Sedimenthinweise zeigen, dass der Yellowstone Lake in den letzten 13.000 Jahren hydrothermale Explosionen erlebte

Dec 25, 2023

Die Geologie unterhalb des Yellowstone Lake wird durch Lavaströme dort geprägt, wo der See innerhalb der Caldera liegt, und wird auch durch Gletscher- und andere Prozesse in der südlichen Hälfte des Sees, die außerhalb der Caldera liegt, geformt. (Neal Herbert/National Park Service)

Der nördliche und westliche Yellowstone-See liegt innerhalb der Yellowstone-Caldera, die manchmal auch als Yellowstone-Supervulkan bezeichnet wird, und bedeckt die Magmakammer tief unter der Oberfläche.

Dies führt zu extrem aktiven hydrothermalen Gebieten am Seeboden mit sehr hohen Wärmeflusswerten, mehreren großen hydrothermalen Explosionskratern (mehr als 330 Fuß im Durchmesser), Dutzenden hydrothermalen Kuppeln und Hunderten aktiven und inaktiven Thermalquellen auf dem Seeboden. Hydrothermal veränderter Schlamm auf dem Grund des Sees liefert Informationen über die Arten von Flüssigkeiten, die unter dem Seeboden zirkulieren, und über die Bedingungen, unter denen diese Flüssigkeiten eine chemische Veränderung des Seesediments verursachen.

Aktuelle Forschungen, die Sedimentkerne untersuchten, die in und um den Yellowstone Lake gesammelt wurden, liefern neue Einblicke in die Dynamik hydrothermaler Explosionen im Yellowstone Lake sowie in die Beziehung zwischen den Arten heißer Quellen auf dem Seeboden, charakteristische hydrothermale Veränderungen und das Ausmaß hydrothermaler Explosionen .

Hydrothermale Systeme am Seeboden unterscheiden sich in einigen wichtigen Punkten von denen an Land.

Heiße Quellen steigen aus der Tiefe auf und entweichen am Seeboden durch Sedimente, die aus Kieselalgen (einzellige Algen mit einer Zellwand aus nichtkristallinem Siliziumdioxid-SiO2) und feinkörnigen Sedimenten bestehen, die von Bächen zum See transportiert werden (hauptsächlich Gestein). Fragmente, darunter Obsidian, sowie Mineralkörner aus Quarz und Feldspat). Die Kieselalgen interagieren mit heißen Quellflüssigkeiten und zeigen häufig Hinweise darauf, dass sich zwar einige Teile aufgelöst haben, sich aber durch Reaktionen mit dem heißen Wasser andere Mineralien gebildet haben. Die resultierende hydrothermale Alterationsmineralogie variiert je nach Art der hydrothermalen Flüssigkeit, die die Alteration durchführt.

Im Yellowstone Lake sind zwei Haupttypen hydrothermaler Entlüftungsflüssigkeiten bekannt: Flüssige heiße Quellen, die neutrales bis alkalisches (nicht saures) Wasser abgeben, werden alkalische Chloridflüssigkeiten genannt, während dampfdominierte heiße Quellen sauer und gasförmig sind und enthalten Wasserdampf, Kohlendioxid und Schwefelwasserstoff.

Alkali-Chlorid-Flüssigkeiten enthalten erhebliche Mengen an gelösten Chemikalien, einschließlich Chlorid und Kieselsäure; Diese ähneln den hydrothermalen Flüssigkeiten, die ikonische Landformationen wie Old Faithful und Grand Prismatic Spring speisen. Von Dampf dominierte Flüssigkeiten transportieren erhebliche Wärme, aber keine gelösten Chemikalien. Da diese beiden Arten von Flüssigkeiten durch die Sedimente zum Seeboden aufsteigen, verursachen sie in diesem Sediment ganz unterschiedliche Veränderungen. Von Dampf dominierte Flüssigkeiten lösen Kieselalgen auf und verwandeln Sedimente in Tonmineralien, insbesondere Kaolinit und ein Aluminiumoxidmineral namens Böhmit. Alkali-Chlorid-Flüssigkeiten können ebenfalls Kieselalgen auflösen, lagern sich aber letztlich in Form von Quarz oder Chalcedon ab und produzieren Tonmineralien wie Smektite oder Chlorite, jedoch nicht Kaolinit oder Böhmit.

So hinterlassen die verschiedenen Arten hydrothermaler Systeme auf dem Seeboden mineralische Signaturen, die es uns ermöglichen, sie voneinander zu unterscheiden – auch wenn die hydrothermale Aktivität längst aufgehört hat.

Dies ist wichtig, da Untersuchungen von Sedimenten, die in einem hydrothermalen System vor der Explosion verändert wurden, auf die Art der in der Vergangenheit vorhandenen Flüssigkeiten zurückgeführt werden können.

Jüngste Untersuchungen von Seesedimenten ergaben mehrere hydrothermale Explosionsablagerungen aus der Zeit vor etwa 160 bis 13.000 Jahren.

Die beiden größten und umfangreichsten Vorkommen stehen im Zusammenhang mit den 8.000 Jahre alten Elliott-Krater- und 13.000 Jahre alten Mary-Bay-Explosionen. Diese entstanden aus alkalisch-chloridhaltigen hydrothermalen Systemen, basierend auf der Alterationsmineralogie im zugehörigen Seesediment, das Kieselsäure, Smektite und Chlorite, aber kein Kaolinit enthielt.

Andere Explosionsablagerungen sind jünger, dünner, weniger ausgedehnt und enthalten Kaolinit, was darauf hindeutet, dass sie mit dampfdominierten hydrothermalen Systemen in Zusammenhang standen.

Laborstudien zum Energiehaushalt hydrothermaler Explosionen zeigen, dass verschiedene Flüssigkeitstypen unterschiedlich starke Explosionen hervorrufen. Alkali-Chlorid-Flüssigkeiten, die in den Elliott-Krater- und Mary-Bay-Systemen von Flüssigkeit zu Dampf übergingen, erzeugten zwei der größten hydrothermalen Explosionskrater und Ablagerungen, die es auf der Erde gibt. Dampfdominierte Systeme im Yellowstone Lake explodieren durch einfache Expansion der Dampfphase, die etwa zehnmal weniger Energie freisetzt als die Flüssigkeit-zu-Dampf-Explosionen und daher weniger voluminöse und weniger ausgedehnte Ablagerungen erzeugt.

Es gibt keine aufgezeichneten Beobachtungen großer Explosionen aus hydrothermalen Systemen unterhalb und um den Yellowstone Lake. Dank der verräterischen Mineralogie der mit diesen Explosionen verbundenen veränderten Sedimente kennen wir jedoch die Bedingungen, unter denen sie stattfanden – wichtige Informationen zum Verständnis dieser unterschätzten geologischen Gefahr im Yellowstone.

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von Pat Shanks, Idaho Capital So, 10. August 2022

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WC Pat Shanks ist emeritierter Forschungsgeochemiker am US Geological Survey am Yellowstone Volcano Observatory. Er nutzt geochemische Fluidanalysen, geochemische Reaktionsmodelle, stabile Isotopenstudien und mineralogische/chemische Studien, um die Entwicklung hydrothermaler Lösungen, die hydrothermale Veränderung von Wirtsgesteinen und die Ablagerung von Mineralablagerungen zu verstehen.

Lisa Morgan ist eine emeritierte Wissenschaftlerin und ehemalige leitende Forschungsgeologin beim US Geological Survey. Ihr Schwerpunkt liegt auf der Geologie und Geophysik vulkanischer Gebiete. Sie untersucht seit mehr als 20 Jahren den Yellowstone-Hotspot und den Yellowstone Lake.