LE12: Vulkanische gassen

Question 1

Wat gebeurt er bij een Pliniaanse eruptie?

Answer 1

Bij dergelijke erupties wordt het magma onder hoge gasdruk naar buiten geperst en kunnen hete gassen en magmadeeltjes tientallen kilometers hoog in de atmosfeer belanden.

Question 2

Hoe noemen we de spleten en gaten van kraters waaruit gassen ontsnappen?

Answer 2

Fumarollen.

Question 3

Wat wordt bedoeld met meteorisch water?

Answer 3

Hiermee wordt al het grondwater bedoeld dat afkomstig is van neerslag of een zoetwaterlichaam, zoals oppervlaktewater, en in de bodem is geïnfiltreerd.

Question 4

Hoe werk een geothemaal systeem dat voorzien wordt van meteorisch water?

Answer 4

Het water in een dergelijk systeem is voornamelijk regenwater dat in de ondergrond door het hete magma via geleiding wordt verwarmd. De samenstelling van dit water wordt slechts in geringe mate beïnvloed door vulkanische gassen. Geothermale systemen zijn van groot belang voor de winning van geothermische energie.

Question 5

Hoe migreren vulkanische gassen naa de oppervlakte?

Answer 5

Vulkanische gassen migreren dus uit de diepte naar de oppervlakte van de aarde en ontsnappen via erupties, passieve pluimen (gevoed door fumarolen) en via het water uit warme bronnen.

Question 6

Is gastransport een belangrijk aspect van de chemische cyclus van de aarde?

Answer 6

Ja, Het gastransport is een belangrijk aspect van de immer voortgaande chemische differentiatie van de aarde.

Zo is bijvoorbeeld het grootste deel van de in het zeewater aanwezige chloridenionen afkomstig van onderzeese erupties.

Question 7

Welke fumarollen zijn het beste om monesters van te nemen?

Answer 7

In de praktijk komen de heetste en snelst stromende fumarolen in aanmerking voor een analyse. Deze monsters benaderen de oorspronkelijke samenstelling van het vulkaangas het beste. Deze gassen zijn het minst afgekoeld en hebben dus ook de minste tijd gehad om met het omringende gesteente te reageren.

Question 8

Wat zijn de belangrijkste componenten van vulkanische gassen?

Answer 8

Waterdamp is over het algemeen de belangrijkste component van vulkaangas, gevolgd door koolstofdioxide en vervolgens zwavel-, chloor-, en fluorverbindingen, metallische spoorcomponenten, edelgassen en tenslotte koolwaterstoffen

Question 9

Voor de samenstelling van vulkanische gassen goed weer te geven gebruiken we vaak een driehoeksdiagram. Welke elementen worden tegenover elkaar gezet voor vulkanische gassen?

Answer 9

De samenstelling van vulkaangassen kan goed worden weergegeven door de relatieve hoeveelheden van de elementen C, S, H en O.

Question 10

Buiten vulkanische gassen worden textuur driekhoeken ook voor andere classificeringen gebruikt door aardwetenschappers, noem een voorbeeld.

Answer 10

Voor bodemtexturen, zoals de textuur van klei, zand en leem.

Question 11

Hebben de gassen in gasmengsels een willekeurige samenstelling?

Answer 11

De afzonderlijke gassen in de gasmengsels komen niet voor in willekeurige, onderlinge verhoudingen, maar zijn met elkaar in reactieevenwicht.

Question 12

Pre-eruptieve magmas zijn moeilijk om te onderzoeken, waarom?

Answer 12

Pre-eruptieve magma’s bevinden zich in magmakamers op een diepte van 3 tot 15 kilometer (of meer). Deze zijn dus niet toegankelijk voor directe analyse.

Question 13

Waarom is obsidiaan een goede manier om de samenstelling van pre-eruptieve magma’s te bestuderen?

Answer 13

Obsidiaan ontstaat wanneer SiO2-rijk, ‘taai’ magma zo snel afkoelt dat zich geen kristallen kunnen vormen. Door de snelle afkoeling kan er slechts weinig gas uit de taaie smelt ontsnappen. De analyses van obsidiaan geven dus een beeld van de oorspronkelijke samenstelling.

Question 14

Zijn het felsische of mafische magma’s die meer water kunnen bevatten?

Answer 14

De resultaten van dergelijke experimenten geven aan dat ‘zure’ (felsische) magma’s veel meer water in oplossing kunnen hebben dan ‘basische’ (mafische) magma’s.

Question 15

Hoe kan men het ontgassingspatroon van een magmakamer bepalen?

Answer 15

Als een magma opstijgt tot in een ondiepe magmakamer, dan neemt de druk af. De minst oplosbare gassen komen het eerst uit de ‘oplossing’, gevolgd door de beter oplosbare gassen.

Door de gassamenstelling van een vulkaan regelmatig te analyseren, kan men vaststellen hoe het ontgassingspatroon in de magmakamer verloopt.

Question 16

Welke twee factoren spelen na het uitstoten van vulkanische gassen een rol?

Answer 16

De afkoeling en de opname van atmosferische zuurstof.

Question 17

Waarom onstaan er rondom fumarollen vaak grote hoeveelheden zwavel?

Answer 17

Wanneer H₂S aan de oppervlakte komen, treedt er snelle oxidatie op. CO gaat over in CO₂ en vervolgt zijn weg naar de atmosfeer. H2S daarentegen kan worden geoxideerd tot elementaire zwavel die neerslaat: 2 H₂S + O₂ → S₂ + 2 H₂O.

Question 18

Wat is de chemische evolutie van de pluim van een vulkaan?

Answer 18

Naarmate de pluim verder weg drijft van de vulkaan zal er dus een soort ‘rijpingsproces’ plaatsvinden. Men kan deze evolutie volgen door op verschillende afstanden van de vulkaan monsters te nemen in de pluim.

Question 19

Als er Zn voorkomt in een gasfse wat kunnen we dan zeggen over de vulkanische gassen?

Answer 19

De aanwezigheid van deze Zn-rijke deeltjes duidde op een hoge-temperatuurgascomponent van magmatische oorsprong. Om zink in de gasfase te transporteren, moet er immers een vluchtige Zn-Cl-verbinding aanwezig zijn, met een temperatuur van minimaal 400 °C.

Question 20

Hoe kunnen we aan de hand van de SO₂-flux antropogenische verontreinigingen bepalen?

Answer 20

Door monsteranalyse kan men van een bepaald element (X) de ratio ten opzichte van zwavel bepalen: element X/zwavel. Dergelijke bepalingen worden gedaan voor onder andere de elementen Cl, F, Br, Hg en As. Hiermee kan een referentieniveau voor de antropogene atmosferische verontreiniging worden bepaald.

Question 21

In welke regio’s van de aarde hebben vulkaan erupties vooral een grote impact op het klimaat?

Answer 21

Vooral vulkaanerupties in de tropen hebben een (tijdelijk) groot effect op het klimaat. Het stof van vulkaanerupties wordt er door de luchtstromingen verder omhoog gebracht en over de hele wereld verspreid. Stof van vulkaanuitbarstingen buiten de tropen waait naar beneden en verdwijnt weer snel.

Question 22

Wat is het verschil tussen een open en een gesloten systeem van een magma kamer?

Answer 22

1 gesloten systeem, de ondiepe magmakamer onder de vulkaan koelt langzaam af.

2 open systeem, de ondiepe magmakamer wordt steeds opnieuw bijgevuld, of wordt zelfs groter.

Question 23

De passieve pluimen van veel vulkanen worden ‘gevoed’ door fumarollen die zich in de barsten en spleten van een vulkanische dome bevinden.

Uit welk type magma zullen deze domes bestaan (mafisch, felsich of intermediair)?

Answer 23

Mafische of ‘basische’ magma’s hebben een hoog smeltpunt, een laag gehalte aan SiO2 en zijn goed vloeibaar. Zij zijn veel minder taai dan de felsische of ‘zure’ magma’s met hun laag smeltpunt en hoog gehalte aan SiO2, en de intermediaire magma’s.

De laatste twee typen (taai) magma zullen gemakkelijker domes in vulkanen vormen dan de dun vloeibare basische magma’s.

In de praktijk komen de intermediaire magma’s veruit het meest voor.

Question 24

Beredeneer met behulp van figuur 12.6 welke gasvormige verbinding relatief veel zal voorkomen in fumarolen met een hoge temperatuur.

Answer 24

Fumarolen bevinden zich aan het aardoppervlak, dus de totale gasdruk van het uitstromende mengsel is relatief laag (1 atmosfeer).

Uit figuur 12.6b kunnen we afleiden dat bij drukverlaging de hoeveelheid SO2 toeneemt.

Figuur 12.6a toont dat naarmate de temperatuur hoger wordt, de hoeveelheid SO2, bijvoorbeeld ten opzichte van H2S, sterk toeneemt.

‘Hete’ fumarolen zullen dus relatief veel SO2 uitstoten.

Question 25

In figuur 12.11 komen enkele ‘piekconcentraties’ voor. Welke verklaring kunt u geven voor deze pieken?

Answer 25

De hogeconcentratiepieken van Zn, Cu, Ag en Pb in het ijs van Antarctica worden meestal verklaard als het gevolg van grote vulkanische erupties. De bij dergelijke erupties gevormde metaalhoudende aerosolen worden voor een deel afgezet op de poolkappen. Een aanwijzing voor een vulkanische oorsprong van de hoge metaalconcentraties is het feit dat deze vaak gepaard gaan met hoge sulfaatgehaltes.

Question 26

Indien het een gesloten systeem betreft, zouden we dan relatief hoge of juist lage concentraties F en Cl in nieuw magma van de dome kunnen verwachten?

Answer 26

In een open systeem wordt het magma in de magmakamer steeds opnieuw aangevuld met vers magma uit de diepte, en bestaat er dus grote kans op uitbarstingen. In een dergelijk systeem krijgt het magma in de kamer niet de kans om te ‘rijpen’. In een gesloten systeem zal de stabiele hoeveelheid magma in de kamer langzaam ontgassen, waarbij er een relatieve verrijking van de goed oplosbare componenten zal plaatsvinden als gevolg van het ontwijken van bijvoorbeeld het slecht oplosbare CO2. Een magmastroom vanuit een dergelijke, gesloten magmakamer naar de dome zal dus relatief rijk zijn aan de goed oplosbare F- en Cl-gassen.

Question 27

Andesitische vulkanen op continentranden produceren zeer veel gas. Welke zijn de voornaamste gassen en waar zouden ze vandaan kunnen komen?

Answer 27

Het meest voorkomende gas is H2O, gevolgd door CO2. Een – overigens nog speculatieve – hypothese is dat een gedeelte van het H2O gerecirculeerd, ‘oud’ zeewater is, dat afkomstig is van de ondergeschoven oceanische korst. Ook de gedeeltelijk naar beneden meegesleurde sedimenten op de oceanische korst kunnen gedeeltelijk voor het water verantwoordelijk zijn. De in deze sedimenten aanwezige kalkrijke (CaCO3) gesteenten kunnen voor een deel de C-houdende gassen (CO2, CO, CH4) hebben geproduceerd, hoewel het grootste gedeelte van deze gassen afkomstig is uit de mantel.

Question 28

Tijdens de monstername van vulkanische gassen kan gemakkelijk contaminatie met atmosferische lucht optreden. Hoe zouden we aan de analyseresultaten van het monster kunnen zien of contaminatie heeft plaatsgevonden?

Answer 28

Vulkanische gassen zijn meestal arm aan stikstof, terwijl de atmosfeer voor 80 procent uit N2 bestaat. Bij een hoog stikstofgehalte in de monsters moet men dus denken aan contaminatie. De meeste vulkanische gassen bevatten ook weinig zuurstof, en hebben een reducerend karakter. De atmosfeer bevat zo’n 20 procent zuurstof, zodat gecontamineerde gasmonsters dus sterk geoxideerd zullen zijn in vergelijking met ‘schone’ monsters.

Question 29

Waarom wordt de temperatuur, waarbij plagioklaas uitkristalliseert, sterker beïnvloed door de aanwezigheid van water in de smelt, dan die van bijvoorbeeld een clinopyroxeen (een silicaat opgebouwd uit ‘snoeren’ van SiO4-tetraëders ?

Answer 29

Door het verbreken van de ‘zuurstofbruggen’ heeft de aanwezigheid van water in een silicaatsmelt depolymerisatie tot gevolg. Plagioklaas is een tektosilicaat, bestaande uit een driedimensionaal netwerk van tetraëders (zie Bron B3-6). Dergelijke ingewikkelde structuren herstellen zich ‘moeizamer’ van depolymerisatie dan de relatief simpele ketenstructuur van clinopyroxenen.

Question 30

Welke vulkanische gassen beïnvloeden de samenstelling van de stratosfeer, en wat voor gevolg kan dit hebben voor het leven op aarde?

Answer 30

SO₂ kan in grote massa’s door vulkanen in de stratosfeer worden geloosd en daar langzaam worden omgevormd tot zwavelzuur. De uiterst kleine zwavelzuurdruppeltjes absorberen en reflecteren een deel van het zonlicht. Dit kan leiden tot een geringe daling van de temperatuur in de onderliggende troposfeer (wereldwijd zelden meer dan 1 °C). Vulkanisch HCl ondergaat fotodesintegratie, waarbij vrije chlooratomen ontstaan, die op hun beurt reageren met ozonmoleculen. De ozonlaag absorbeert de ultraviolette straling van de zon. Versterkte uv-straling als gevolg van aantasting van de ozonlaag leidt tot een grotere kans op beschadiging van levende cellen.

Question 31

Wat kunnen we leren van de relatieve hoeveelheden van heliumisotopen in vulkanische gassen?

Answer 31

Helium is een edelgas (vormt geen verbindingen met de andere componenten van vulkanisch gas) en is bovendien slecht oplosbaar in magma. Het verdwijnt dus relatief snel (net als bijvoorbeeld CO2) uit opstijgende magma’s. De ³He-isotoop is een ‘oude’ component van de aardse materie, die bij het ontstaan van de aarde is ingevangen. De ⁴He-isotoop is de ‘jonge’ isotoop, die nog steeds wordt gevormd bij het radioactief verval van uranium en thorium in de aardkorst. De meeste vulkanische gassen zijn relatief rijk aan 3He, terwijl de meeste vloeistoffen die door de korst circuleren zijn verrijkt met radiogeen 4He. Tijdens intrusie van magma kan een ‘verse’ magmatische gascomponent (met ³He) ontsnappen en (gedeeltelijk) worden opgenomen in een geothermaal systeem. In een dergelijk geval zullen de genomen watermonsters een toename van de ³He/⁴He-ratio te zien geven. Een dergelijke toename kan dus wijzen op de aanvoer van vers magma in de ondergrond.