Carbon and sulfur isotopes in tree rings as a proxy for volcanic degassing

Abstract

Trees are useful archives of past atmospheric conditions. They have most commonly been used to infer large-scale changes in climate, industrial pollution, and the magnitude and frequency of geological hazards. While geochemical changes in tree rings have been linked to localized anthropogenic smelter pollution, their potential to track geochemical changes in volcanic degassing has not yet been fully realized. Here, we applied a new proxy using sulfur and carbon isotopes in tree rings to examine fluctuations in gas emission at Turrialba volcano, Costa Rica. Since 2009, Turrialba has emitted a persistent gas plume and increasingly frequent explosions and ash eruptions as activity has accelerated. We collected cores from a species of alder tree, Alnus acuminata, at several locations surrounding the volcano. Biannual isotopic analysis of rings demonstrated a notable δ34S shift of –5.2‰ and a similarly sharp δ13C shift of +1.3‰ in trees downwind of the plume following the onset of strong degassing in 2009. We propose that these shifts in the isotopic values of the tree correspond to those of the volcanic SO2 and CO2, and in the case of the δ13C, an additional fractionation caused by leaf impairment from exposure to volcanic SO2. This new proxy can be applied to other volcanoes as a novel method of obtaining a temporal record of degassing, a crucial tool for volcano monitoring.

Los árboles son archivos útiles de las condiciones atmosféricas pasadas. Se han utilizado con mayor frecuencia para inferir cambios a gran escala en el clima, la contaminación industrial y la magnitud y frecuencia de los peligros geológicos. Si bien los cambios geoquímicos en los anillos de los árboles se han relacionado con la contaminación antropogénica localizada de las fundiciones, su potencial para rastrear los cambios geoquímicos en la desgasificación volcánica aún no se ha realizado completamente. Aquí, aplicamos un nuevo proxy usando isótopos de azufre y carbono en anillos de árboles para examinar las fluctuaciones en la emisión de gas en el volcán Turrialba, Costa Rica. Desde 2009, Turrialba ha emitido una columna de gas persistente y explosiones y erupciones de cenizas cada vez más frecuentes a medida que la actividad se ha acelerado. Recolectamos núcleos de una especie de aliso, Alnus acuminata, en varios lugares alrededor del volcán. El análisis isotópico semestral de los anillos demostró un cambio notable de δ34S de –5,2 ‰ y un cambio de δ13C igualmente pronunciado de + 1,3 ‰ en los árboles a sotavento del penacho tras el inicio de una fuerte desgasificación en 2009. Proponemos que estos cambios en los valores isotópicos del árbol corresponden a los del SO2 volcánico y CO2, y en el caso del δ13C, un fraccionamiento adicional causado por el deterioro foliar por exposición al SO2 volcánico. Este nuevo proxy se puede aplicar a otros volcanes como un método novedoso para obtener un registro temporal de desgasificación, una herramienta crucial para el monitoreo de volcanes.