Hydrothermales Yellowstone-System

Laborexperimente erklären, was im hydrothermalen System von Yellowstone passiert, wenn heiße Steine, Wasser und Gas interagieren.

Ergebnisse von Laborexperimenten lieferten wichtige Informationen zu vielen grundlegenden physikalischen und chemischen Prozessen auf der Erde. Sie fügen auch Einblicke in das hydrothermale System von Yellowstone hinzu, die sonst nicht verfügbar wären. Die Yellowstone Caldera Chronicles sind eine wöchentliche Kolumne, die von Wissenschaftlern und Mitarbeitern des Yellowstone Volcano Observatory verfasst wurde.

Die Beiträge dieser Woche stammen von Shaul Hurwitz, Research Hydrologist beim US Geological Survey, und Jeffrey Cullen, Associate Professor Jaime Barnes, von der Jackson School of Earth Sciences an der University of Texas in Austin. In Yellowstone sickern große Mengen verdünnten Regens und Schneefalls (meteorisches Wasser) unter die Erde und werden hauptsächlich durch das darunter liegende Magma erwärmt. Nachdem heißes Grundwasser durch unterirdische Rhyolithfelsen fließt, wird es durch die zahlreichen Quellen von Yellowstone von der Bodenoberfläche abgeleitet. Diese abgelassenen heißen Wässer haben verschiedene chemische Zusammensetzungen, die sich erheblich von der Zusammensetzung des kalten meteorischen Wassers unterscheiden, das in den Boden eindringt.

Daher ändert sich die chemische Zusammensetzung des Grundwassers während des Flusses vom Nachfüllen (Leckage) zum Ablassen erheblich. Die Veränderungen in den Kernproben, die während der wissenschaftlichen Bohrungen in Yellowstone erhalten wurden, zeigen auch, dass die Mineralien durch Wechselwirkung mit dem heißen Grundwasser von Rhyolith verändert werden. Laborexperimente wurden unter ähnlichen Drücken und Temperaturen wie das hydrothermale System von Yellowstone durchgeführt, um chemische Reaktionen zu simulieren, die die Zusammensetzung von Grundwasser und Rhyolith zwischen Wasserauffüllung und Abfluss verändern.

Einige der Fragen, die Experimente zu beantworten versuchen, umfassen:

• Bei welchen Temperaturen und Drücken reagieren Grundwasser und Rhyolith unter Bildung chemischer Zusammensetzungen des heißen Wassers von Yellowstone?
• Welche Alterationsmineralien entstehen, wenn Grundwasser und Rhyolith bei unterschiedlichen Temperaturen reagieren?
• Was sind die Gründe für die Unterschiede in der Wasserchemie zwischen verschiedenen Wärmefeldern?
• Wie wirkt sich aus Magma gewonnenes CO2-Gas auf chemische Reaktionen aus?

Zur Durchführung der Experimente wurden kleine Stücke Rhyolithglas (Obsidian) und Wasser in Goldbeutel gegeben, die chemisch inert waren und daher nicht mit Wasser oder Gestein reagierten, und dann versiegelt. Die Tests wurden dann etwa 90 Tage lang bei Temperaturen im Bereich von 150 bis 350 Grad Celsius (etwa 300 bis 660 Grad Fahrenheit) durchgeführt. In einem Experiment wurde dem Wasser Kohlendioxid (CO2) -Gas zugesetzt. Am Ende jedes Experiments wurde der Goldbeutel schnell auf Raumtemperatur abgekühlt (abgeschreckt) und das reagierende Wasser und der Rhyolith wurden gewonnen. An den Versuchsprodukten wurden verschiedene chemische Analysen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen Folgendes:

• 1) Rhyolithglas absorbiert allmählich Wasser (Hydrate) mit steigender Temperatur von 150 bis 275 Grad Celsius (302 bis 527 Grad F).
• 2) Bei Temperaturen über 275 Grad Celsius verliert Rhyolith seine Glasstruktur und es bilden sich Alterationsmineralien.
• 3) Je höher die Temperatur, desto niedriger der pH-Wert des Wassers (es wird saurer).
• 4) Bei Temperaturen bis zu 250 Grad Celsius wird fast das gesamte Chlor im Rhyolith aufbewahrt, während bei höheren Temperaturen fast das gesamte Chlor aus dem Rhyolith austritt.
• 5) Die Fluorkonzentrationen im reagierenden Wasser steigen von 150 auf 250 Grad Celsius, nehmen jedoch bei höheren Temperaturen allmählich ab.
• 6) Fluor, Alterationsmineralien Zeolith und möglicherweise auch Biotit sind bei Temperaturen über 250 Grad Celsius enthalten
• 7) Bei 250 Grad Celsius wird Wasser, das mit CO2 reagiert, in gelösten Ionen signifikant stärker konzentriert als Wasser, das bei einer ähnlichen Temperatur ohne CO2 reagiert.

Im Laufe der Jahrhunderte haben Ergebnisse von Laborexperimenten wichtige Informationen über viele grundlegende physikalische und chemische Prozesse auf der Erde geliefert. Laborexperimente wurden auch verwendet, um verschiedene Konzepte zu testen und zahlreiche Prozesse zu messen. In diesem Zusammenhang liefern experimentelle Arbeiten zur Hochtemperaturwechselwirkung zwischen Rhyolith, Wasser und Gas neue Einblicke in das hydrothermale System von Yellowstone, die sonst nicht erreicht werden könnten.