칼데라 화산 폭발과 마그마

옐로스톤 칼데라

수마트라의 토바 칼데라와 같은 초화산은 지구상에서 가장 큰 분출을 일으킵니다. 그러나 재기라고 알려진 대분화 이후의 회복 기간 동안의 마그마 상태와 과정은 제대로 이해되지 않고 있습니다. 여기에서 우리는 장석 아르곤 및 지르콘 우라늄토륨/헬륨 연대에 대한 베이지안 통계 분석 및 역 열 이력 모델링을 사용하여 74,000년 된 가장 어린 토바 응회암 분화 이후의 재기를 조사했습니다. 우리는 더 오래된 장석과 더 어린 지르콘 연대 사이에 최대 약 13,600년의 불일치를 식별합니다. 우리의 모델링은 280 °C와 500 °C 사이에서 최대 약 5~13,000년 동안 분출 전 장석 전결정의 저온 저장을 제안합니다. 우리는 가장 어린 토바 응회암 분출 후 남은 마그마의 응고된 갑각이 열적으로 재동원되거나 회춘되지 않고 아고체 상태로 분출되었다고 제안합니다. 우리의 연구는 재분출과 화산 활동이 초분출을 형성하는 절정의 칼데라 이후 약 5,000년 후에 시작되었음을 나타냅니다.

 

수마트라 토바 칼데라에서 따뜻한 마그마의 차가운 갑각의 부활 및 아고체 분출

대형 칼데라는 상부 지각 규산 마그마 저장소의 꼭대기에서 마그마가 대격변적으로 대피하여 형성된 붕괴 구조입니다. 종종 초화산이라고 불리는 이 칼데라와 관련 마그마 기초는 지각 마그마 시스템의 본질, 상부 지각 저반의 구성, 대륙 지각의 진화에 대한 뛰어난 질문에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 그들은 또한 지구상에서 가장 격변적인 지질학적 과정인 초분출의 근원이며 지구상에서 가장 위험한 화산으로 간주됩니다. 재분출로 알려진 초분출 후 회복 기간은 오늘날 옐로스톤(미국), 캄피 플레그레이(이탈리아), 토바(인도네시아)와 같은 지구상의 모든 대형 활성 칼데라가 존재한다는 사실에도 불구하고 가장 잘 이해되지 않은 화산 현상 중 하나로 남아 있습니다. 가스 배출, 지진, 구조적 조정 및 분출의 형태로 지속적인 불안의 증거를 제시하는 부활(장기 활동) 및 불안(단기 활동)입니다. 화산 학적 공동체가 미래 활동을 예측하고 위험을 완화하기 위해 현재 활동의 위험 평가 및 모니터링과 씨름함에 따라 대규모 칼데라의 부활하고 불안한 역사에 대한 더 나은 이해가 필수적입니다. 활성 칼데라, 그리고 실제로 일반적으로 화산의 미래 활동과 위험을 예측하려면 분출 전 마그마 저장소에 대한 지식이 필요합니다. 그러나 활동 중인 칼데라 및 기타 화산 아래에서 "분출 가능한 마그마"에 대한 지구물리학적 증거의 부족으로 인해 부분적으로 연료를 공급받은 마그마 시스템의 분출 전 상태에 대한 우리의 담론은 양극화되었습니다. 동원 및 분출에 필요한 고온으로의 짧은 여행만이 가능한 "저온" 비분화성, 아마도 아고체 상태를 지지하는 견해는 온도에서 장기간의 변덕스러운 사전 분출 역사에 대한 증거를 찾는 사람들에 의해 반대됩니다. 맹인과 코끼리에 관한 유명한 힌두 속담처럼, 이러한 서로 다른 견해는 우리의 해석이 분화에 의해 샘플링된 마그마 시스템의 부분과 사용되는 도구에 의해 제한될 수 있음을 드러냅니다. 비교 대상이 되는 마그마 시스템의 크기가 최소 3~4자리 범위이고 그에 비례하여 열적 및 유변학적으로 이질적이라는 점을 감안할 때 수정 규모의 암석 연대기에 대한 해석은 고유하지 않을 수 있습니다. 여기에서 우리는 최근 지구에서 가장 큰 초분출이 발생한 수마트라 섬의 토바 칼데라에서 이러한 문제에 대한 열 연대기적 관점을 제시합니다. 우리는 74 ka의 절정 슈퍼 분출에서 부활과 회복의 시작을 제한하는 칼데라 화산 폭발의 시대를 해결합니다. 그런 다음 우리는 이러한 칼데라 후 분출이 오래 지속되는 따뜻한 마그마 시스템의 차가운 "후광"을 샘플링하고 열 재동원 없이 아고체 조건에서 분출했음을 보여줍니다. 이 작업은 마그마 저장소가 열적으로 이질적이고 개방되어 있으며 분화에 의해 불완전하게 샘플링되어 분화 전 상태에 대한 보완적인 해석의 스펙트럼을 초래한다는 것을 보여줍니다. 마그마 저장소의 다른 부분에서 다른 열 이력이 예상되어야 하며 분화 전 이력을 온난 또는 저온 저장으로 특성화하는 것은 유용하지 않습니다.

 

마그마 역학에 대한 열연대학적 제약

ZHe 연대와 관련하여 우리의 새로운 Ar 연대는 YTT 샘플과 일치하고 두 개의 Samosir 및 Pardepur 용암 돔에 대해 더 오래된 연대입니다. 두 YTT 샘플에 의해 생성된 구별할 수 없는 ZHe 및 Ar 연대는 장석에서 Ar 시스템의 온도 감도 범위를 통한 급속 냉각을 의미합니다(Tc = 350 °C, Ar 부분 체류 영역(PRZ) 290~450 °C). 및 지르콘의 He 시스템(Tc = 190 °C, He PRZ: ~160–260 °C), 이는 열 이력 모델링 결과에 의해 확인됩니다. 이 급속한 냉각은 치명적인 분화와 일치합니다. 대조적으로, 포스트 칼데라 돔의 연령 불일치는 더 복잡한 열 역사를 의미합니다. 용암 돔 샘플에서 발견된 ZHe 연대와의 불일치는 용암 돔의 사니딘과 사장석이 수천 년 동안 YTT Ar 서명을 유지했음을 암시합니다. 우리의 가설은 일치하지 않는 연대를 가진 포스트 칼데라 돔이 Ar 보유가 가능한 절정의 74k 토바 마그마 시스템의 "차가운 후광"을 두드렸다는 것입니다. 칼데라 후 돔의 장석에서 YTT 연대의 생존은 분화 전 저장이 Ar이 유지되는 조건 하에 있었음을 나타내며, 이는 350 °C 미만의 분화 전 저장 온도를 나타냅니다. 대조적으로, 지르콘의 헬륨은 이 용암 돔이 폭발하고 190 °C 아래로 냉각된 후에만 움직이지 않게 되었습니다. 따라서 ZHe 시효는 Ar 시효보다 분출 소광 시간을 더 확실하게 기록합니다. ZHe 연령을 분출 연령을 기록하는 냉각 연령으로 해석하는 것은 해당 지역에서 돔 분출 후 열적 현상에 대한 증거의 부재와 ZHe 연령과 결정 크기 매개변수 사이의 상관 관계 부족에 의해 확증됩니다. ZHe 노화의 부분적인 회춘을 일으키거나 느린 냉각을 나타내었을 것입니다. 베이지안 분석에 따르면 ZHe 분출 연대는 Ar 장석 연대보다 4.6 ± 2.4 ~ 13.6 ± 4.6 ka 정도 더 젊습니다. 우리는 이 ∆t를 350~190 °C(각각의 Ar 및 He 폐쇄 온도) 사이의 사전 분화 저장 기간으로 해석합니다.

 

돔은 마그마 분출의 아고체 잔재

계산된 저장 온도에서 돔 마그마는 아고체 상태였으며 분출할 수 없었을 것입니다. 더 깊고 뜨거운 마그마는 "분열되지 않는 마그마"를 재생하기 위해 불러올 수 있으며 이는 Toba 마그마 시스템의 재충전 연료 열 수명과 일치합니다. 그러나 우리의 열 모델링은 이것이 Toba의 경우라면 연령의 불일치로 인해 <500 °C의 최대 온도만 허용됨을 나타냅니다. 이러한 제약 조건 하에서, 우리는 우리가 샘플링한 돔이 아고체 상태에서 분출되었고 열적으로 젊어지지 않았다고 제안합니다. 가장 큰 격변적인 칼데라 형성 분출은 지붕이 챔버로 무너지면서 발생한다는 것이 점점 더 인식되고 있습니다. 이러한 분출은 일단 형성되는 칼데라 블록이 점점 더 조밀하고 점성이 높은 수정이 풍부한 마그마와 만나면서 등방성 평형이 가라앉는 블록과 남은 마그마 사이에 도달하거나 최대 점도 조건에 도달하게 됩니다. 따라서 우리는 YTT 분출 이후에 남은 마그마가 거의 움직이지 않고 분출할 수 없는 거친 결정질 덩어리였다고 제안합니다. 이 마그마의 상부 가장자리는 칼데라 가장자리와 칼데라 바닥에서 균열 또는 분출 도관으로 침입하여 틈새 담금질 유리로 된 제방과 마개로 빠르게 냉각됩니다. 이 냉각 구역은 챔버 상단의 유변학적 장벽을 강화했을 것입니다. 4,000년 이내에 우리가 계산한 가장 작은 Δt 칼데라 블록의 부활적인 융기가 마그마 반동과 재충전에 의해 시작되었습니다. 이것은 칼데라 바닥의 기존 약점을 다시 열고 더 깊은 이동성 잔여 YTT와 더 뜨거운 더 깊은 재충전 마그마가 개방 균열로 침투하고 아고체 마그마를 밀어내어 분출된 돔을 형성함에 따라 응고된 "cold" 잔여 YTT 마그마가 압착되었습니다. 재가열이 발생했을 수 있지만 500 °C를 넘지 않았거나 새니딘의 Ar 시계를 재설정할 만큼 충분히 퍼지거나 안정적이지 않았습니다. 부분적으로 또는 완전히 녹은 일부 마그마는 과정 후반에 돔을 내생적으로 성장시키기 위해 분출되었을 수 있지만, 이것은 돔 깊숙이 있었을 것이고 그러한 부분은 표면에서 샘플링되지 않았을 것입니다. 더 깊은 더 뜨거운 마그마에 의해 윤활되거나 밀리는 "whalebacks" 또는 가시와 같은 단단한 돔 형성 암석의 분출은 많은 최근 및 역사적인 돔 형성 분출에서 설명되었습니다. 2004~2008년의 세인트 헬렌산에서 "용암" 가시의 내부는 유리를 함유한 거대 내지 유동 밴드 다사이트로 구성되었으며 전체적으로 취성 변형이 광범위했습니다. 가시는 결국 석판으로 부서진 다음 몇 주에서 몇 달에 걸쳐 더 작은 블록으로 부서지며 돔에 축적됩니다. 세인트 헬렌산 및 기타 사례에서 잔해 또는 breccia말뚝으로 문서화된 최종 붕괴 또는 쇠퇴는 Toba에 있는 돔의 외부 표면과 일치합니다. Samosir 및 Pardepur 돔에 대한 이 가설을 제안하면서 우리는 Samosir의 개별 돔 덩어리의 부피가 작고(0.1km3) Samosir 돔으로 대표되는 마그마의 총 부피가 0.04km3임을 강조합니다. 2,800km3 YTT 분출의 부피 또는 사모시르 융기의 동기가 되는 것으로 계산된 600km3의 부피는 마그마의 0.16% 입니다.