,1 εκατομμύρια χρόνια. Λειτουργεί ως ένα βασικό φυσικό εργαστήριο, με εκτεταμένα γεωλογικά, γεωφυσικά και πετρολογικά δεδομένα.
Προηγούμενες μελέτες δείχνουν ότι το Yellowstone φιλοξενεί ένα μακρόβιο, μεγάλης κλίμακας διαλιθοσφαιρικό σύστημα μαγματικού πολτού, το οποίο χαρακτηρίζεται από μια γεωμετρία με κλίση προς τα νοτιοδυτικά.
Ένα ρηχό μαγματικό σώμα πλούσιο σε υγρό —ανάλογο με τον κλασικό μαγματικό θάλαμο— φαίνεται να υπάρχει μόνο παροδικά πριν από τις εκρήξεις. Αν και αυτά τα ευρήματα παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για τη δομή και την εξέλιξη του μαγματικού συστήματος του Yellowstone, οι υποκείμενες γεωδυναμικές δυνάμεις παρέμεναν ασαφείς μέχρι τώρα.
Ο «μανδυακός άνεμος» και η παραγωγή μάγματος
Χρησιμοποιώντας το νέο τους μοντέλο, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι το μάγμα του Yellowstone, προέρχεται από την ασθενόσφαιρα σε μικρό βάθος και όχι από έναν βαθύ μανδύα (mantle plume).
Ένας ανατολικός “μανδυακός άνεμος”, ο οποίος καθοδηγείται από την υποβύθιση της πλάκας Φαράλον (Farallon) —υπολείμματα της οποίας βρίσκονται βαθιά κάτω από την κεντρική και ανατολική Βόρεια Αμερική— μεταφέρει θερμό ασθενοσφαιρικό υλικό προς την περιοχή του Yellowstone.
Σε αντίθεση με έναν ατμοσφαιρικό άνεμο, ο μανδυακός άνεμος είναι μια ευρεία, οριζόντια ροή θερμού, αργά κινούμενου πετρώματος εντός του μανδύα της Γης. Αυτό το υλικό με μεγάλη άνωση στη συνέχεια έλκεται προς τα κάτω κάτω από τη συμπαγή λιθόσφαιρα, όπου η επακόλουθη κάθετη έκταση προκαλεί σημαντική τήξη λόγω αποσυμπίεσης.
Αυτό το αποτέλεσμα αμφισβητεί την παραδοσιακή υπόθεση ότι το Yellowstone είναι η επιφανειακή έκφραση ενός βαθέος μανδυακού πίδακα που αναδύεται από το όριο πυρήνα-μανδύα.
Ο «διαμελισμός» της ηπειρωτικής λιθόσφαιρας
Ο μανδυακός άνεμος διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στη διαμόρφωση του διαλιθοσφαιρικού μαγματικού συστήματος του Yellowstone. Η προς ανατολάς μανδυακή ροή ασκεί μια οριζόντια ώθηση στη συμπαγή λιθοσφαιρική “ρίζα” της Βόρειας Αμερικής ανατολικά του Yellowstone, ενώ η λιθόσφαιρα με μεγάλη άνωση δυτικά του Yellowstone παράγει μια αντίρροπη δύναμη με δυτική κατεύθυνση.
Η συνδυασμένη επίδραση αυτών των δυνάμεων ουσιαστικά “σχίζει” την ηπειρωτική λιθόσφαιρα, δημιουργώντας έναν αγωγό με μορφή καναλιού και κλίση προς τα νοτιοδυτικά κάτω από το Yellowstone.
Αυτός ο αγωγός δημιουργεί ευνοϊκές συνθήκες για την άνοδο, τη μεταφορά και την εξέλιξη του μάγματος εντός της λιθόσφαιρας, ελέγχοντας έτσι τη γεωμετρία και τη μακροπρόθεσμη εξέλιξη του μαγματικού συστήματος του Yellowstone.
Οι προβλέψεις του μοντέλου συμφωνούν με ανεξάρτητες γεωφυσικές και γεωχημικές παρατηρήσεις. Η συγκεκριμένη μελέτη παρέχει, για πρώτη φορά, μια πιο ολοκληρωμένη εξήγηση για τον σχηματισμό των μαγματικών συστημάτων κάτω από τα υπερηφαίστεια, συνδέοντας την παραγωγή μάγματος στην ασθενόσφαιρα με τη συσσώρευσή του εντός της λιθόσφαιρας.
Επιπλέον, προσδιορίζει έναν φυσικό μηχανισμό για τη διατήρηση μακρόβιων, μεγάλης κλίμακας συστημάτων μαγματικού πολτού – ένα χαρακτηριστικό κοινό σε πολλά υπερηφαίστεια παγκοσμίως.