La efímera mineralización fumarólica de la erupción volcánica Tajogaita de 2021 (La Palma, Islas Canarias, España)

Jul 20, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 6336 (2023) Citar este artículo

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El presente trabajo tiene como objetivo caracterizar el conjunto de minerales efímeros relacionados con los campos fumarólicos del volcán Tajogaite, formado en 2021 en la isla de La Palma (Islas Canarias, España). Se obtuvo un conjunto de 73 muestras luego de dos campañas de muestreo en diferentes sectores de fumarolas del área de estudio. La mineralización relacionada con estas fumarolas formó parches eflorescentes ubicados a distancia variable de los principales cráteres volcánicos. Los parches distales son predominantemente blanquecinos, mientras que en las vecindades típicamente muestran colores amarillentos a anaranjados. Las observaciones de campo también revelaron que las fumarolas generalmente ocurren en áreas topográficas elevadas, así como sobre materiales piroclásticos volcánicos fracturados y porosos. La caracterización mineralógica y textural de las fumarolas de Tajogaita revela un conjunto mineral complejo, que comprende fases criptocristalinas relacionadas con condiciones de temperatura baja (< 200 °C) y media (200–400 °C). En Tajogaite, proponemos una clasificación de tres tipos diferentes de mineralización fumarólica: (1) fluoruros y cloruros ubicados en áreas fumarólicas proximales (~ 300–180 °C); (2) azufre nativo asociado con yeso, mascagnita y salammoniac (~ 120–100 °C) y (3) sulfatos y carbonatos alcalinos típicamente se encuentran en áreas fumarólicas distales (< 100 °C). Finalmente, presentamos un modelo esquemático de la formación de la mineralización fumarólica de Tajogaita y su evolución composicional desarrollada durante el enfriamiento del sistema volcánico.

Las erupciones volcánicas son generalmente seguidas por diferentes fenómenos relacionados con el enfriamiento del magma. Las fumarolas, respiraderos superficiales que emiten gases calientes asociados con la desgasificación volcánica, se encuentran entre los procesos posteriores a la erupción más comunes. Emiten grandes volúmenes de vapor pero también cantidades variables de otros gases magmáticos como CO2, CO, SO2, H2S, HCl, HF, H2, NH4 o CH4 entre otros1,2,3. Esta composición variable de gases y su correspondiente interacción con las rocas volcánicas generan una mineralización muy peculiar y compleja asociada a ambientes fumarólicos.

Minerals developed during fumarolic activity occur as cryptocrystalline or microcrystalline aggregates, typically mixed with other phases. This mineral assemblage is directly controlled by the compositional features of the magmatic system but also by other factors such as temperature. In fact, fumarole minerals can be classified in two separate groups: (1) sublimates, originated by gas phase condensation, and (2) incrustations, which are the product of interactions between fumarolic gases and wall rock 850 °C) extinct hydrothermal systems. J. Volcanol. Geoth. Res. 376, 75–85. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2019.03.020 (2019)." href="/articles/s41598-023-33387-6#ref-CR4" id="ref-link-section-d32696827e536">4.

En los últimos años ha crecido el interés por el estudio de este tipo de mineralización debido a la idea de que las fumarolas pueden ser posibles ambientes implicados en el origen de la vida en la Tierra5,6,7. Los estudios sobre minerales eflorescentes asociados a fumarolas también han sido relevantes en la ciencia planetaria, ya que este tipo de ensamblaje mineral ha sido reportado recientemente en Marte8,9,10.

Lamentablemente, a pesar de su indudable interés, los minerales fumarólicos son muy inestables y sensibles a la meteorización y, en consecuencia, no pueden conservarse en el registro geológico. Por tanto, el estudio y caracterización de estas fases efímeras se restringe a áreas volcánicas donde se han producido erupciones recientes oa sectores volcánicos excepcionalmente longevos con una actividad geotérmica continua e importante (por ejemplo, Yellowstone en EE. UU. o Taupo en Nueva Zelanda).

Una de las oportunidades más recientes para investigar la mineralización de fumarolas fue proporcionada por la reciente erupción de Tajogaite, que ocurrió durante el último trimestre de 2021 en la isla de La Palma, Islas Canarias, España. Este volcán despertó rápidamente un gran interés entre la comunidad científica, y muchos grupos de diferentes instituciones han estado trabajando intensamente para caracterizar numerosos aspectos de la erupción. En particular, Martínez-Martínez et al.11 han publicado muy recientemente una primera caracterización de los minerales fumarólicos de la Tajogaita, con especial énfasis en la morfología de los minerales.

El objetivo del presente trabajo es caracterizar la mineralogía asociada a las fumarolas del volcán Tajogaite y contribuir al conocimiento general de estos exóticos tipos de mineralización y su relación con diferentes factores del sistema volcánico. En particular, aquí enfocamos nuestro trabajo en la distribución de paragénesis de minerales fumarólicos, así como las condiciones genéticas y el control geomorfológico de esta mineralización efímera.

El archipiélago de las Islas Canarias forma parte de la Provincia de los Montes Submarinos de las Islas Canarias (CISP). Esta provincia volcánica está ubicada en un margen continental pasivo que se extiende paralelo a la plataforma continental del NO de África12. El CISP está genéticamente relacionado con un sistema de intraplaca hotspot y, según mediciones de anomalías magnéticas y edades obtenidas en rocas emergidas así como en los montes submarinos, muestra evidencia de vulcanismo del Cretácico Inferior13. Aunque existen registros de vulcanismo subaéreo cuaternario en todas las Islas Canarias excepto en La Gomera, el mayor volumen de material eyectado recientemente se encuentra en La Palma y El Hierro, las islas más occidentales del archipiélago13. Estas dos islas datan del Plio-Cuaternario (< 4 Ma)14,15.

En el caso particular de La Palma, la actividad volcánica se inició con la formación del complejo submarino (3-4 Ma)16,17,18. Posteriormente, la isla emergió con el desarrollo de los volcanes en escudo Garafía y Taburiente (1,7-0,4 Ma)14 así como las estructuras volcánicas más jóvenes del rift Cumbre Nueva (850-560 ka)17 y el complejo Bejenado, que se ubica en la cicatriz de deslizamiento SW del volcán Taburiente (490-560 ka; Fig. 1)14,17. Finalmente, el vulcanismo se extendió hacia el sur formando el rift de Cumbre Vieja (ca. 125 ka), que alberga el actual sistema volcánico activo de La Palma (Fig. 1)17,19,20,21.

Mapa geológico de La Palma. Ubicación de las erupciones volcánicas históricas reportadas en la isla, incluyendo la última ocurrida en la zona del Tajogaite durante el año 2021 que corresponde parcialmente al área de estudio del presente trabajo.

Teniendo en cuenta los tiempos históricos, La Palma es la zona volcánica más activa del archipiélago canario. Se han documentado hasta 8 erupciones desde el siglo XV: ~ 1480 (Montaña Quemada), 1585 (Tajuya), 1677 (San Antonio), 1646 (Martín), 1712 (El Charco), 1949 (San Juan)22, 1971 ( Teneguía) y, finalmente, la erupción del Tajogaite ocurrida en 2021 (Fig. 1)23,24,25,26,27,28.

Desde el 19 de septiembre y con una duración hasta el 13 de diciembre de 2021 (85 días), tras 50 años de reposo volcánico, se produjo una erupción en la vertiente SO del rift de Cumbre Vieja (La Palma, Islas Canarias, España; Fig. 1), generando un nuevo edificio cónico: el volcán Tajogaite (Fig. 2).

Vista 3D norte del cono del volcán Tajogaite. Los principales parches de mineralización relacionados con la actividad de las fumarolas se destacan en color púrpura. Los cráteres individuales están etiquetados con letras (A–J) y las muestras con números (1–32). El Modelo de Elevación Digital ha sido modificado de Cívico et al.29.

La erupción fue preludida por un enjambre sísmico relacionado con levantamiento de magma que fue detectado entre 8 y 13 km de profundidad por el Instituto Geográfico Nacional de España (IGN), el Instituto Vulcanológico de Canarias (INVOLCAN) y el Programa Global de Vulcanismo27. La erupción comenzó a las 14:02 GMT en la zona Tajogaite-Cabeza de Vaca, que se ubica a ~2 km del municipio de El Paso.

Aunque la composición de los materiales expulsados ​​cambió de tefrita a lava basanita y tefra durante el proceso, la erupción ha sido clasificada como de tipo fisura basáltica, dominada por actividad estromboliana y con pulsos freatomagmáticos episódicos. El evento corresponde al VEI-3 en el Índice de Explosividad Volcánica23,27.

La actividad estromboliana comenzó con la expulsión de flujos de lava y materiales piroclásticos en una fisura NW-SE de 700 m de largo. Esta actividad inicial generó una columna eruptiva compuesta por H2O, SO2 y otros volátiles magmáticos, junto con ceniza volcánica, que alcanzó hasta 3 km de altura30.

La erupción del Tajogaite construyó un cono que se elevó 1131 m sobre el nivel del mar mostrando seis cráteres principales en su parte superior, definiendo una alineación eruptiva NW-SE de ~ 560 m de largo (Figs. 2, S10). El proceso generó extensos mantos de caída de fragmentos piroclásticos (Figs. 2, S10) que cubrieron una vasta área alrededor del sector sur de La Palma, aunque la columna de ceniza alcanzó todo el archipiélago de las Islas Canarias y más allá.

El volumen volcánico eyectado calculado es de aproximadamente 159.106 m3 y la superficie afectada se estima en 1219 ha. La erupción destruyó más de 300 hectáreas agrícolas, 73,8 km de vías públicas, 1646 edificios y produjo la evacuación de más de 7000 personas.

Se obtuvo un conjunto de 73 muestras de 32 sectores de fumarolas diferentes alrededor del cono volcánico Tajogaite, numerados del 1 al 32 (Figs. 2, S10). El trabajo de campo se llevó a cabo durante dos campañas diferentes en febrero y junio de 2022. Por razones de seguridad y conservación, el acceso a la zona de Tajogaite estuvo muy restringido y se requirieron permisos especiales para realizar los muestreos correspondientes.

Las fumarolas fueron extremadamente activas durante el trabajo de campo, emitiendo concentraciones importantes de gases tóxicos y alcanzando temperaturas superiores a los 700 °C en algunos puntos. Así, el trabajo de campo se realizó utilizando los equipos de protección personal adecuados (máscara antigás, guantes, gafas, etc.). Además, utilizamos un detector de gases portátil PCE-Iberica modelo MX6 iBRID para monitorizar la calidad del aire y las concentraciones ambientales de O2, CO, HCl, SO2 y H2S. Por razones de seguridad y para complementar los datos recopilados durante los muestreos, las temperaturas del suelo y de la fumarola se midieron con una sonda termométrica Crimson T-637.

Las mediciones de difracción de rayos X en polvo (DRX) se realizaron en el laboratorio de DRX de GEO3BCN-CSIC (Barcelona, ​​España) utilizando un difractómetro Bruker D8-A25 equipado con una fuente de rayos X Cu (radiación Cu Kα, λ = 1,5405 Å) y un detector sensible a la posición LynxEye. Para este propósito, se prepararon polvos orientados casi aleatoriamente por pulverización de la mineralización recolectada. En el caso de muestras formadas por finas incrustaciones, los minerales se extrajeron de la matriz de la roca mediante un cuidadoso rascado. Los escaneos XRD se registraron entre 4° y 60° en 2θ con un tamaño de paso de 0,035° y tiempos de adquisición equivalentes de 384 s. La identificación de fases se llevó a cabo utilizando el software DIFFRAC.EVA de Bruker en combinación con el PDF-2 (Powder Diffraction File-2) del Centro Internacional para Datos de Difracción, junto con Crystallography Open Database (COD). Los análisis de fase semicuantitativos (SQ) se realizaron utilizando el método de relación de intensidad de referencia (RIR). Para ello se emplearon los valores RIR disponibles en la base de datos PDF-2. Estos análisis SQ tenían como objetivo principal generar un mapa de distribución de los aniones volátiles en los minerales de fumarolas (CO32−, F−, S/SO42−, Cl−), ya que estos elementos pueden vincularse directamente con la etapa de temperatura de la mineralización.

Muestras seleccionadas de mineralización fumarólica fueron preparadas en sección delgada para su estudio textural y mineralógico en el Laboratorio de Preparación Geológica y Paleontológica (LPGiP) del Museo de Ciencias Naturales de Barcelona (Barcelona, ​​España). Una selección representativa de las muestras se examinó en un microscopio electrónico de barrido de emisión de campo (FE-SEM) modelo JEOL JSM-7100 en los Centros Científicos y Tecnológicos de la Universidad de Barcelona (CCiT-UB). Este sistema FE-SEM también está equipado con un detector EDS (espectroscopia de dispersión de energía) de Oxford Instruments modelo Pentafex-INCA, que se utilizó para adquirir análisis semicuantitativos de fases minerales de fumarolas, así como para obtener mapas de composición semicuantitativos. Las condiciones generales de operación fueron 15–20 kV de voltaje de aceleración y 5 nA de corriente de haz.

Los autores declaran que todas las imágenes presentadas en este manuscrito que pudieran conducir a la identificación de los participantes del estudio han sido utilizadas con el consentimiento de todos los sujetos y la correspondiente autorización para su publicación en Scientific Reports.

En Canarias se reportaron campos fumarólicos durante las erupciones históricas de Timanfaya (Lanzarote, 1730-1736)31,32, San Juan y Teneguía (La Palma, 1949 y 1971, respectivamente) así como en el cráter activo del Teide estratovolcán (Tenerife)33. En el caso del cono de Tajogaite, los campos fumarólicos asociados a la desgasificación fueron visibles en diferentes sectores del edificio después del final de los principales procesos eruptivos (Fig. 2). Como era de esperar, la mineralización resultante generó parches eflorescentes distintivos de diferente coloración, que van del blanco al amarillo y al naranja rojizo, en claro contraste con los materiales volcánicos más oscuros (Figs. 3 y 4).

Manchas eflorescentes asociadas a las fumarolas de Tajogaite ubicadas en áreas distales de los cráteres principales. (A) Manchas blanquecinas asociadas con la porosidad errática del bloque, que definen una distribución concéntrica típica. Punto de muestreo 6 (Fig. 2). (B) Mineralización blanquecina fumarólica, compuesta principalmente por carbonatos y sulfatos hidratados. Punto de muestreo 2 (Fig. 2). (C) Detalle de la imagen B que muestra microestructuras cilíndricas relacionadas con la eyección de gas.

Manchas eflorescentes fumarólicas ubicadas en las proximidades de los principales cráteres del volcán Tajogaite. (A) Vista general del cráter "J" (Fig. 2) en el que es posible distinguir parches eflorescentes fumarólicos. (B, C) Mineralización fumarólica formada a lo largo de fracturas secundarias con predominio de azufre nativo. Puntos de muestreo 22 y 23 (Fig. 2). (D) Mineralización de azufre nativo formada en materiales piroclásticos debido a la desgasificación a través de porosidad y microfracturas. Punto de muestreo 9 (Fig. 2). (D) Vista general de la mineralización fumarólica típica formada en materiales piroclásticos compuestos principalmente de fluoruros de Al-Mg-Ca-Na y cloruros asociados. Punto de muestreo 15 (Fig. 2). (E-G) Detalle de las morfologías concéntricas asociadas a la desgasificación efusiva formada por fluoruros de Al-Mg-Ca-Na. (H) Agregados botrioidales de verneita (Na2Ca3Al2F14) formados por la actividad de fumarolas proximales ubicadas cerca de los cráteres principales. Punto de muestreo 13 (Fig. 2). (I) Agregados blanquecinos de microcristales esqueléticos de fluoruros de Al-Mg-Ca-Na asociados con actividad fumarólica en cavidades en los materiales volcánicos. Punto de muestreo 13 (Fig. 2).

Se encontró que los depósitos de fumarolas ubicados en las áreas distales del grupo principal de cráteres eran predominantemente blanquecinos. Se encontró que este tipo de depósito ocurre principalmente por desgasificación asociada con fracturas por inestabilidad y porosidad relacionadas con bloques erráticos que estaban parcialmente cubiertos por materiales piroclásticos (Fig. 3a). Esta mineralización formó parches eflorescentes concéntricos, donde fue posible distinguir microestructuras cilíndricas asociadas a la emisión efusiva de gases (Fig. 3b,c).

En áreas fumarólicas más proximales (cerca del grupo principal de cráteres), la mineralización fumarólica mostró coloraciones características de amarillo a naranja rojizo (Fig. 4a). Estos parches eflorescentes se ubicaron generalmente a lo largo de fracturas secundarias de desgasificación (Fig. 4b, c), así como en pequeños sectores de desgasificación generados a través de porosidad y microfracturas de materiales piroclásticos (Fig. 4d, e). Los minerales precipitados definieron formas circulares a cónicas asociadas con la desgasificación efusiva (Fig. 4f, g). Se encontró que estaban compuestos de formaciones botrioidales concéntricas de tonos anaranjados amarillentos (Fig. 4h) así como agregados microcristalinos esqueléticos de coloración variable desarrollados en cavidades (Fig. 4i).

La caracterización mineralógica de las muestras de fumarolas de Tajogaita reveló un conjunto mineral muy complejo formado por diferentes episodios de sobreimpresión. Debido al fuerte predominio de las fases criptocristalinas, consideramos que la XRD en polvo es una técnica particularmente adecuada para identificar este tipo de mineralización. En el material complementario, se presentan escaneos XRD seleccionados para las muestras estudiadas (Figs. S1–S9). Además, para arrojar algo de luz sobre la compleja paragénesis de las fumarolas, fue necesario realizar estudios texturales mediante análisis FE-SEM-EDS de las muestras.

Recientemente, Balić-Žunić et al.34 propusieron una clasificación de las fases fumarólicas según las temperaturas de mineralización, distinguiendo paragénesis mineral de (1) temperatura alta (HT, > 400 °C), (2) temperatura media (MT, 200–400 °C). C), y (3) baja temperatura (LT, < 200 °C). En la Fig. 5 se propone una paragénesis mineral plausible para las fumarolas de Tajogaite en relación con estos rangos de temperatura y se analiza con más detalle en las siguientes subsecciones.

Paragénesis mineral de las fumarolas de Tajogaita en relación con la temperatura. Ocurrencia de fases minerales: *rara; **común; ***muy común. También se indica si la identificación de especies se realizó mediante difracción de rayos X en polvo (XRD) o FE-SEM-EDS (SEM).

Dentro del grupo de elementos nativos, el azufre es la única especie reportada en las fumarolas del volcán Tajogaite (Figs. 5, S1). El azufre nativo es uno de los minerales más comunes en las fumarolas de todo el mundo (Tabla S1). En Tajogaite, se presenta como cristales esqueléticos bien definidos de hasta 2 cm de tamaño, desarrollados en pequeñas cavidades y superficies irregulares y generando parches de color amarillo limón muy característicos (Fig. 4a-d). Si bien la formación de azufre está relacionada únicamente con condiciones de baja temperatura (< 120 °C)34, se puede encontrar asociado con una variedad significativa de especies debido a la evolución de las condiciones térmicas y la sobreimpresión con diferentes etapas minerales. En áreas fumarólicas más proximales a la alineación de los cráteres, se asocia comúnmente con fluoruros de Al-Mg-Fe-Ca como hidrokenoralstonita, fluornatrocoulselita o meniailovita (Fig. 6a-c).

Imágenes SEM (electrones retrodispersados, BSE) de la mineralización fumarólica Tajogaite. (A) Cristales euédricos de yeso (Gp) asociados con hidrokenoralstonita (Hkra) y cristales esqueléticos de azufre nativo (S). (B) Cristales esqueléticos de azufre nativo (S) típicamente asociados con fluoruros de Al-Mg-Ca-Na: hidrokenoralstonita (Hkra), fluornatrocoulselita (Fnc) y meniailovita (Myl) cubiertos por una pátina posterior de eritrosiderita (Esd). (C) Conjunto completo de fluoruros de Al-Mg-Ca-Na del área de Tajogaita: hidrokenoralstonita (Hkra), leonardsenita (Lnd), verneita (Ver) y fluornatrocoulsellita (Fnc) con la típica pátina posterior de eritrosiderita (Esd). (D) Cristal euédrico de meniailovita (Myl) asociado a agregados aciculares de sbacchiita (Scc). (E) Recubrimiento de eritrosiderita (Esd) y cristal euhédrico de meniailovita (Myl) asociado a verneita (Ver) y cristales aciculares de sbacchiita (Scc). (F) Agregados globulares de verneita (Ver) asociados a leonardsenita (Lnd) y posteriormente a sbacchiita (Scc). (G) Vista detallada de los agregados aciculares de sbacchiite (Scc). (H) Ensamblaje típico de fluoruros compuesto por hidrokenoralstonita (Hkra), verneita botrioidal (Ver), meniailovita (Myl) y cristales aciculares posteriores de sbacchiita (Scc).

Debido a las condiciones ácidas típicas de los ambientes fumarólicos, los carbonatos son fases inusuales no solo en las fumarolas de Tajogaite sino también en la mayoría de las localidades fumarólicas en todo el mundo (Tabla S1). En Tajogaite, solo identificamos dos especies de carbonatos alcalinos (thermonatrite y trona; Figs. 5, S2-S3) con DRX. Estos minerales forman costras milimétricas criptocristalinas típicas. Ambos carbonatos solo se identificaron en fumarolas distales en asociación con sulfatos hidratados, formando los típicos parches eflorescentes blanquecinos (Fig. 3).

Los sulfatos son el grupo más representado en las fumarolas de Tajogaita. De hecho, se identificaron hasta 10 especies en las fumarolas del volcán (Fig. 5). Los sulfatos se encontraron generalmente en las fumarolas más distales, generando los típicos parches blanquecinos comúnmente asociados con la halita y los carbonatos alcalinos (Figs. S1–S4). Solo unas pocas especies de sulfatos (p. ej., yeso, mascagnita, anhidrita y jarosita) ocurrieron en parches anaranjados-amarillentos ubicados en fumarolas más proximales, donde típicamente se asocian con fluoruros de Al-Mg-Fe-Ca (Fig. 6a).

El grupo de los fluoruros es probablemente el más característico y abundante en los parches fumarólicos anaranjados-amarillentos de las fumarolas más proximales (Fig. 4e-h). En Tajogaite, identificamos hasta 8 especies diferentes de fluoruros de Al-Mg-Fe-Ca (fluorite, sellaite, fluornatrocoulsellite, hydrokenoralstonite, meniaylovite, leonardsenite, verneite y sbachiite, Figs. 5, S5-S8). Es probable que otros compuestos no identificados estén presentes en estas muestras. Se ha informado de un conjunto muy similar en localidades fumarólicas de Islandia (p. ej., Eldfell, Hekla y Surtsey; Tabla S1). Aunque estos fluoruros normalmente se presentan como agregados criptocristalinos masivos (p. ej., fluornatrocoulselita, hidrokenoralstonita o leonardsenita), es posible distinguir cristales octaédricos bien definidos de meniailovita (Fig. 6c-e), generalmente asociados con sbachiita acicular (Fig. 6f, g). ). La verneita también se presenta como agregados botrioidales (Fig. 6h) que pueden alcanzar hasta 3 mm y son observables a simple vista (Fig. 4h).

Los cloruros están bien representados en diferentes áreas de las fumarolas de Tajogaite. Una de ellas es la salamoníaca, que es una especie muy común en varias localidades del mundo (Tabla S1) pero relativamente escasa en la zona del Tajogaite. Solo fue identificado por XRD asociado con azufre nativo (Fig. S9) en áreas fumarólicas proximales. El resto de los cloruros identificados (halita, silvita, termonatrita y eritrosiderita) se encuentran típicamente en asociación con el conjunto de fluoruros Al-Mg-Fe-Ca (Fig. S5). De hecho, la eritrosiderita generalmente se relaciona con la última etapa de cristalización de los fluoruros de Al-Mg-Fe-Ca, ya que normalmente se presenta como una fina pátina micrométrica que cubre el ensamblaje de fluoruro (Fig. 6e).

La ubicación de fumarolas y respiraderos de vapor de gas (común en campos geotérmicos) marca zonas tectónicamente debilitadas y está directamente controlada por la permeabilidad del terreno. A su vez, la permeabilidad de los edificios volcánicos está relacionada con el marco tectónico regional y local, que determina la dirección de las fracturas por las que el gas puede llegar fácilmente a la superficie35,36.

En el CISP, el marco tectónico corresponde a un margen pasivo intraplaca. Por lo tanto, las zonas de fractura notables debido al movimiento de las placas están ausentes y la sismicidad histórica regional solo está controlada por la actividad volcánica37. No obstante, las fracturas generadas por el hundimiento de materiales eruptivos y la correspondiente inestabilidad del terreno son frecuentes en Canarias38,39,40,41.

Las grietas de las islas son otra característica geomorfológica típica asociada con las fracturas del terreno en las islas volcánicas oceánicas y están muy extendidas en el CISP. Estas dorsales están formadas por enjambres de diques paralelos y subparalelos generados por la migración de magma de sucesivas erupciones con fuentes magmáticas cercanas a través de fallas normales42,43. Se forma una zona de tensión significativa debajo del eje del rift debido a la tensión gravitatoria horizontal inducida por la topografía44. Este camino de inestabilidad es bien aprovechado por el magma y los gases asociados en su ascenso. Modelos hechos de bloques de gelatina han reproducido con éxito este comportamiento en experimentos de laboratorio45,46.

En el caso del volcán Tajogaite, observamos que los cráteres están alineados en dirección NNO cerca de la dirección del eje del rift de Cumbre Vieja (Figs. 1, 2 y S10), y los registros sísmicos muestran la migración de magma de sur a norte siguiendo esta dirección del rift47. Se ha descrito un efecto similar de estrés gravitacional inducido por la topografía a escala de los bordes de los cráteres36,48. Las fallas concéntricas y las fumarolas asociadas siguen el borde del cráter Tajogaite, lo que demuestra que el campo de tensiones también juega un control topográfico en la alineación de fracturas a escala local (Figs. 2, S10).

Además, reportamos dos crestas con importantes fumarolas en la parte superior, ubicadas al SO del cúmulo de conos volcánicos (Fig. 2). Corresponden a la parte distal relicta de un borde de cráter alargado abierto hacia el oeste durante la primera etapa eruptiva (alrededor del 27 de septiembre de 2021).

A esta escala local, especulamos que, además del efecto de la tensión de gravedad inducida por la topografía, se debe agregar el efecto del control de la gravedad sobre el espesor de la cubierta volcanoclástica. La pendiente de los flancos y crestas del cráter también puede controlar el espesor de la cubierta de tefra depositada en la superficie. En consecuencia, el espesor de los sedimentos volcanoclásticos sería más delgado en la parte superior de las crestas y los bordes del cráter y más grueso en los relieves negativos y el centro del cráter. Por lo tanto, este control en el espesor de los depósitos volcánico-sedimentarios produciría una mayor permeabilidad a la circulación de gases en los relieves elevados, explicando la mayor ocurrencia de fumarolas en estas áreas del volcán Tajogaite (Fig. 2).

Con el objetivo de evaluar el grado de homogeneidad composicional y las temperaturas de mineralización en el campo fumarólico del volcán Tajogaite, realizamos una estimación aproximada del contenido de los siguientes cationes/aniones mayoritarios en los minerales fumarólicos: CO32−, F, Al, Na, Mg, Al, S, SO42−, Cl, Ca y Fe. Para este propósito, empleamos datos SQ obtenidos de los análisis de fase SQ de los escaneos XRD utilizando el método RIR o, en algunos casos, de los análisis SEM-EDS. En el primer caso, utilizando los valores porcentuales en peso obtenidos para los minerales identificados en cada muestra y despreciando la contribución de las fases volcánicas y los minerales de alteración como los óxidos de Fe, inferimos cualitativamente los elementos mayoritarios en las muestras investigadas. Estos datos nos permitieron producir un mapa mineralógico que muestra una distribución tentativa de los elementos aniónicos más abundantes en los minerales de fumarola [es decir, C (en forma de carbonatos), F (en forma de fluoruros), S (azufre nativo o en el forma de sulfatos) y Cl (en forma de cloruros)] en el campo de fumarolas de Tajogaite. Aunque estos elementos fueron expulsados ​​directamente durante la desgasificación, cabe señalar que aquí no estamos tratando de producir un mapa de composición de gases. Estos elementos corresponden básicamente a los principales aniones composicionales presentes en los minerales fumarólicos49. En particular, hacemos la distinción entre azufre nativo y SO42− porque estamos específicamente interesados ​​en la conexión entre la distribución y la homogeneidad de la mineralización, y también en su temperatura de formación.

Los resultados así obtenidos se representan en el mapa de la Fig. 2, donde puede verse que la distribución de aniones es, a primera vista, bastante heterogénea. Sin embargo, una inspección más cercana sugiere que el conjunto de azufre nativo de baja temperatura prevalece alrededor de la alineación de los cráteres, así como en las zonas proximales cubiertas por gruesas capas de tefra. Por el contrario, no se encuentra un predominio de azufre nativo en los flujos de lava del NE, donde parecen prevalecer los minerales que contienen halógeno de temperatura más alta. A su vez, entre las muestras investigadas, los carbonatos y sulfatos de baja temperatura solo se encuentran como fases principales en las regiones distales occidentales. Cabe señalar que en la Fig. 2 incluimos muestras recolectadas tanto en febrero como en junio de 2022 ya que no mostraron diferencias composicionales significativas, al menos desde el punto de vista de los elementos mayoritarios obtenidos por XRD-RIR o SEM-EDS.

Es bien sabido que el HCl y el HF son más solubles que el SO2 en el magma, lo que podría explicar en parte la distribución observada de minerales en los campos de fumarolas49. Según esta interpretación, las emanaciones más activas deberían tener mayor contenido en gases sulfurosos, ya que estos tenderían a escapar antes. Las emanaciones de gas se enriquecerían entonces en Cl y F en etapas posteriores de desgasificación, y por tanto también en zonas más distales como los flujos de lava. Sin embargo, esta interpretación no tiene en cuenta la compleja dinámica de la desgasificación, que depende de numerosos factores como la concentración de gas, la temperatura y la presión, el posible grado de dilución del agua subterránea o las interacciones entre las emanaciones y la roca de la pared. De hecho, relaciones elevadas de CO2/S podrían ser un diagnóstico de presiones intermedias (100–300 MPa), mientras que presiones más bajas podrían implicar relaciones altas de H2O/CO2 y S/Cl50. De acuerdo con el modelo de desgasificación de dos etapas de Pennisi y Le Cloarec51, las relaciones Cl/S enriquecidas corresponderían a la desgasificación profunda, mientras que el enriquecimiento de azufre estaría asociado con la desgasificación a presión ambiental (superficial). Independientemente de la presión, está claro que, como se discutió anteriormente, la mineralización de haluros necesariamente tiene lugar a temperaturas más altas, como en el caso del punto de muestreo 15 (Fig. 2). En contraste, las áreas alrededor del borde del volcán, a temperaturas mucho más bajas, dan lugar a grandes extensiones de incrustaciones sulfurosas. Además, no se puede descartar que el agua de mar juegue algún papel en la mineralización fumarólica de este tipo de erupciones, lo que afectaría fuertemente a la distribución final de las fases haluros52.

Desde principios del siglo XX se ha intentado establecer una relación entre las condiciones genéticas de las fumarolas volcánicas y el ensamblaje mineral formado en estos ambientes53,54,55. Como se mencionó anteriormente, una de las propuestas más recientes es la clasificación de minerales relacionada con la temperatura de Balić-Žunić et al.34, que distingue conjuntos minerales de (1) alta temperatura (HT, > 400 °C), (2) temperatura media (MT, 200–400 °C), y (3) baja temperatura (LT, < 200 °C). Sin embargo, los mismos autores sugieren que los minerales de estos tres grupos pueden presentarse estrechamente asociados, lo que puede atribuirse a la importante fluctuación de las condiciones de temperatura que tiene lugar en ambientes volcánicos.

En el caso de las fumarolas de Tajogaita, la mineralogía refleja fuertemente este patrón de sobreimpresión. Sin embargo, se pueden identificar claramente al menos tres conjuntos minerales diferentes, relacionados con condiciones térmicas específicas de formación.

El primer conjunto típico se encuentra especialmente en áreas fumarólicas más proximales. Forman parches de color naranja amarillento (Fig. 4e-i), compuestos principalmente de fluoruros de Al-Mg-Fe-Ca (p. ej., hidrokenoralstonita, fluornatrocoulsellita, meniailovita, verneita, leonardsenita y sbachiita) comúnmente asociados con cloruros. El estudio mineralógico y textural de este segundo tipo de muestra reveló una secuencia de cristalización bien establecida. Durante condiciones de temperatura más alta, la hidrokenoralstonita es la fase mineral más abundante (Fig. 7) y generalmente está acompañada por fluornatrocoulsellita y meniailovita (Fig. 6b, c). Una segunda etapa más fría produjo un enriquecimiento de Ca y la formación de verneita (Fig. 7), seguida de la cristalización de leonardsenita (Fig. 7). La sbachiita está presente en algunas muestras como cristales aciculares bien definidos correspondientes a la última etapa de formación (Fig. 6f). La secuencia se caracteriza típicamente por un enriquecimiento en Fe (Fig. 7) y la formación de una pátina de eritrosiderita micrométrica, que se identificó en casi todas las muestras estudiadas (Figs. 6b, e, 7). De acuerdo con la clasificación propuesta por Balić-Žunić et al.31, este conjunto debe asignarse a condiciones MT (200–400 °C). Sin embargo, los cloruros alcalinos (p. ej., halita y silvita) generalmente representan los productos de temperatura más alta y el límite térmico de formación debe establecerse alrededor de 300 °C (Fig. 5).

Mapas de rayos X de longitud de onda dispersiva de elementos representativos del ensamblaje típico de fluoruro-cloruro de las fumarolas proximales de Tajogaita: eritrosiderita (Esd) leonardsenita (Lnd), verneita (Ver), halita (Hl) e hidrokenoralstonita (Hkra).

En ciertos sectores de estas áreas fumarólicas de MT, la mineralización de fluoruros y cloruros suele acompañarse de un segundo ensamblaje que se caracteriza por el predominio del azufre nativo, una fase mineral clásicamente relacionada con las condiciones de LT (< 120 °C)31. Además, el azufre nativo también podría estar asociado con otras fases LT como yeso (Figs. 6a, S1), mascagnita y salammoniac (Figs. 5, S9). La observación de minerales LT ocasionales en asociación con las fases MT es probablemente una consecuencia de variaciones significativas de temperatura en el entorno de la fumarola y, en consecuencia, en todo el sistema volcánico.

El tercer conjunto es característico de respiraderos ubicados en zonas distales, pero también en la parte externa de fumarolas proximales. Este tipo de mineralización define parches eflorescentes blancos (Fig. 3a-c), compuestos principalmente de sulfatos hidratados (p. ej., yeso, halotricita, hexahidrita, epsomita o tamarugita), frecuentemente asociados con carbonatos alcalinos (p. ej., termonatrita, trona). Cabe señalar que el azufre nativo está ausente en esta mineralización específica. La presencia generalizada de carbonatos alcalinos en este tipo de mineralización fumarólica sugiere condiciones de pH neutro, ya que los carbonatos son solubles en ambientes de alta acidez. Estas condiciones específicas de pH también pueden indicar la circulación de grandes volúmenes de agua líquida, lo que sugiere que este conjunto mineral puede estar relacionado con las condiciones LT, necesariamente por debajo de 100 °C (Fig. 5). Esta asociación de minerales se puede lograr fácilmente mediante la sobreimpresión de las fases de cristalización durante el enfriamiento correspondiente de los materiales volcánicos después del proceso eruptivo principal. El hecho de que esta secuencia mineral no se encuentre más allá de las cercanías del cúmulo principal de cráteres puede estar relacionado con fluctuaciones de temperatura en el sistema fumarólico que pueden generar más heterogeneidad y una sobreimpresión caótica.

En el trabajo reciente de Martínez-Martínez et al.11 se ha propuesto una clasificación preliminar general de la mineralización fumarólica de Tajogaita sobre la base de mediciones de gas y trabajos de campo realizados solo un mes después del final del período volcánico activo. Estos autores reportan: (1) una zona de azufre-sulfato, próxima al área de los cráteres; (2) una zona de haluros y (3) una zona salamónica en áreas medio-distales. Esta conclusión es, en términos generales, similar y congruente con el modelo propuesto en el presente manuscrito, donde presentamos datos con mayor resolución espacial pero solo alrededor del edificio volcánico. Si bien Martínez-Martínez y sus coautores informan muchos casos interesantes de minerales que contienen (NH4), en el presente trabajo hemos encontrado una mayor cantidad de especies, como fluoruros de Al-Mg-Fe-Ca, identificados sin ambigüedades mediante observaciones petrográficas y XRD. mediciones. Los diferentes períodos y lugares de muestreo, junto con la complejidad de este tipo de campañas de campo, pueden explicar en parte las diferencias observadas, lo que sugiere que futuros trabajos similares podrían beneficiarse de muestreos con resoluciones temporales y espaciales mucho mayores.

Martínez-Martínez et al.11 también concluyen, sobre la base de mediciones de temperatura in situ, que estas asociaciones minerales pueden ocurrir a temperaturas mucho más altas que las reportadas en trabajos previos. Esta conclusión también merece futuras investigaciones. De acuerdo con nuestras propias mediciones y observaciones in situ, la determinación de las temperaturas de las fumarolas, que pueden verse fuertemente afectadas por factores no controlados como las condiciones del viento o la difusión del calor y el enfriamiento de la pared rocosa, no es sencilla y podría sobreestimarse fácilmente. Las configuraciones experimentales como las propuestas por Zelenski et al.56 pueden proporcionar información invaluable sobre la composición específica del gas y la temperatura requerida para precipitar los minerales fumarólicos.

Finalmente, es interesante notar que nuestro modelo está muy bien reproducido a una escala mucho más pequeña en algunas fumarolas alrededor de bloques erráticos, que no involucraron temperaturas muy altas. Como puede verse en la Fig. 8, los tres ensamblajes característicos producidos en función de la temperatura decreciente se identifican fácilmente: (1) los fluoruros de Al-Mg-Fe-Ca de temperatura media y los cloruros asociados cercanos a los bloques erráticos (~ 300– 180 °C); (2) azufre nativo asociado con yeso, mascagnita y salamonio (~ 120–100 °C) en puntos algo más distantes (y por lo tanto más fríos) alrededor del bloque, y (3) sulfatos y carbonatos hidratados a baja temperatura relacionados con áreas aún más frías ( < 100 °C).

(A) Modelo esquemático de la formación de la mineralización fumarólica de Tajogaita según diferentes etapas de enfriamiento. (B) Vista general de un afloramiento fumarólico desarrollado alrededor de un bloque errático. Es posible distinguir la secuencia típica de minerales desarrollada durante el enfriamiento en Tajogaite, con presencia de conjuntos minerales de (1) fluoruros y cloruros de temperatura media (MT) (~ 300–180 °C); (2) azufre nativo de baja temperatura (LT) en asociación con otras fases accesorias (por ejemplo, yeso, mascagnita y salammoniac) (~ 120–100 °C), y últimamente (3) sulfatos y carbonatos alcalinos de baja temperatura (LT) relacionados con las condiciones de temperatura más bajas (< 100 °C).

A pesar de su claro interés tanto desde el punto de vista mineralógico como vulcanológico, los estudios mineralógicos detallados de fumarolas son globalmente escasos. El presente trabajo proporciona un buen ejemplo de cómo la mineralogía detallada puede proporcionar información significativa sobre la evolución térmica en este tipo de ambiente. Por ejemplo, parece claro que el monitoreo continuo de la mineralización de fumarolas podría proporcionar una mejor comprensión de la evolución del sistema volcánico en cuestión y podría ser útil para complementar los estudios vulcanológicos. El objetivo final de este tipo de herramientas topográficas es proporcionar la mayor cantidad de información posible de cara a la gestión del riesgo volcánico asociado.

En resumen, las principales conclusiones de este trabajo son las siguientes:

La mineralización relacionada con las fumarolas de Tajogaita formó parches eflorescentes ubicados a una distancia variable del grupo principal de cráteres volcánicos. Los parches distales son predominantemente blanquecinos, mientras que en las cercanías de los cráteres principales, típicamente muestran colores amarillentos a anaranjados.

La ubicación de las fumarolas de Tajogaite está directamente controlada por la permeabilidad de los materiales volcánicos. Las fumarolas ocurren principalmente en áreas topográficas elevadas que son más permeables a la circulación de gases.

Se ha descrito un conjunto mineral complejo en las fumarolas de Tajogaita. Está dominado por fases relacionadas con condiciones de temperatura baja (< 200 °C) y temperatura media (200–400 °C).

Se han distinguido tres tipos diferentes de mineralización: (1) fluoruros de Al–Mg—Fe–Ca y cloruros asociados ubicados en las fumarolas proximales (~ 300–180 °C); (2) azufre nativo y fases LT asociadas (p. ej., yeso y, más raramente, mascagnita y salamónica), relacionadas con etapas más frías de la mineralización proximal (~ 120–100 °C); (3) sulfatos y carbonatos alcalinos asociados a áreas fumarólicas distales (< 100 °C).

La observación de minerales LT en asociación con fases MT es probablemente una consecuencia de la variación de temperatura del entorno de la fumarola. Sin embargo, se debe realizar más investigación para comprender completamente cómo los diferentes conjuntos de minerales dependen de la temperatura, así como de otros parámetros clave (composición del gas, pH, presión, permeabilidad de la roca, etc.) para vincular la evolución del sistema volcánico con estos reportaron mineralización fumarólica.

Los autores confirman que los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el artículo y sus materiales complementarios.

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Hanson, SL, Falster, AU & Simmons, WB Mineralogía de los depósitos de fumarolas: Monumento nacional del volcán del cráter al atardecer, norte de Arizona. Minero de rocas. 83(6), 534–546. https://doi.org/10.3200/RMIN.83.6.534-546 (2010).

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Zhitova, ES et al. Sulfatos eflorescentes con cationes M+ y M2+ de fumarola y campos geotérmicos activos del volcán Mutnovsky (Kamchatka, Rusia). Minerales 12, 600. https://doi.org/10.3390/min12050600 (2022).

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Esta investigación ha sido financiada por el proyecto MAGEC-REEmounts (ProID-20211010027) de la Agencia Canaria para la Investigación, la Innovación y la Sociedad de la Información (ACIISI) del Gobierno de Canarias, el Museo de Ciencias Naturales (Museu de Ciències Naturals ) de Barcelona y el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Queremos agradecer a Miguel Ángel Morcuende como Director del Plan de Emergencia Volcánica de Canarias (PEVOLCA) por permitirnos el acceso a la zona del Tajogaite durante el trabajo de campo. También agradecemos a Gerard Lucena por su minucioso trabajo en la elaboración de secciones delgadas pulidas ya Steve Burns por la corrección de lenguaje y gramática. Las tasas de publicación han sido cobradas por el proyecto ULPGC Excellence, financiado por la Consejería de Economía, Conocimiento y Empleo del Gobierno de Canarias. Finalmente, nos gustaría destacar el extraordinario trabajo realizado durante la emergencia volcánica por el equipo de PEVOLCA, los comités científico y de dirección y las fuerzas de seguridad y emergencia. Su acción y cooperación fueron esenciales para garantizar la seguridad de todos los involucrados durante esta erupción volcánica de 3 meses en La Palma.

Departamento de Mineralogía, Museo de Ciencias Naturales de Barcelona, ​​Paseo Picasso s/n, 08003, Barcelona, ​​Spain

Marc Campeny

Instituto de Oceanografía y Cambio Global, IOCAG, Dept. de Física, Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, 35017, Las Palmas de Gran Canaria, Spain

Inmaculada Menéndez, Jorge Yepes & José Mangas

Geosciences Barcelona (GEO3BCN), Spanish Council for Scientific Research (CSIC), Lluís Solé y Sabarís s/n, 08028, Barcelona, ​​Spain

Jordi Ibáñez-Insa & Soledad Álvarez-Pousa

Agencia Estatal de Investigación, Calle Torrelaguna 58, 28027, Madrid, Spain

Jesús Rivera-Martínez

Instituto de Materiales y Nanotecnología, Departamento de Física, Universidad de La Laguna, apdo correos 456, 38200, La Laguna, Tenerife, Spain

Jorge Méndez-Ramos

Instituto de Oceanografía y Cambio Global, IOCAG, Dept. de Ingeniería Civil, Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, 35017, Las Palmas de Gran Canaria, Spain

Jorge Yepes

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Conceptualización: MC, JM y JI-I. y yo soy; metodología: J.-II, SA-P., MCJM y JR-M.; análisis de software: JI-I., JR-M., SA-P.; validación de resultados: MC, JM, JI-I., JR-M. y JY; análisis formal: MC, JI-I. y SA-P.; financiación y recursos: JM y JM-R.; curación de datos: JI-I., SA-P., JR-M. y CM; redacción-preparación borrador original: MC, JI-I., JM, IM y JR-M.; redacción-revisión y edición: MC, JM y JI-I.; visualización de datos: JY, JR-M. y yo soy; supervisión: MC, JI-I. y JM; administración del proyecto: JM y JM-R.; financiación adquisición: JM y JM-R. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia to Marc Campeny.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Campeny, M., Menéndez, I., Ibáñez-Insa, J. et al. The ephemeral fumarolic mineralization of the 2021 Tajogaite volcanic eruption (La Palma, Canary Islands, Spain). Sci Rep 13, 6336 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33387-6

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Recibido: 25 noviembre 2022

Aceptado: 12 abril 2023

Publicado: 18 abril 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33387-6

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