Vulkanische gassen

Zo’n 80% van het gas dat vrijkwam bij de uitbarsting van de Geldingadalir op IJsland bestond uit water. Waar komt al dat water vandaan?

Naar aanleiding van berichtgeving rondom de uitbarsting op het IJslandse schiereiland Reykjanes vraagt Martin Bakker (Segbroek College, Den Haag): De gassen die diep in de aarde en onder grote druk zijn opgelost in het magma, welke zijn dat? En hoe komen die gassen daar terecht?

Welke gassen het zijn, is het makkelijkst te beantwoorden: dat is immers te meten. Je kunt proberen te analyseren wat voor gassen uit de lava ontsnappen tijdens de uitbarsting. Of je wacht tot de lava is afgekoeld en analyseert dan wat er nog in het gesteente zit. De laatste aanpak is het meest bestendig: wachten tot de lava gestold is en dan in het gesteente, in kristallen die daarin zitten, op zoek gaan naar zogeheten smelt-insluitsels.

In de basaltische magma’s die in 2021 in Geldingadalir zijn uitgevloeid, zijn kleine beetjes ‘smelt’ (gesmolten gesteente, zonder kristallen of andere onzuiverheden) gevangen geraakt in kristallen. Dat gaat zo: naarmate een magma afkoelt, vormen zich kristallen uit het gesmolten gesteente. Die kristallen hebben een bepaalde ‘ideale’ vorm, maar in de realiteit groeien ze altijd een beetje anders. Als een kristal op een bepaald plekje even niet aangroeit, maar daaromheen wel, kan dat plekje later ingesloten raken door het kristal. Er blijft dan een belletje over van de vloeistof waaruit het kristal gegroeid is. Omdat het kristal vrijwel geen atomen doorlaat, is dat belletje een snapshot dat bewaard blijft, ook als de rest van het magma uitbarst. In het belletje (het smelt-insluitsel) blijven dus ook vluchtige stoffen zoals water en kooldioxide bewaard die uit de rest van het magma bij een uitbarsting meestal verdwijnen.

Geldingadalir-eruptie van 2021

Wat weten we nu over de gassen bij de Geldingadalir-eruptie van 2021? Uit de analyse van vrijkomende gassen en smelt-insluitsels blijkt dat het magma vooral water (H2O), kooldioxide (CO2) en zwaveldioxide (SO2) bevat, in afnemende volgorde. En verder kleine hoeveelheden van allerlei andere vluchtige stoffen, zoals het uiterst venijnige waterstoffluoride (HF) en zelfs kwik (een metaal) in gasvorm. Die stoffen zitten blijkbaar in het mantelgesteente waaruit de magma’s door partieel smelten ontstaan zijn. De vraag is hoe ze daar komen.

Ontstaan gas

We concentreren ons hier op water: dat vormt ongeveer 80% van het gas dat vrijkwam bij de Geldingadalir. Uit onderzoek naar water in de kristallen van de lava’s blijkt dat het magma oorspronkelijk tussen de 0,5 en 1% water bevatte. Dat is veel minder dan er in de magma’s bij subductiezones kan zitten (>5%). Daar wordt namelijk actief water de mantel in getransporteerd vanuit de oceaankorst. Maar het is ook meer water dan normaal in magma’s bij mid-oceanische ruggen zit (<0,5%). Dus er is toch iets aan de hand. Het meeste water wordt bij subductie op een diepte van tientallen kilometers uit die oceaankorst verdreven (hoe precies kon je lezen in het meinummer van Geografie), maar een deel gaat mee de diepe mantel in. De relatief grote hoeveelheid water in de magma’s van de Geldingadalir vormt een aanwijzing dat het magma uit een mantelpluim komt. Want mantelpluimen ontstaan vermoedelijk uit materiaal uit de diepe mantel dat daar via subductie is terechtgekomen. En dus bevat het wat meer water dan ‘normaal’ mantelgesteente.

In z’n algemeenheid wordt aangenomen (op basis van spoorelementenonderzoek) dat er in de mantel in totaal minstens evenveel water zit als in de oceanen. Ook is het aannemelijk dat er in de aardkern genoeg waterstof zit om meerdere oceanen te vullen. Over de herkomst van al dat water en waterstof wordt veel gediscussieerd, vooral omdat het moeilijk te rijmen is met ons model van hoe planeten ontstaan.

Vorming planeten

Planeten dicht bij de zon (Mercurius, Venus, Aarde en Mars) bestaan vooral uit metaal en gesteente, omdat de meeste vluchtige stoffen (inclusief water) bij het ontstaan van het zonnestelsel door de zonnewind naar buiten gedreven zijn. Vandaar dat de gasreuzen en ijsreuzen verder van de zon staan. Water zou de aarde pas na de initiële vorming weer bereikt hebben in de vorm van crashende kometen (dat zijn blokken ijs) uit de buitenste regionen van het zonnestelsel. De vraag is dan wel waarom die kometen de Aarde zouden hebben geraakt. Het is maar een klein planeetje met niet al te veel zwaartekracht. En hoe zou dat water dan zo uitgebreid met de mantel (laat staan de kern) gemixt kunnen zijn?

Het lijkt aannemelijker dat er toch een flinke hoeveelheid water heeft gezeten in de bouwstenen van planetesimalen (miniplaneetjes en asteroïde-achtige objecten), die zijn samengeklonterd tot de Aarde. Het leuke is dat wetenschappers tegenwoordig live kunnen zien hoe zich planeten vormen. Niet zo lang geleden hebben ze aangetoond dat er in het zich vormende zonnestelsel PDS70 (op 370 lichtjaar van de Aarde) twee stofschijven zijn, die in het binnenste deel water (en kooldioxide) dragen. Dat het water daar, dicht bij de ster, kan bestaan, komt mogelijk doordat het aanwezige stof het water een beetje afschermt voor de straling van de ster. Maar in elk geval, het water is er en zou dus ook direct geïntegreerd kunnen worden in de planeten die zich daar nu vormen. Zo kan het dus ook met de Aarde gegaan zijn.