Vers 1085 après JC, le long du bord sud du plateau élevé du Colorado dans le nord de l'Arizona, un volcan est entré en éruption, changeant à jamais les anciennes fortunes Puebloan et toute la vie à proximité. Parmi les quelque 600 volcans qui parsèment le paysage des champs volcaniques de San Francisco, celui-ci a soufflé. C'était la toute première (et dernière) éruption de ce qui allait être connu sous le nom de Sunset Crater, bien nommé pour son multicolore, 1, Cône de cendres de 1 000 pieds de haut.

Aujourd'hui, Amanda Clarke, scientifique de l'ASU School of Earth and Space Exploration, et son équipe ont travaillé pour résoudre la mystérieuse cause profonde de l'éruption du Sunset Crater et toutes les leçons apprises pour mieux comprendre les menaces que des volcans similaires peuvent poser dans le monde aujourd'hui.

"C'est une chose courante en volcanologie, reconstruire les éruptions passées pour essayer de comprendre ce que le volcan ou la région pourrait faire à l'avenir, " a déclaré Clarke. " Nous avons fait le travail sur le terrain et nous avons combiné les données d'une étude précédente et utilisé des techniques modernes pour mettre l'histoire ensemble. "

Aux côtés de plusieurs collaborateurs, ils ont minutieusement cartographié chaque fissure, dépôt d'éruption, et l'ancienne coulée de lave du Sunset Crater pour reconstruire les modèles d'éclaboussures complets et les compositions géochimiques de tous les matériaux éjectés, ou téphra, de l'éruption.

Un passé explosif

"Lorsque vous visitez le site, il y a ces coulées de lave qui sont évidentes, mais aussi cette grande couverture de téphra qui s'étend bien au-delà de l'édifice volcanique lui-même, bien au-delà de l'évent, " a déclaré Clarke. " Mon intérêt a été piqué pour la première fois lorsque j'ai appris lors d'une excursion sur le terrain il y a de nombreuses années avec l'ancien professeur de l'ASU Stephen Self, que Sunset Crater avait un passé explosif."

Dans une étude précédente, Le groupe de Clarke a d'abord montré que l'activité volcanique s'est développée en sept ou huit phases distinctes :phases de fissures initiales, suivi de phases hautement explosives, et enfin, faible explosivité, phases décroissantes. "On ne sait pas comment cela se passe, mais éventuellement, l'éruption s'est installée sur cet unique pipeline jusqu'à la surface, et c'est là qu'une grande partie de notre travail reprend l'histoire, " dit Clarke.

A plusieurs moments de la phase explosive, le ciel était rempli de basaltique, cendres de cendres jusqu'à 20 à 30km de haut, ce qui en fait l'une des éruptions volcaniques les plus explosives du genre jamais documentées dans le monde.

"Les gens de Winslow [à 100 km] auraient pu le voir, " dit Clarke. Pour donner une idée de la taille de l'éruption, ils ont mesuré le volume total de matériel d'éruption, ou 0,52 km ³ équivalent de roche dense (DRE)—qui, par comparaison, s'est avéré être similaire au volume de la tristement célèbre éruption du mont St. Helens en 1980. "

C'était très similaire au mont St. Helens en termes de hauteur et de volume, " a déclaré Clarke. "Vous pensez que ces choses qui sont des cônes de cendres vont être quelque chose comme Stromboli en Italie - une fontaine à feu de quelques centaines de mètres et les gens pourraient être en mesure de le regarder depuis leur terrasse - mais cette phase de pointe était St. . Échelle d'Helens."

Magma mystérieux

Mais quant à pourquoi il a éclaté, qui est resté un mystère, jusqu'à maintenant. "La question scientifique est de savoir comment ces magmas plus liquides se comportent comme des magmas visqueux, " a déclaré Clarke. L'étude, publié dans la revue Communication Nature est le résultat d'une collaboration entre SESE Ph.D. l'ancienne Chelsea Allison (maintenant à l'Université Cornell) et le chercheur Kurt Roggensack. « Chelsea était un étudiant diplômé qui a fait des analyses innovantes et Kurt a cette expertise en pétrologie et en analyse à plus petite échelle alors que je suis plus un volcanologue physique ; c'est donc là que nous nous sommes réunis, " dit Clarke.

Mesurer les facteurs qui ont conduit à l'éruption du Sunset Crater 1, 000 ans plus tard est une tâche extrêmement difficile car les gaz qui composent le magma s'échappent généralement dans le ciel lors de l'éruption, perdu à jamais dans le temps. Mais pour mieux reconstruire le passé, le groupe a tiré parti de microanalyses approfondies des plus petites gouttes et bulles qui sont la meilleure représentation de la composition du magma du Sunset Crater avant l'éruption, connu sous le nom d'inclusions fondues. Roggensack est reconnu comme un expert mondial dans l'analyse innovante des inclusions fondues, surtout dans les magmas basaltiques.

Comment petit? Les inclusions de fonte font moins d'un millième de pouce de diamètre. Ils s'incrustent dans le temps dans les cristaux en croissance du système de plomberie magmatique qui se forme avant l'éruption d'un volcan. "Ils ont été libérés du magma dans l'explosion, " dit Clarke.

Ils sont comme un pétillant, décoction de soude de gaz piégé, figés dans le temps du magma environnant au fur et à mesure de leur cristallisation, encore capable de révéler la composition du gaz et l'histoire secrète d'une éruption il y a si longtemps.

Pensez au cratère basaltique Sunset Crater ayant plus la consistance du sirop d'érable que la variété de beurre d'arachide du magma rhyolite du mont St. Helens. "Ce sont des magmas visqueux qui peuvent contenir beaucoup d'eau, " dit Clarke.

Quelles étaient les conditions et les ingrédients qui ont pu conduire à l'éruption du Sunset Crater ?

"Cela conduit aux grandes questions de savoir quel est le contenu volatil du magma parce que cela va contrôler l'explosivité, " dit Clarke. " Pour répondre aux questions, vous devez creuser profondément dans le système de plomberie, et c'est ce que nous avons fait."

Le groupe de Clarke est parmi les premiers à montrer l'importance du dioxyde de carbone dans les éruptions volcaniques, en partie parce que ce n'était pas une tâche facile à mesurer en premier lieu. "Nous pensons que cette éruption aurait pu pomper une bonne quantité de dioxyde de carbone et aussi de dioxyde de soufre dans l'atmosphère, " dit Clarke.

"L'eau est généralement le composant principal [comme au mont St. Helens], mais ce que nous constatons à Sunset, c'est que le dioxyde de carbone est très abondant et qu'il a tendance à être plus critique dans la partie la plus profonde du système pour faire avancer le magma vers la surface. Nous pensons que cela a joué un grand rôle dans cela. Et le dioxyde de carbone vient probablement des profondeurs du manteau dans la zone source. "

Les inclusions fondues (IM) ont été spécifiquement choisies pour fournir un échantillon représentatif des caractéristiques de texture observées dans l'éruption du Sunset Crater (par exemple, volumes de bulles variables, tailles et formes). Certains des outils du commerce utilisés étaient des microscopes pour donner vie aux détails de la cristallisation et de la formation de bulles pour chaque minuscule inclusion fondue, ainsi que des instruments sensibles pour mesurer la quantité de substances volatiles piégées dans le verre trempé.

"Cela peut nous dire certains des détails des derniers instants du magma avant qu'il ne soit éteint."

Petites bulles

À l'aide d'un spectromètre Raman construit sur mesure à l'ASU dans le LeRoy Eyring Center for Solid State Science (LE-CSSS), Chelsea Allison a mis en place l'analyse des inclusions fondues dans laquelle les échantillons sont d'abord excités à l'aide d'un laser bleu saphir. Des inclusions fondues de haute qualité ont été polies et imagées avec un microscope pétrographique en vue de l'analyse Raman.

Comme une poupée russe, niché à l'intérieur du petit cristal se trouve cette petite inclusion fondue (maintenant du verre), puis à l'intérieur de l'inclusion fondue se trouve une bulle, et à l'intérieur de la bulle se trouve du dioxyde de carbone.

"La spectroscopie Raman peut être utilisée pour mesurer la densité du dioxyde de carbone, puis à partir du volume et de la densité de la bulle, vous pouvez l'utiliser pour calculer une masse, " a déclaré Clarke. "Allison a dû faire toutes sortes de choses, y compris créer des normes pour s'assurer que ce qu'elle mesurait était précis. Elle a utilisé des quantités connues de dioxyde de carbone à l'intérieur de petits tubes de verre pour faire une courbe d'étalonnage."

"Les gens ignoraient les bulles, pensant qu'il n'y avait rien d'important à l'intérieur, mais il s'avère que c'était presque entièrement du dioxyde de carbone, " a déclaré Clarke. " Nous avons ajouté ce dioxyde de carbone à l'intérieur de la bulle au bilan total de dioxyde de carbone du magma. "

" Que tout s'enchaîne, car une fois que vous avez les volumes de l'éruption, et le contenu volatil total du magma, vous pouvez commencer à comprendre combien a été éjecté dans l'atmosphère, et à quoi cela ressemble-t-il par rapport à d'autres éruptions."

Il vient des profondeurs

La phase gazeuse de dioxyde de carbone a joué un rôle essentiel dans la conduite de l'éruption explosive, avec le gaz stocké dans le magma du Sunset Crater jusqu'à 15 km sous la surface.

"On pense que le magma bouillonnait déjà à 15km de profondeur, et ce n'est pas ce que les gens pensent généralement des systèmes magmatiques avec ces volcans. Il a été démontré auparavant que vous avez une phase de bulle. Et si vous avez un système qui est déjà pétillant et aussi profond, cela signifie que vous pourriez avoir une ascension très rapide."

Même si, l'impact du volcanisme basaltique sur le système atmosphérique global est en grande partie inconnu, cette teneur élevée en dioxyde de carbone et en soufre de l'éruption pourrait également avoir eu un impact important sur l'atmosphère au moment de l'éruption.

Ils ont également comparé les volatiles magmatiques du Sunset Crater à ceux des éruptions siliciques explosives formant des caldeiras telles que le Bishop Tuff pour mettre en évidence les différences dans leur abondance et leur composition. Cette comparaison suggère que la phase riche en dioxyde de carbone est une condition pré-éruptive critique qui entraîne des éruptions basaltiques hautement explosives.

Éruptions siliciques explosives, bien qu'encore beaucoup plus grand en termes de volume d'éruption, sont de meilleures analogies avec la dynamique de l'éruption du Sunset Crater. Deux de ces éruptions historiques, l'éruption de 1991 à Pinatubo (Philippines) et l'éruption de 1815 de trachyandésite à Tambora (Indonésie), a entraîné de profonds impacts atmosphériques.

L'éruption du Pinatubo, qui a eu un impact significatif sur le climat mondial pendant trois ans après l'éruption, a éclaté 10 fois la masse de magma (5 km ³ DRE) comme Sunset Crater (0,5 km ³ DRE), mais n'a libéré qu'environ 3 fois la masse de dioxyde de soufre. L'éruption du Tambora était responsable de "l'année sans été", et alors qu'il a éclaté ~60 fois la masse de magma (30 km ³ DRE) comme Sunset Crater, il n'a libéré qu'environ 9 fois la masse de dioxyde de soufre.

Les enseignements tirés du Sunset Crater et de son type de volcanisme basaltique pourraient encore nous renseigner aujourd'hui.

« Maintenant, nous pouvons demander, Les conditions qui ont conduit à l'éruption du Sunset Crater sont-elles vraiment si inhabituelles ?", a déclaré Clarke. une éruption observable se transforme-t-elle en quelque chose de beaucoup plus dangereux pour les avions qui survolent ou pour les personnes qui l'entourent ? Nous pouvons commencer à appliquer ces concepts aux systèmes actifs."

"Et rappelez-vous, même si l'évent du Sunset Crater ne va plus éclater, le champ de San Francisco est toujours actif. Il y aura probablement une autre éruption là-bas. Cela peut être n'importe où, et probablement dans le secteur oriental, mais nous ne savons pas où et quand. Cela pourrait être sur une échelle de milliers d'années."