Zirkonuntersuchungen zur Korrelation von Tephren in geologischen und archäologischen Archiven: eine Fallstudie aus Mittelamerika
Mineralogie, Petrologie und Geochemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Alter und geochemische Signaturen von Zirkon aus quartären Eruptionen des mittelamerikanischen vulkanischen Bogens (Central American Volcanic Arc, CAVA) wurden untersucht, um zu testen, ob Zirkon für die Korrelation von Tephren geeignet ist. Dieser neuartige Ansatz basiert auf einer weitgehenden Einzigartigkeit der Zirkonaltersverteilungen für einzelne Eruptionen und Vulkanzentren, während konventionelle Verfahren, die typischerweise auf der Bestimmung von Haupt- und Spurenelementzusammensetzungen von Gläsern beruhen, oft uneindeutige Ergebnisse bei gleichen oder benachbarten Eruptionszentren zeigen. Darüber hinaus ist Zirkon im Gegensatz zu Gläsern verwitterungsresistent. Spurenelementzusammensetzungen von Zirkon liefern einen zeitlich aufgelösten Einblick in die thermische und chemische Entwicklung von Magmen vor ihrer Eruption. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf Prozesse des Magmennachschubs und der Assimilation von Nebengesteinen in langlebigen transkrustalen Magmensystemen ziehen, die die Bandbreite magmatischer Zusammensetzungen und damit auch des Eruptionsverhaltens und der Tephrenverbreitung maßgeblich beeinflussen. Die hier untersuchten Vulkanzentren der CAVA reichen von Stratovulkanen (Santa María-Santiaguito) bis hin zu multizyklischen Calderen (Atitlán, Amatitlán, Coatepeque und Ilopango). In einem Teilprojekt wurde weiterhin Zirkon in geoarchäologisch relevanten Tonablagerungen (Palygorskit) im Karstgebiet der Halbinsel von Yucatan untersucht, um das Potential der Tephrenidentifikation durch Zirkon über lange geologische Zeiträume und unter Bedingungen extremer Verwitterung zu erkunden. Die petrochronologische Untersuchung von Zirkon belegt, dass sich felsisches Magma in allen hier untersuchten quartären Vulkansystemen bereits viele Zehntausende von Jahren vor der Eruption ansammelte. Während dieser Zeit kristallisierte Zirkon in einer quasi-kontinuierlichen Weise, während es vor einem Ausbruch oft zu einer verstärkten Magmendifferenzierung kam, die durch Peaks in der Zirkonaltersverteilung angezeigt werden. Innerhalb dieser Zeitspannen zeichnet Zirkon oft stetige Änderungen in der Magmenzusammensetzung und -temperatur (z.B. δ18O und SEE, Hf, Ti-in-Zirkon) auf, deren Verlauf durch punktuelle Ereignisse wie verstärkten Magmennachschub, Assimilation von Krustenkomponenten oder intensive Differenzierung markiert wird. Änderungen in den magmatischen Bedingungen spiegeln sich sowohl in der Zonierung einzelner Kristalle als auch in der Gesamtpopulation der Zirkonkristalle wider, was auf variable Gradienten in Magmentemperatur und -zusammensetzung innerhalb der jeweiligen Magmenreservoire über längere Zeiträume hinweg hindeutet. Die Kannibalisierung kogenetischer, jedoch hydrothermal veränderter Gesteine wurde am Beispiel der Ilopango Caldera als ein wichtiger Faktor in der Magmendifferenzierung derartiger Systeme erstmals für die CAVA beschreiben. Basierend auf der umfassenden Charakterisierung von Zirkonaltern und Zusammensetzungen wurden in Fallstudien Tephren großvolumiger Eruptionen erfolgreich über weite Entfernungen (>300 km) mit ihren Ursprungscalderen korreliert. Im Fall der Zirkone aus Palygorskit wurde deren bislang unbekannte Herkunft geklärt, die in einem vermutlich westlich des Ablagerungsraums gelegenen Eozänen kontinentalen Bogen verankert wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2019). Millennial to decadal magma evolution in an arc volcano from zircon and tephra of the 2016 Santiaguito eruption (Guatemala). Lithos, 340, 209-222
Cisneros de León, A., Schmitt, A. K., Storm, S., Weber, B., Schindlbeck-Belo, J. C., Trumbull, R. B., & Juárez, F.
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(2019). Zircon in sak lu'um: Evidence of multiple Eocene silicic tephra layers as palygorskite precursors in the Yucatán peninsula, Mexico. Journal of South American Earth Sciences, 93, 394-411
Cisneros de León, A.., Schmitt, A. K., Roberge, J., Heiler, L., Ludwig, C., & Schmitt, F. H.
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(2020). The Arce Tephra: Two subsequent paroxysmal Plinian eruptions from Coatepeque Caldera (El Salvador). Journal of Volcanology and Geothermal Research, 390, 106673
Kutterolf, S., Schindlbeck-Belo, J. C., Rohr, I., Rademacher, M., Cisneros de León, A., Eisele, S., Freundt, A., Hernandez, W.& Wang, K. L.
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(2021). A history of violence: magma incubation, timing and tephra distribution of the Los Chocoyos supereruption (Atitlán Caldera, Guatemala). Journal of Quaternary Science, 36(2), 169-179
Cisneros de León, A., Schindlbeck‐Belo, J. C., Kutterolf, S., Danišík, M., Schmitt, A. K., Freundt, A., Pérez, W., Harvey, J.C., Wang, K. L. & Lee, H. Y.
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(2021). Zircon and melt extraction from a long‐lived and vertically extensive magma system underneath Ilopango Caldera (El Salvador). Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 22(5), e2020GC009507
Cisneros de León, A., Schmitt, A. K., Kutterolf, S., Schindlbeck-Belo, J. C., Hernández, W., Sims, K. W. W., Garrison, J., Kant, L. B., Weber, B., Wang, K. L. & Trumbull, R. B.
