Degassing and Vesiculation Mechanisms in Hydrous Volcanic Systems: Insights from Rhyolitic, Phonolitic, and Basaltic Melts

Abstract

Vulkanische Eruptionen gehören zu den gefährlichsten Naturkatastrophen der Erde und haben tiefgreifende Auswirkungen auf menschliche Gesellschaften und Ökosysteme. Diese Eruptionen entstehen aus dynamischen Prozessen im Erdinneren, bei denen silikatische Schmelzen in magmatischen Systemen gelöste flüchtige Komponenten, vor allem Wasser (H2O), enthalten. Gelöstes H2O beeinflusst wesentlich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Magmen, darunter Viskosität, Dichte, Liquidustemperatur und Phasengleichgewicht. Die Löslichkeit von H2O in silikatischen Schmelzen hängt stark vom Druck und in geringerem Maße von der Temperatur und chemischen Zusammensetzung ab. Während des Magmaaufstiegs nimmt der Druck ab, was zu Entgasung und Vesikelbildung führt, die eine zentrale Rolle in der Dynamik von Eruptionen spielen. Schnelle Vesikelbildung verringert die Schmelzdichte, erhöht die Auftriebskraft, beschleunigt den Magmenaufstieg und kann explosive Eruptionen auslösen. Variationen in vulkanischen Umgebungen, Schmelzzusammensetzungen und Gehalten an flüchtigen Komponenten führen jedoch zu unterschiedlichem Eruptionsverhalten. Die hier vorgestellten Studien untersuchen experimentell das Entgasungsverhalten von Magmen in zwei vulkanischen Systemen, wobei der Einfluss von Druck, Temperatur und chemischer Zusammensetzung auf die H2O-Löslichkeit und Entgasung in silikatischen Schmelzen im Fokus steht. Die Studien I und II untersuchen das Entgasungsverhalten der Phonolithschmelze der Unteren Laacher See Zusammensetzung mit Schwerpunkt auf der initialen Vesikelbildung, dem Wachstum sowie dem Beginn und Fortschreiten der Vesikelkoaleszenz während der Dekompression. Systematische Löslichkeits- und Dekompressionsexperimente mit wasserhaltiger Phonolith-Schmelze wurden bei Superliquidustemperaturen durchgeführt, um Entgasungsmechanismen im Detail zu analysieren. Bei ausreichendem Übersättigungsdruck zeigten alle Schmelzen homogene Vesikulation mit hohen Vesikelanzahl-Dichten (logVND) von 5.1–5.7, was durch weitere Entgasung eine nahezu gleichgewichtige Anpassung der H2O- Konzentrationen ermöglichte. Die initiale, von der Dekompressionsrate unabhängige logVND scheint nicht mit der Nukleationstheorie übereinzustimmen, könnte jedoch mit der Theorie der Spinodalen Entmischung in Einklang stehen, einem Phänomen, das insbesondere in alkalireichen Schmelzen beobachtet wird (Studie I). Während die initialen logVNDs bei unterschiedlichen Dekompressionsraten konstant blieben, zeigten die durch Koaleszenz gebildeten Vesikelvolumina während der weiteren Dekompression einen signifikanten Rückgang der logVNDs, der je nach Dekompressionsrate um 1.2 bis 4.1 Logeinheiten sank. Dieses Verhalten ähnelt einer dekompressionsratenabhängigen VND, wie sie von der Nukleationstheorie vorhergesagt wird (Studie II). Dieser Übergang von hoher VND während der initialen Entgasung zu koaleszenzgetriebenen Prozessen kann die Dynamik von Eruptionen erheblich verändern. Studie III untersucht die H2O-Löslichkeit in peralkalinen haplogranitischen Schmelzen als Funktion von Druck und Temperatur. Schmelzzusammensetzungen basierend auf haplogranitischen Schmelzen mit 2, 4 und 8 wt% überschüssigem Na2O wurden verwendet. Es wurde festgestellt, dass die H2O-Löslichkeit mit der Temperatur abnimmt, während sie mit Druck und Peralkalinität zunimmt. Eine lineare Beziehung zwischen Na2O-Überschuss und H2O-Löslichkeit wurde nachgewiesen, die Vorhersagen der H2O-Löslichkeit in peralkalischen rhyolithischen Schmelzen auf Basis des Überschusses an Alkalien ermöglicht. Studie IV untersucht die Wechselwirkung von basaltischen und mild peralkalinen H2O- haltigen rhyolithischen Schmelzen unter Dekompression und simuliert die Injektion einer mafischen Schmelze in eine wasserhaltige felsische Magmenkammer. Bimodale Dekompressionsexperimente mit kontaktierten, vorhydrierten Rhyolith- und Basaltzylindern zeigten eine verstärkte Vesikulationszone im alkaliverarmten rhyolithischen Teil der Hybridzone. Diese Zone entstand durch den schnellen diffusionsbedingten Verlust von Alkalien aus der rhyolithischen Schmelze in die basaltische Schmelze, was die H2O-Löslichkeit signifikant verringerte und die H2O- Übersättigung verstärkte. Dieser Prozess beschleunigt die Vesikelbildung, den auftriebsgetriebenen Magmenaufstieg und die Magmenvermischung, was die Entgasung intensivieren und potenziell explosive Eruptionen auslösen kann.

Volcanic eruptions are among the most hazardous natural catastrophes on Earth, profoundly affecting human societies and ecosystems. These eruptions originate from dynamic processes within the Earth’s interior, where silicate melts in magmatic systems contain dissolved volatile components, primarily water (H2O). Dissolved H2O significantly influences key physical and chemical properties of magmas, including viscosity, density, liquidus temperature, and phase equilibria. The solubility of H2O in silicate melts is strongly dependent on pressure and, to a lesser extent, on temperature and chemical composition. During magma ascent, pressure decreases, leading to degassing and vesicle formation, which play a critical role in eruption dynamics. Rapid vesicle formation reduces magma density, increases buoyancy, accelerates magma ascent, and can trigger explosive eruptions. However, variations in volcanic settings, melt compositions, and volatile contents result in different eruption behaviors.

The studies presented here experimentally examine degassing behavior of magma in two volcanic settings, focusing on the influence of pressure, temperature, and chemical composition on H2O solubility and degassing in silicate melts.

Study I and II examine the degassing behavior of the Lower Laacher See Phonolite melt, with focus on the initial formation and growth of vesicles, as well as the onset and progression of vesicle coalescence during decompression. Systematic solubility and decompression experiments with hydrous phonolite melts were conducted at superliquidus temperatures to analyze degassing mechanisms in detail. Upon reaching sufficient supersaturation pressures, all melts exhibited homogeneous vesiculation with high vesicle number densities (logVND) of 5.1–5.7, facilitating near-equilibrium H2O concentration adjustments through further degassing. The decompression rate independent initial VND appears inconsistent with nucleation theory but may align with the theory of spinodal decomposition, a phenomenon notably observed in alkali-rich melts (Study I).

While the initial logVNDs remained constant across different decompression rates, the coalesced vesicle volumes formed during further decompression exhibited a significant decrease in logVNDs, dropping by 1.2 to 4.1 log units depending on the decompression rate. This behavior mimics a decompression rate dependent VND predicted by nucleation theory (Study II). This shift reflects the transition from high VND during initial degassing to coalescence-driven processes, which can significantly alter eruption dynamics.

Study III explores the H2O solubility in peralkaline haplogranitic melts as a function of pressure and temperature. Melt compositions based on haplogranitic melts with 2, 4, and 8 wt% excess Na2O were used. The H2O solubility was found to decrease with temperature and increase with pressure and peralkalinity. A linear relationship between Na2O excess and H2O solubility was established, enabling predictions of H2O solubility in peralkaline rhyolitic melts based on excess alkali content.

Study IV investigates the interaction of basaltic and mildly peralkaline hydrous rhyolitic melts under decompression, simulating the injection of a mafic melt into a hydrous felsic magma chamber. Bimodal decompression experiments using contacted pre- hydrated rhyolite and basalt cylinders revealed an enhanced vesiculated zone in the alkali-depleted rhyolitic part of the hybrid zone. This zone formed due to rapid diffusional loss of alkalis from the rhyolitic melt into the basaltic melt, significantly reducing H2O solubility and enhancing H2O supersaturation. This process accelerates vesicle formation, buoyancy-driven magma ascent, and magma mingling, which can intensify degassing and potentially trigger explosive eruptions.