Vulkanische gassen zijn vluchtige stoffen die vrijkomen uit een vulkaan of vulkanisch actief gebied. Vulkanische gassen zijn altijd betrokken bij vulkaanuitbarstingen, maar ze worden ook vaak afgegeven door passief ontgassende (slapende) vulkanen. Vluchtige stoffen zijn in magma opgeloste chemische elementen of verbindingen die bij betrekkelijk lage druk en temperatuur een gas vormen3.
Geothermisch gebied in IJsland bij het Myvatnmeer is een prachtige plaats met onaangename geur van waterstofsulfide.
Ooit geloofde men dat elke vulkaan zijn eigen bijzondere gassoort heeft: zwaveldioxide bij de Etna, waterstofchloride bij de Vesuvius, kooldioxide bij Puracé (Colombia), enz. In de jaren 1850 werd door de Franse mineraloog Charles Sainte-Claire Deville aangetoond dat dit niet waar was3. Maar elke vulkaan heeft toch zijn eigen karakter (gemiddeld mengsel van verschillende gassoorten) dat het resultaat is van de samenstelling van het magma, de tektonische setting, de ontgassingsdiepte, de interacties met het grondwater en hydrothermale systemen, de samenstelling van het aardoppervlak, enz.
Het belangrijkste bestanddeel van vulkanisch gas is waterdamp (vormt ongeveer 90% van alle gassen1), hoewel de concentratie lager is (ongeveer 60%) in gassen die rechtstreeks afkomstig zijn van kraters3. De volgende belangrijkste gassoort is kooldioxide (CO2), dat ongeveer 10…40% van de gassen uitmaakt. Zwavelverbindingen zwaveldioxide (SO2) en waterstofsulfide (H2S) zijn ook zeer belangrijk. De chemische elementen Cl, F, en Br komen voor als zuren (gecombineerd met waterstof uit water om zoutzuur, fluorwaterstofzuur, en broomwaterstofzuur te vormen). Zij komen ook veel voor, hoewel hun samenstelling sterk varieert. Waterstof (H2), koolmonoxide (CO), methaan (CH4), zwavel (S2), stikstof (N2), ammoniak (NH3), zuurstof (O2), en zeldzame gassen komen in kleinere hoeveelheden voor. Talrijke metalen zijn ook aanwezig (Pb, Zn, Cd, Hg, Cu, Bi, Na, K) in sporenhoeveelheden. Ze worden meestal getransporteerd als chloriden en fluoriden2.
Vulkanische gassen in Hawaii zijn rijk aan kooldioxide en zwaveldioxide. Flank van Kilauea tussen Pu’u O’o en kust.
Degassend magma bij de Halema’uma’u pit (instortings)krater binnen de caldera op de top van Kilauea in Hawaii.
IJslands landschap nabij de Krafla vulkaan. Rotsen op de voorgrond zijn bedekt met mineralen (zwavel, gips) die zijn neergeslagen uit vulkanische gassen.
De bronnen van vulkanische gassen
Er zijn drie belangrijke reservoirs die vluchtige componenten leveren om vulkanisch gas te vormen.
- De mantel
- De korst
- De atmosfeer & hydrosfeer
Het materiaal uit de mantel overheerst als de vulkaan zelf wordt gevoed door materiaal van diep onder de grond. Dit is het geval bij hot spot vulkanisme onder de oceanische korst. Een goed voorbeeld is Hawaii. Deze vulkanen stoten mengsels van gassen uit die relatief rijk zijn aan zwavel- en koolstofverbindingen, maar die, wat belangrijk is, weinig water bevatten. Dit is precies de reden waarom Hawaii en soortgelijke eilandvulkanen ver van de continentale randen niet erg explosief zijn – zij stoten niet veel waterdamp uit. Het is de opeenhoping van gassen binnen het vulkanische bouwwerk die resulteert in explosief gedrag.
Vulkanische gassen van de vulkanen op de continentale randen (de Ring van Vuur vulkanen rond het Stille Oceaanbekken, bijvoorbeeld) zijn qua samenstelling veelzijdiger en variabeler omdat zij ook het materiaal van het aardkorst bevatten, dat een zeer variabele samenstelling kan hebben. Deze vulkanen zijn over het algemeen explosief van aard omdat hun magma dik is (meer kiezelachtige samenstelling belemmert het vrijkomen van vluchtige stoffen) en het bevat ook veel water dat meer dan 1000 keer uitzet wanneer het van opgeloste toestand (binnen magma) overgaat in afzonderlijke gasvormige fase.
Mudpot is een soort fumarole. Zure vulkanische gassen tasten het omringende gesteente aan, waardoor het verandert in een waterige smurrie die lijkt te koken door het borrelen. Deze modderpoel staat in IJsland bij de Krafla vulkaan.
Waar komt dat water vandaan? Er zijn twee hoofdbronnen. Dit soort vulkanisme wordt geassocieerd met subductiezones. Subductieplaten van oceanische korst dragen gehydrateerde mineralen onder de continentale korst waar ze door de immense druk water beginnen vrij te geven. Dit water helpt bovendien de rotsen te smelten die als vloeibaar magma beginnen te rijzen en uiteindelijk een keten van vulkanen aan de continentale rand zullen vormen (zoals bijvoorbeeld de Cascades). Dit water maakte oorspronkelijk deel uit van het systeem hydrosfeer-atmosfeer, maar omdat het door het subductieproces is gegaan, wordt het niet langer als een deel daarvan beschouwd. Een andere belangrijke bron van water in vulkanische gassen is meteorisch water. Dit is in feite regenwater, hetzij direct, hetzij indirect via watermassa’s die regenwater bevatten. Het systeem hydrosfeer-atmosfeer levert niet alleen water, maar ook stoffen die in water zijn opgelost (zuurstof en andere atmosferische gassen). Het specifieke mengsel van vulkanische gassen is derhalve sterk afhankelijk van de plaatselijke omstandigheden.
Het is ook vermeldenswaard dat vulkanisch gas (of een deel daarvan) niet het resultaat behoeft te zijn van magma-ontgassing. Het kan gewoon grondwater zijn dat verwarmd wordt door nabijgelegen vulkanisme. Vulkanische gassen kunnen vrijkomen uit topkraters, maar ook uit scheuren op de flanken (fumarolen) of ze kunnen diffuus vrijkomen door de grond (vooral niet-reactieve soorten zoals CO2 en He3).
Sulphur Springs, Saint Lucia. Saint Lucia is een vulkanisch eiland dat bovenop een subductiezone ligt.
De invloed van vulkanische gassen op klimaat en milieu
Wetenschappers bestuderen vulkanische gassen natuurlijk om inzicht te krijgen in het inwendige van een vulkaan, zodat ze beter voorbereid zijn op toekomstige uitbarstingen. Maar het is ook zeer interessant de gassen te bestuderen omdat zij de samenstelling van de aardatmosfeer (en ook van de hydrosfeer) in het verleden enorm hebben beïnvloed en dat ook in de toekomst zullen blijven doen.
De aardatmosfeer en de hydrosfeer beïnvloeden in hoge mate de samenstelling van vulkanische gassen, maar het is interessant op te merken dat zowel de atmosfeer als de hydrosfeer het resultaat zijn van magma-ontgassing. Alle hoofdbestanddelen (stikstof, kooldioxide, water) van deze geosferen zijn van vulkanische oorsprong (opmerkelijke uitzondering is zuurstof). De oer-Aarde was waarschijnlijk volledig gesmolten. Zodra zij afkoelde, begon het water zich op te hopen in lager gelegen gebieden als regenwater dat condenseerde uit vulkanische stoomwolken. De oeratmosfeer was ook zeer rijk aan kooldioxide. Het huidige niveau van 0,04% lijkt ons misschien veel, omdat het nog maar enkele tientallen jaren geleden 0,035% was. Het is een grote en zeer snelle verandering die waarschijnlijk door menselijke activiteit is veroorzaakt. Maar de aarde heeft tijden gekend waarin het CO2-niveau vele tientallen malen hoger was. Zelfs tijdens de relatief recente geschiedenis (recent in vergelijking met de volledige 4,5 miljard jaar van de geschiedenis van de aarde), toen de dinosauriërs over de aarde heersten, was er minstens vijf keer zoveel CO2 in de lucht. Als gevolg daarvan was de gemiddelde luchttemperatuur ook aanzienlijk hoger (ongeveer 22 °C) vanwege het intensievere broeikaseffect.
Zwavel dat neerslaat uit vulkanische gassen in IJsland, Krafla-vulkaan. Zwavelverbindingen (vooral zwaveldioxide) kunnen het klimaat en het milieu ernstig beïnvloeden.
Vulkanische gassen zijn dan ook zeer invloedrijke variabelen die het klimaat op aarde wijzigen, maar de manier waarop zij het klimaat beïnvloeden is geenszins eenvoudig en rechtlijnig. Koolstofdioxide en vele andere vluchtige verbindingen die uit vulkanen vrijkomen (zoals waterdamp en zwaveldioxide) zijn krachtige broeikasgassen, maar sommige stoffen hebben juist een averechts koelend effect. Vooral SO2 heeft zowel een verkoelende als een opwarmende rol. Het verwarmt de atmosfeer als broeikasgas, maar het vormt ook zwavelzuuraërosolen die verscheidene jaren in de stratosfeer kunnen blijven en een duidelijk verkoelend effect hebben als nevel die inkomende zonnestraling terugkaatst.
De overgrote meerderheid van vulkaanuitbarstingen heeft een zeer beperkt en plaatselijk effect op klimaat en milieu. Dit komt doordat (1) de hoeveelheid vrijgekomen gassen gering is, (2) de uitbarsting niet lang genoeg duurt, (3) de uitbarstingswolk niet hoog genoeg reikt om door te dringen tot in de stratosfeer. Dit laatste is zeer belangrijk omdat de aërosolen in de troposfeer binnen een week zullen worden weggespoeld. De duur is ook zeer belangrijk omdat het oceaan-atmosfeer-klimaatsysteem, wil het een langdurig effect op het milieu hebben, in evenwicht moet komen met de vulkanische verstoringen. Dat zal niet gebeuren als de uitbarsting slechts enkele maanden duurt, ook al is deze relatief krachtig.
Geothermisch gebied bij Strokkur (de beroemdste geiser in IJsland) in IJsland.
Het ernstigste effect op het klimaat wordt veroorzaakt door zeer grootschalige en langdurige basaltuitbarstingen, die bekend staan als vloedbazaltgebeurtenissen. Waarom moet de eruptie basaltisch zijn? Bevat een gewone silicische eruptie niet meer vulkanische gassen? Ja, dat is waar, maar deze gassen die krachtige silicische uitbarstingen veroorzaken, bestaan grotendeels uit waterdamp die geen ravage zal aanrichten in het klimaat en het milieu op aarde. Basaltische uitbarstingen daarentegen bevatten meer zwaveldioxide, dat veel meer potentieel heeft om op lange termijn milieuschade te veroorzaken. Zondvloed basalt gebeurtenissen zijn zo invloedrijk vanwege de kracht, lange duur, en veel zwavel.
Nu leggen wetenschappers steeds meer verbanden tussen overstromingsbasaltformaties en grote uitstervingen in de geschiedenis van de Aarde. Het uitsterven van de dinosauriërs 65 miljoen jaar geleden wordt al lang in verband gebracht met de inslag op het schiereiland Yucatán, die ongetwijfeld een negatief effect heeft gehad op het milieu. Anderzijds is het onwaarschijnlijk dat dit de enige boosdoener was, omdat het een onmiddellijke gebeurtenis was die kortstondige gevolgen had. Het lijkt waarschijnlijker dat er honderden, zo niet duizenden jaren nodig zijn om de oceaan-atmosfeer-chemie voortdurend te veranderen en zo massa-extincties te veroorzaken. Deze hypothese wordt verder gestaafd door het feit dat de uitsterving aan het einde van het Krijt, die een einde maakte aan de heerschappij van de dinosauriërs, in verband wordt gebracht met de overstroming van basalt uit de Dekan. Een ander, veel ernstiger uitstervingsevenement 250 miljoen jaar geleden valt ook samen met een grote overstromingsbasaltformatie in Siberië.
Hoewel vulkanen verantwoordelijk kunnen zijn voor grote uitstervingsevenementen, hebben zij waarschijnlijk ook minstens één keer het leven op Aarde gered. Ongeveer 650 miljoen jaar geleden. Deze periode in de geschiedenis van de Aarde staat bekend als de Sneeuwbal Aarde gebeurtenis. Het grootste deel van de aarde was bedekt met ijs, waardoor het reflectievermogen (albedo) van de aarde aanzienlijk toenam, wat hielp om de aarde nog verder af te koelen. Het zou een situatie moeten zijn zonder terugkeer naar normale omstandigheden. Maar op de een of andere manier gebeurde het toch. Waarschijnlijk als gevolg van intensievere vulkanische activiteit waardoor grote hoeveelheden broeikasgassen in de atmosfeer werden gepompt.
Volkanen en vulkanische gassen in het bijzonder spelen een belangrijke en gecompliceerde rol bij het veranderen van het klimaat en de atmosfeer. Wij weten dat het huidige achtergrondniveau van vulkanisme niet significant bijdraagt tot de opwarming van de aarde of het milieu op aarde wijzigt. Maar de geschiedenis van de aarde heeft duidelijk aangetoond dat ze daartoe wel degelijk in staat zijn.
Fumarole op het lavameer Kilauea Iki in Hawaï.
Gevolgen van vulkanische gassen
Vulkanische gassen lijken een betrekkelijk gering gevaar te zijn als we de slachtoffers tellen en de dodelijke slachtoffers als gevolg van de pyroclastische dichtheidsstromen (PDC) buiten beschouwing laten. PDC’s zijn zeer dodelijk, maar dit verschijnsel wordt gewoonlijk apart behandeld omdat het niet alleen om een vurige gaswolk gaat, maar ook om een mengsel van rotsachtig materiaal van verschillende grootte. Hoewel het totale aantal doden ten gevolge van vulkanische gassen relatief bescheiden is, is verstikking zeker geen prettige manier om te sterven. Wat zijn dan de gevaren en wat kan men doen om ze te vermijden?
De meeste gemeenschappelijke bestanddelen van vulkanische gassen zijn in hoge concentraties gevaarlijk voor de mens en andere levende wezens. De belangrijkste veroorzakers van sterfte of gezondheidsproblemen zijn kooldioxide, zwaveldioxide, waterstofsulfide, zoutzuur, fluorwaterstofzuur en zwavelzuur.
Vulkanische gassen die opstijgen uit de topcaldera van de Kilauea-vulkaan in Hawaï.
Koolstofdioxide
Koolstofdioxide is onschadelijk in kleine hoeveelheden (0,04% van de lucht is CO2), maar kan bij voldoende concentratie bijna onmiddellijk een coma veroorzaken. CO2 is reukloos en kleurloos en heeft een grotere dichtheid dan lucht. Dit betekent dat het gevaar moeilijk te detecteren is, maar we moeten ervoor zorgen dat we in vulkanisch actieve gebieden twee keer nadenken voordat we gaten, kraters of depressies gaan onderzoeken omdat ze vol met dit gas kunnen zitten. Kooldioxide heeft in verband met vulkanische gassen een groot aantal slachtoffers gemaakt. Vooral bekend is de gebeurtenis bij het Nyos-meer waarbij 1700 mensen omkwamen in Kameroen. Ik ga niet in detail treden omdat deze gebeurtenis elders reeds goed is beschreven en ten tweede omdat het een opmerkelijke maar geenszins wijdverspreide gebeurtenis is. Er zijn slechts twee gevallen bekend (Nyos Lake en het nabijgelegen Monoun Lake in 1986 respectievelijk 1984) waarin kooldioxide zo snel en op grote schaal uit meren vrijkomt.4
Kooldioxide is ook dodelijk voor de vegetatie, hoewel alle groene planten het in kleinere hoeveelheden nodig hebben voor de fotosynthese. Zelfs grote bomen kunnen het loodje leggen als er zoveel CO2 in de bodem zit dat de wortels van bomen geen zuurstof meer kunnen opnemen. Het beroemdste gebied in die zin is het Inyo National Forest in Californië. Mijn persoonlijke grappige en trieste verhaal in verband met deze plaats is dat, hoewel ik mezelf beschouw als een hobbyfotograaf van alles wat geologisch is, ik blijkbaar verzuimd heb een foto te nemen van deze plaats hoewel ik deze verdroogde bomen daar met mijn eigen ogen heb gezien. Het gebeurt, veronderstel ik, vooral als je dom genoeg bent om te denken dat dode bomen niets met geologie te maken hebben.
Zwaveldioxide
Zwaveldioxide heeft een duidelijke scherp doordringende geur die al waarneembaar is in concentraties zo laag als 1 ppm (één deel per miljoen). Ik herinner me een ademhaling op de flanken van Kilauea in de buurt van stromende lava die zo scherp irriterend was voor mijn neus dat ik me onmiddellijk omdraaide en wegrende. Het was de geur van SO2 in een concentratie ver boven 1 ppm. Misschien heb jij het ook gevoeld. Wanneer u een lucifer te dicht bij uw neus aansteekt, kunt u een branderig en onaangenaam gevoel krijgen, dat door dezelfde zwavelverbinding wordt veroorzaakt. Zwaveldioxide reageert met water in de lucht om zwavelzuur te vormen dat neerslaat als zure regen en ook de straling van de zon terugkaatst, waardoor de gemiddelde temperatuur daalt.
Volkanische gassen zijn vaak rijk aan zwavel, vooral lavas van mafische samenstelling. Het heldergele mineraal is elementaire zwavel. Zwavelhoudende fumarole staat bekend als solfatara. Zwavelbanken, Hawaii.
Waterstofsulfide
Waterstofsulfide is een ander giftig gas dat ook een duidelijke en nogal onaangename geur heeft die vaak wordt geassocieerd met rotte eieren. Dat is, vrees ik, voor de meeste mensen niet al te handig omdat rotte eieren tegenwoordig een moeilijk te vinden curiositeit lijken te zijn. Hoe dan ook, deze zwavelverbinding en de geur ervan zijn gemakkelijk waarneembaar en komen zeer veel voor in vulkanisch actieve gebieden. Dat gas is ook zwaarder dan lucht en heeft de neiging zich te concentreren in lager gelegen gebieden. In 1971 kwamen zes alpineskiërs in Japan vrijwel onmiddellijk om het leven toen zij door een depressie liepen die ermee gevuld was4. Veel andere met vulkanisch gas verband houdende sterfgevallen worden ook rechtstreeks in verband gebracht met deze zwavelverbinding.
HCl en HF
Dampen uit vulkanische gebieden zijn zuur, niet alleen vanwege zwavelzuur, maar ook vanwege waterstofchloride en waterstoffluoride. Het eerste is het hoofdbestanddeel van maagzuur en wordt ook door elke serieuze veldgeoloog in een klein flesje bij zich gedragen omdat het een gemakkelijke test is voor carbonaatgesteenten (om te bepalen of het kalksteen of dolosteen is). HCl is niet echt een ernstige bedreiging voor ons leven (hoewel het natuurlijk wel dodelijke slachtoffers heeft gemaakt), maar het draagt bij tot zure regen, veroorzaakt ademhalingsproblemen en is irriterend voor de ogen. In Hawaï ontstaat lava-waas (of laze) wanneer gesmolten lava die naar zee stroomt een chemische reactie op gang brengt tussen in zeewater opgeloste zoutionen en water, waarbij zoutzuur ontstaat. Ook fluorwaterstofzuur (HF) wordt door geologen gebruikt, maar nu in laboratoria onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden, want deze stof is echt smerig spul. Het is uiterst irriterend voor de huid en brandwonden genezen langzaam. Contact met de ogen leidt tot ernstige brandwonden en blindheid als het niet onmiddellijk met stromend water wordt verwijderd.
Lava laze (lava + haze) in Hawaii. Deze rookwolk bestaat uit waterdamp, maar bevat ook veel zoutzuur. Hij ontstaat op de plaats waar lava uit een lavatunnel de zee instroomt.
Hydrochloorzuur ontstaat als zeewater reageert met zout (natriumchloride) dat erin is opgelost.
Wat kunnen we dus doen om de gevaren van vulkanische gassen te vermijden. Het is heel eenvoudig. Blijf uit de buurt van vulkanen en er gebeurt niets ergs. Als dit echter niet is wat u wilde horen dan raad ik u aan om zeker lager gelegen gebieden te vermijden waar dichte gassen zich kunnen ophopen en probeer ook op de windrichting te letten. Probeer bovenwinds te blijven van de bronnen van vulkanische gassen en als je echt naar echt gevaarlijke plaatsen moet dan weet je hopelijk al wat je doet omdat je een professionele vulkanoloog bent met een goed gasmasker en beschermende kleding.
Geothermisch gebied in IJsland bij Viti Maar met modderpots en gele zwavel.
Modderige fumarole (modderpot) in IJsland.
Een andere modderpot in IJsland.
1. Jackson, J. A. (1997). Glossary of Geology
2. Gerlach, T. M. (1999). Vulkanische gassen. In: Encyclopedia of Geochemistry (Encyclopedia of Earth Sciences Series)
3. Delmelle, Pierre & Stix, John (1999). Vulkanische gassen. In: Encyclopedia of Volcanoes
4. Williams-Jones, Glyn & Rymer, Hazel (1999). Gevaren van vulkanische gassen. In: Encyclopedia of Volcanoes