Le camere magmatiche hanno una struttura a spugna

I supervulcani sono super sotto tutti i punti di vista. L'eruzione del vulcano Toba, avvenuta circa 74.000 anni fa nell'attuale Indonesia, fu così potente da raffreddare il clima in tutto il mondo e forse decimare l'umanità. La prima delle tre eruzioni del supervulcano Yellowstone, negli Stati Uniti, circa 2,1 milioni di anni fa, ha creato un cratere di 50 x 80 chilometri. Sono stati espulsi circa 2800 chilometri cubi di materiale - circa 10-20 volte di più dell'eruzione del Tambora in Indonesia nel 1815 - e questa sola eruzione, considerata la più grande dei tempi recenti, ha avuto un impatto notevole in tutto il mondo.

Tuttavia, i supervulcani lasciano ancora perplessi i ricercatori perché sono difficili da studiare. Gli scienziati concordano sul fatto che deve esistere una camera magmatica a qualche chilometro di profondità nella crosta terrestre, il cui materiale fuoriesce durante un'eruzione. Non c'è consenso tra gli esperti sulla forma e sulla consistenza di tale serbatoio.

Piscina contro blocco solidificato

Alcuni geologi ipotizzano che sotto la caldera, come vengono chiamati i crateri dei supervulcani, si trovi un gigantesco serbatoio di magma liquido incastonato nella crosta terrestre superiore. Il mantello terrestre alimenta questo serbatoio con materiale e calore e un supervulcano di questo tipo può eruttare in modo esplosivo in qualsiasi momento.

Altri ritengono più plausibile che la camera magmatica sia completamente raffreddata e solidificata e che venga liquefatta solo da un massiccio afflusso di calore dal mantello terrestre. Solo allora può verificarsi un'eruzione.

"Probabilmente non è vero né l'uno né l'altro", afferma Olivier Bachmann, professore di vulcanologia all'ETH di Zurigo. In due pubblicazioni sulla rivista scientifica "Nature Geoscience", lui e il suo gruppo dimostrano che la verità si trova probabilmente a metà strada tra questi due estremi.

La verità al centro?

"La camera magmatica di un supervulcano non è come una zuppa bollente che può ribollire in qualsiasi momento e per la minima ragione", continua Bachmann. Né si deve pensare a un corpo magmatico raffreddato e completamente solidificato, perché per riattivarlo sarebbe necessaria un'enorme quantità di calore in un tempo molto breve. Durante il raffreddamento e la solidificazione, sostanze volatili come acqua e CO₂ fuga dal corpo. Tuttavia, queste sostanze sono necessarie per un'eruzione, poiché creano la pressione corrispondente nella camera magmatica.

Come mostrano le indagini del dottorando di Bachmann, Dawid Szymanowski, utilizzando l'esempio dell'eruzione del supervulcano Kneeling Nun Tuff nel Nuovo Messico, la camera magmatica di un supervulcano è una miscela di roccia cristallina, cioè magma solidificato, e di roccia liquida fusa. Più del 40-50% del serbatoio è in forma cristallina. Secondo i ricercatori del Fare ricerca all'ETH, la camera ha probabilmente una struttura simile a una spugna e presenta una struttura a rete di roccia cristallizzata con la fusione nei pori - una poltiglia di cristalli, come la chiama Szymanowski.

Minerali rari come registratori di dati

? probabile che questo slurry rimanga nella camera magmatica per un tempo molto lungo prima di essere espulso in superficie. Szymanowski è giunto a questa conclusione analizzando lo zircone e la titanite, due minerali in tracce presenti nel magma. Lo zircone è il materiale cristallino dei più antichi campioni di roccia conosciuti sulla Terra. Alcuni cristalli trovati in Australia hanno circa 4,4 miliardi di anni.

I cristalli di zircone e titanite memorizzano sia il momento in cui si sono formati sia la temperatura che ha prevalso durante la loro formazione, poiché l'incorporazione degli elementi chimici nel reticolo cristallino dipende da questa temperatura. Dopo la cristallizzazione, la composizione chimica di questi minerali in una camera magmatica non cambia quasi mai, anche se le condizioni della camera magmatica cambiano in modo significativo.

Analizzando in laboratorio l'età e la composizione chimica di zirconi e titaniti provenienti da diverse rocce, i ricercatori hanno ottenuto informazioni sul profilo di temperatura di una camera magmatica nel tempo. Durante un'eruzione, questi due minerali raggiungono la superficie, dove si trovano negli strati rocciosi corrispondenti.

Grazie a queste indagini, l'ETH ha concluso che la temperatura della camera magmatica che ha alimentato l'eruzione del tufo Kneeling Nun deve essere stata compresa tra i 680 e i 730 gradi per mezzo milione di anni. I minerali hanno dimostrato ai ricercatori che il supervulcano ha impiegato molto tempo per diventare completamente "carico" ed eruttare.

Il modello computerizzato supporta le analisi dei minerali

Le analisi dei minerali supportano anche un modello computerizzato creato da Ozge Karakas, dottoranda del gruppo di Bachmann. Anche questo modello è stato pubblicato a giugno sulla rivista scientifica "Nature Geoscience". Descrive un sistema di camere magmatiche nella crosta superiore della Terra, collegate ad altre camere nella crosta inferiore.

Il magma caldo e primordiale si forma nel mantello terrestre. Quando si forma è caldo circa 1200 gradi e sale attraverso fessure e camini nella crosta terrestre superiore. Qui forma un serbatoio che si raffredda e si cristallizza parzialmente, ma può sopravvivere per centinaia di migliaia di anni come poltiglia cristallina.

Con l'aiuto di questo modello, gli scienziati sono riusciti a dimostrare che non è necessaria una quantità gigantesca di materiale proveniente dal mantello in breve tempo per formare un serbatoio permanente nella crosta superiore. "Le condizioni della crosta superiore non sono adatte ad assorbire e immagazzinare così tanto materiale in così poco tempo", spiega Karakas. Tuttavia, è necessario un collegamento con il magma nella crosta inferiore per garantire il trasporto del calore. Finora i ricercatori non hanno incluso la crosta inferiore nelle loro considerazioni, sottolinea il geologo. "Ma senza di essa, non ci sono supervulcani".

Eventi molto rari

Sia il modello che l'analisi dei minerali indicano quindi che i supervulcani si formano e maturano in un periodo di tempo molto lungo e possono eruttare solo a intervalli di decine di migliaia di anni. "Il magma si conserva principalmente come una struttura cristallina a spugna. E deve essere riattivato dal calore prima di poter eruttare", spiega Olivier Bachmann, riassumendo i risultati.

Le nuove scoperte non ci permettono di prevedere quando avverrà la prossima eruzione di un supervulcano. Il sistema è ancora troppo poco conosciuto per poterlo fare. Tuttavia, ora è diventato più chiaro come crescono e si riattivano questi giganteschi serbatoi di magma. Questi risultati potrebbero aiutare a valutare meglio i segnali di riattivazione di un sistema vulcanico di questo tipo in futuro.

Tuttavia, i supervulcani probabilmente non sono così esplosivi come a volte vengono rappresentati. "L'eruzione di un supervulcano è - per nostra fortuna - un evento molto raro in ogni caso", afferma Bachmann.