Delle im Ozean durch Magmablase im Erdmantel

Die Karte zeigt die Schwerkraftanomalien des Geoids. Die Schwerkraft-Anomalie vor Indien ist Blau eingezeichnet. Dort vermuten Geowissenschaftler eine gigantische Magmablase.
1000-fach überhöht dargestellte Schwerkraftverteilung des Geoids. © ASU-MATLAB

Dass das Geoid der Erde eher einer schrumpeligen Kartoffel gleicht, anstatt einer glatten Murmel ist keine neue Erkenntnis. Exakte Messungen des Schwerefelds der Erde enthüllten dies schon vor einigen Jahren. Das mittlere Niveau des Meeresspiegels gilt als Referenzwert des Geoids. Ungeachtet des Tidenhubs weicht auch der Meeresspiegel vom Ideal des Geoids ab. So gibt es mitten auf den Weltmeeren Gebiete, in denen der Meeresspiegel höher, oder tiefer ist, als der Referenzwert. Seefahrer bemerken diese seltsame Berg-und Talfahrt mitten im Ozean nicht, da die Gebiete so groß sind, dass es nur seicht bergab und bergauf geht.

Vor der Südspitze Indiens liegt die tiefste Delle der Ozeane: in einem riesigen Areal liegt der Meeresspiegel mehr als hundert Meter unter dem normalen Niveau. Diese Delle im Meeresspiegel wird durch eine Schwerkraftanomalie hervorgerufen. Doch wie diese Schwerkraftanomalie zustande kommt, blieb lange ein Rätsel. Nun haben indische Wissenschaftler ein Modell entwickelt, das die Anomalie erklären könnte. Demnach soll eine gigantische Magmablase im Erdmantel für die Delle verantwortlich sein. Die Forscher um Attreyee Ghosh (Indian Institute of Science in Bangalore) sind dieser Magmablase auf die Spur gekommen, indem sie globale Konvektionsmodelle berechneten. Bei ihren Computersimulationen variierten sie die angenommene Viskosität des Mantelmaterials, welches in gigantischen Zellen rotiert. Bei einigen Modellrechnungen stimmten die Viskositäts-Parameter ziemlich genau mit den gemessenen Abweichungen des Geoids überein.

Wenn es im Erdmantel unter der Meeresdelle ein großes Magmareservoir gibt, stellt sich natürlich die Frage woher dieses kommt. Die Wissenschaftler vermuten unter Ostafrika den aufsteigenden Arm einer Konvektionszelle, der Gesteinsschmelze aus dem unteren Mantel in den Oberen transportiert. Der Strom geschmolzenen Gesteins schert im oberen Bereich des Erdmantels ab und transportiert die Schmelze wie in einem gigantischen Förderband Richtung Nordosten. Warum sich das Material aber vor der Südspitze Indiens sammelt ist unklar. Vielleicht blockiert subduziertes Krustenmaterial einer -inzwischen inaktiven- Subduktionszone das Förderband, so dass sich die Gesteinsschmelze aufstaut. Submarine Vulkane gibt es in diesem Gebiet allerdings nicht.

In diesem Zusammenhang fällt mir ein anderes Phänomen des indischen Subkontinents ein: die Dekkan-Trappbasalte. Diese bis zu 2000 Meter mächtige Basaltdecke bedeckt eine Fläche von 1,5 Millionen Quadratkilometern. Die heutigen Ablagerungen sind zum Teil erodiert und haben noch ein Volumen von 500.000 Kubikkilometern. Sie wurden in einem recht großen Zeitraum eruptiert. Wie groß dieser war ist umstritten und man gibt eine gewaltige Zeitspanne von 500.000 – 9.000.000 Jahren an. Der Höhepunkt der Eruptionen ereignete sich vor 66 Millionen Jahren. Ein Zeitraum, der mit dem Aussterben der Dinosaurier korreliert. Der Ausstoß von soviel Lava hat das globale Klima massiv beeinflusst, es kam zu einem Pflanzensterben, so dass die Dinos ihrer Lebensgrundlage beraubt wurden. Einer neuen Theorie zufolge, kam es möglicher Weise  zu einer doppelten Katastrophe von Meteoriteneinschlag und der Eruption des Flutbasalts. Die seismische Schockwelle des Meteoriteneinschlags könnte die Hochphase der Dekkan-Trapp-Eruption ausgelöst haben. Für die Quelle des Flutbasalts wird gerne der La Réunion hot-spot verantwortlich gemacht. Doch lässt man die Kontinente wandern, so sieht man, dass Indien auch über die Stelle der heutigen Schwerkraftanomalie wanderte, wobei unklar ist, ob sie zu dieser Zeit bereits existierte. Vielleicht stieg ein Teil des Magmas aus der Blase auf und schuf den Dekkan Trapp.


Quelle: Geophysical Resarch Letters: The Importance of Upper Mantle Heterogeneity in Generating the Indian Ocean Geoid Low, Attreyee Ghosh, G. Thyagarajulu, Bernhard Steinberger. Die Abbildungen stammen vom ASU MATLAB und Fotolia.

Gunung Agung: wie könnte es weitergehen?

Seit fast 2 Monaten hält der Gunung Agung die Vulkanwelt in Atem. Zunächst standen die Zeichen auf Sturm: durch den schnellen Anstieg von Seismik und Inflation wurde vorzeitig roter Alarm ausgelöst und ein baldiger Vulkanausbruch vorausgesagt. Doch wieder einmal müssen sich die Vulkanologen eingestehen, dass es sehr schwierig ist exakte Prognosen zu stellen. Trotz aller Fortschritte in der Vulkanologie kann man nur sagen, dass der Vulkan sich auf eine Eruption vorbereitet, aber nicht, ob und wann der Feuerberg tatsächlich eruptieren wird. Zu viele Variablen beeinflussen das Geschehen und unser Wissen über die tatsächlichen Vorgänge im Vulkan sind lückenhaft. Viele Annahmen basieren auf Indizien und daraus entwickelten Modellen. Unser Blick in das Erdinnere erfolgt durch die undurchsichtigen Fenster der Messinstrumente. Doch so viel lässt sich sagen: Magma ist in das Gestein unter dem Vulkan eingedrungen und sammelt sich dort an. Sehr wahrscheinlich ist der Magmanachschub noch nicht ganz zum Erliegen gekommen. Die Treibende Kraft hinter dem Magmaaufstieg war der isostatische Druckausgleich: das geschmolzene Gestein ist weniger Dicht (und somit leichter) als das umgebene Festgestein. Daher steigt es wie eine Luftblase in einem Wasserbecken auf. Ab einer gewissen Tiefe (oft sammelt sich das Magma in 5-8 km Tiefe an) reicht dieser Dichteunterschied allerdings nicht mehr aus, um gegen den Widerstand des festen Gesteins weiter aufzusteigen. Ab dann wird zusätzlicher Gasdruck benötigt, der vom Magma selbst geliefert wird. Wie hoch dieser Gasdruck sein muss hängt auch vom Widerstand des umgebenen Gesteins ab. Dieser scheint im Falle des Gunung Agung recht hoch zu sein. Ein weiterer Faktor ist, wie viel Gas durch Fumarolen und Gesteinsporen entweicht. Doch was passiert nun mit dem Magma im Berg? Kann es noch eruptieren und wie lange besteht die Gefahr eines Ausbruchs? Eine einfache Antwort auf diese Fragen gibt es nicht, wohl aber mehrere Szenarien:

  1. Das Magma kühlt langsam ab und erstarrt, ohne dass es zu einer Eruption kommt.
  2. Es strömt weiteres Magma nach bis der Druck so groß ist, dass es eruptiert.
  3. Das Magma entwickelt sich weiter und es kommt später zu einer Eruption.

Wie eine mögliche Eruption aussehen könnte, hängt nicht nur von der Menge des Magmas ab, sondern auch von ihrem Chemismus.  Im Falle von Subduktionszonen-Vulkane ist das primär aufsteigende Magma bereits relativ zähflüssig und reich an flüchtigen Fluiden (Wasser, Gas). In den seltensten Fällen handelt es sich um ein basaltisches Magma. Im günstigsten Fall ist es ein andesitischer Basalt, oder ein Andesit. Letzteres wurde bisher meistens bei den Ausbrüchen des Gunung Agung gefördert. Andesitische Schmelze hat eine mittlere Zähigkeit (Viskosität) und kann als zähflüssige Lavaströme, oder aber auch rein explosiv gefördert werden. Während die Schmelze nun in relativ geringer Tiefe unter dem Berg festsitzt und langsam abkühlt, entstehen feste Minerale, die die Viskosität und Zusammensetzung des verbleibenden Magmas verändern. Der Vulkanologe nennt diesen Reifevorgang magmatische Differentiation. Dabei werden auch weitere Fluide freigesetzt, die für eine Erhöhung des Druckes im Untergrund sorgen können. Dieser Prozess kann Jahrzehnte in Anspruch nehmen, da das Magma im Untergrund gut isoliert ist und nur sehr langsam abkühlt. Am Ende der magmatischen Differentiation steht ein extrem zähes rhyolithisches Magma. Diese Magma-Art enthält viel Gas, da es nur schlecht aus der Restschmelze entweichen kann. Wenn das Gas entweicht, dann erfolgt es meistens explosiv, entsprechend verheerend sind die resultierenden Eruptionen. Rhyolith kann auch effuisv gefördert werden und neigt dann dazu einen Lavadom zu bilden, der den Krater ausfüllt und den Förderschlot verstopft. Erreicht der Dom eine kritische Größe kann er kollabieren, was eine kaskadenartige Reaktion hervorruft. Es entsteht eine hoch aufsteigende Aschewolke und pyroklastische Ströme.

So ein Hergang kann in seinem katastrophalen Verlauf praktisch nur noch durch eine andere Möglichkeit getoppt werden: Nach einiger Zeit steigt frisches Magma aus großer Tiefe auf und vermischt sich mit der rhyolithischen Schmelze. Diese Magma-Mischungsprozesse gehen für gewöhnlich mit sehr starken Eruptionen einher, die nicht selten dazu führen, dass der obere Bereich des Vulkans weggesprengt wird. Ein Beispiel hierfür ist die Krakatau-Eruption von 1883. Doch dies ist ein relativ unwahrscheinliches worst case Szenario.

Tremor und der Schrei des Vulkans

Vulkanische Erdbeben und Tremor sind wichtige Indizien für einen bevorstehenden Vulkanausbruch. Bei den meisten explosiv eruptierenden Vulkanen wurde harmonischer Tremor registriert und auch bei effusiven Eruptionen ist er nicht selten. Meistens setzt der Tremor einige Stunden vor einer Eruption ein und hält auch während dieser an. Eine Abnahme des Tremor ist meisten ein Hinweis darauf, dass die Eruption langsam zu einem Ende kommt. Wie Tremor entsteht ist nicht zu 100% geklärt, doch es gibt Modelle die mit hoher Wahrscheinlichkeit zutreffend sind.

Wie langperiodische Erdbeben, so schwingt auch der harmonische Tremor üblicher Weise in einer Frequenz zwischen 1-5 Hz. Ein harmonisches Tremorsignal im Seismogramm wird als irregulär sinusoidal beschrieben. Es ähnelt also mehr oder weniger einer Sinuskurve. Auf dem Seismogramm erhält man ein gleichförmiges Signal ohne einzelne Höhepunkte und ohne Unterscheidung in S und P-Wellen. Das Signal hält mehrere Minuten, oft sogar Stunden, oder Tage an. Es wurde auch schon Tremor registriert, der mehrere Wochen, oder Monate anhielt.

Entstehung von harmonischen Tremor

Harmonischer Tremor wird durch Druck-Fluktuationen von entgasenden Magma hervorgerufen, was in den Medien auch schon als „Magma-Wackeln“ bezeichnet wurde: durch entweichende Gasblasen beginnt das zähflüssige Magma zu Wackeln und zu Schwingen, während es durch das Fördersystem des Vulkans aufsteigt. Dieses lässt sich am Besten mit einem Topf voll kochendem Haferschleim vergleichen. Die brodelnden Gasblasen versetzten den Schleim in Schwingung, was sich auf den Topf überträgt. Wir hören ein dumpfes Brodeln. Genauso kann auch der vulkanische Tremor Infraschall hervorrufen, den wir mit bloßem Ohr normalerweise nicht hören können. Die Betonung liegt auf normalerweise, denn mir ist in der Nähe aktiver Förderschlote bereits öfters ein dumpfes Grollen am Rande der Wahrnehmbarkeit zu Ohr gekommen, welches ich mit dem spürbaren Tremor assoziierte. In der Tat kann die Frequenz eines Tremors bis zu 30 Hz betragen, wenn der Vulkan unmittelbar (Sekunden) vor einer Explosion steht.

Wissenschaftler des AVO untersuchten an mehreren Vulkanen harmonischen Tremor. Vielen Feuerbergen scheint eigens zu sein, dass der Tremor mit niedrigen Frequenzen (0,5-2 Hz) beginnt, welche sich unmittelbar vor einer Eruption bis auf 20 Hz (und sogar darüber hinaus) steigern.

Infraschall und der Schrei des Vulkans

Mit Hilfe eines einfachen technischen Tricks konnten die AVO-Wissenschaftler um Alicia Hotovec-Ellis den, vom Tremor erzeugten, Infraschall für Menschen hörbar machen: sie beschleunigten Aufnahmen des Infraschalls 60-fach (10 Sekunden Audio entsprechen 10 Minuten Tremor) und schon konnten sie den „Schrei des Vulkans“ hören. Je höher der Schrei wird, desto weniger Zeit bleibt bis zur Explosion:

 

Die amerikanischen Wissenschaftler fanden zudem heraus, dass am Vulkan Redoubt in Alaska, nicht nur die Tremorfrequenz ansteigt, je näher eine explosive Eruption rückt, sondern dass dort der Tremor unmittelbar vor einer Explosion ganz aussetzt, der Schrei abrupt verstummt:

 

Nicht-harmonischer (spasmodic) Tremor

Neben dem harmonischen Tremor gibt es noch eine größere Bandbreite von Tremorsignalen, die in einer höheren Frequenz schwingen, als es für harmonischen Tremor typisch ist. Das führt uns zu nicht-harmonischen Tremor, der im englischen Sprachgebrauch als spasmodic tremor bezeichnet wird. Hier liegen die Frequenzen normalerweise über 5 Hz. Wird spasmodic tremor registriert, erfolgen einzelne langperiodische Erdbeben so schnell hintereinander, dass das nächste Erdbeben erfolgt, noch bevor die Schwingungen des vorangegangenen Bebens ausgeklungen sind. Es können sogar S und P-Wellen registriert werden. Bei einem harmonischen Tremor können keine einzelnen Erdbeben mehr voneinander unterschieden werden. Nicht-harmonischer Tremor ist sehr wahrscheinlich noch mit dem Brechen von Gestein assoziiert, während sich die Fluide (Magma und Gas) einen Weg nach oben bahnen.

Eine weitere Sonderform des Tremors ist der gebänderte Tremor, der auf Neudeutsch banded tremor genannt wird. Dieser kommt überwiegend in einem Frequenzbereich zwischen 12 und 20 Hz vor und ist ein zyklisch wiederkehrendes Signal mit gleichlangen Pausen, so dass auf dem Seismogramm ein Bandmuster entsteht. Gebänderter Tremor wurde 2008 und 2009 am Ätna auf Sizilien registriert und analysiert.




Quellen:
Steven R McNutt, Encycolpedia of Earth System Science, 1992
Alicia Hotovec-Ellis, University of Washington (Audio Quelle)
David Bercovici, Geowissenschaftler der Universität Yale

Yellowstone: Supervulkan könnte schnell erwachen

Supervulkane wie der Yellowstone sind beliebte Forschungsobjekte und in den Medien wird gerne über katastrophale Ausbrüche dieser vulkanischen Giganten spekuliert. Öl ins Feuer gießt hierbei eine neue Studie der Geologin Hannah Shamloo von der Arizone State University. Die Wissenschaftlerin ging mit interdisziplinären Methoden an die Erforschung der jüngsten Yellowstone-Eruption vor 631,000 Jahren heran und untersuchte die abgelagerten Tuffe. Im Fokus standen dabei zonierte Pheonkristalle. Diese entstehen wenn das Magma in der Magmakammer unter dem Vulkan abkühlt. Diese Phenokristalle bilden sich um einen mikroskopisch kleinen Kern und prägen Wachstumsringe aus, wie bei einem Baum. Durch Analyse dieser Wachstumsringe kommen die Wissenschaftler nun zu dem Schluss, dass sich ein Supervulkan innerhalb einer viel kürzeren Zeit aufladen kann, als man bisher annahm. Bisherige Annahmen gingen davon aus, dass der Aufheizprozess eines Supervulkans mindestens Jahrhunderte andauert, jetzt geht man von Jahrzehnten aus. Zudem kann kein Wissenschaftler genau sagen, wie weit das Aufheizstadium des Yellowstone Vulkans bereits fortgeschritten ist: an mehreren Stellen im Yellowstone, wurden zwischen 2004 und 2009 eine Bodenanhebung von 15 cm registriert und einige Wissenschaftler sind davon überzeugt, dass sich der Yellowstone-Vulkan bereits in einer Aufheizphase befindet.

Campi Flegrei: Magmakammer lokalisiert

Der italienische Supervulkan Campi Flegrei rückt immer wieder in den Fokus medialen Interesses. Erst vor 2 Wochen sorgte der Calderavulkan bei Neapel für Schlagzeilen, als fast eine ganze Familie in den Gasen des Vulkans erstickte. Nun wurde ein aufsehenerregender Artikel von Forschern um Lucca De Siena (Universität Aberdeen) veröffentlicht. Wie fast jede neue Studie um die Campi Flegrei schürt auch diese Arbeit sorgen um einen bevorstehenden Vulkanausbruch, der so stark sein könnte, dass er unsere Lebensart drastisch beeinflusst.

Die Forscher werteten in erster Linie seismische Daten von mehr als 10.000 Mikroerdbeben aus, die sich in der seismischen Hochaktivitätsphase 1983-84 ereigneten und fertigten ein tomographisches Model (wie es bereits am Yellowstone gemacht wurde) des Untergrundes der Campi Flegrei an. Die resultierende Grafik enthüllt Zonen, in denen es keine Erdbeben gab, oder in denen sich die Erdbebenwellen sehr langsam ausbreiteten. Laufzeitunterschiede von Erdbebenwellen werden durch unterschiedliche Dichte des Materials verursacht und deuteten in diesem Fall auf Fluide hin, die hier erstmalig direkt als Magma angesehen werden. Zudem korrelierten die Forscher die seismischen Daten mit verschiedene physikalischen und chemischen Parametern wie Deformation und Gasflux. Die Summe der Daten lässt nun den Rückschluss zu, dass während der seismischen Krise der 1980iger Jahre Magma aufstieg und dabei die gesamte Region um 180 cm anhob. Das Magma wurde nur durch eine 1-2 km mächtige Gesteinsschicht an der Eruption gehindert. Es soll sich in 4 km Tiefe direkt unter der Stadt Pozzuoli angesammelt haben und breitete sich dann entlang der deckelnden Gesteinsschicht aus. Ein großer Teil des Magmas migrierte in westlicher Richtung unter dem Meeresboden. Vor dem Golf von Pozzuoli liegen die Inseln Procida und Ischia. Der Boden bei Pozzuoli senkte sich wieder ab, als das Magma seitwärts abfloss. So lässt sich nicht einmal sagen, ob der nächste Ausbruch der Campi Flegrei wirklich innerhalb der Caldera stattfinden wird, oder ob sich das Magma außerhalb des eigentlichen Vulkansystems einen Weg nach oben sucht. Es ist auch durchaus möglich, dass eventuelle Anzeichen einer bevorstehenden Eruption übersehen werden, besonders, wenn sich diese am Meeresboden manifestieren sollten.

Aufgrund der Deckschicht wird die Campi Flegrei nun gerne mit einem Dampfdrucktopf verglichen, der jeder Zeit hoch gehen kann.

Die Wissenschaftler sind überzeugt, dass ihre Arbeit nur den oberen Teil eines Magmareservoirs enthüllte, quasi die Spitze des Eisberges. Wie groß die Hauptkammer ist lässt sich nicht sagen. Obwohl die neuen Forschungsergebnisse den Zustand des Vulkans in den 1980iger Jahren beschreiben, steigert der Bericht die Angst vor einem baldigen Vulkanausbruch mit globalen Folgen. Diese Angst wurde zuletzt durch eine Arbeit Ende 2016 vergrößert. Seismische Aktivitätsphasen wie in den 1980iger Jahren ereigneten sich mehrmals in der Campi Flegrei. Sie wurden unter dem Phänomen des Bradyseismos beschrieben und man ging davon aus, dass hydrothermale Tiefenwässer für die Bodenhebung verantwortlich seien. Reservoirs mit diesen Fluiden entdeckten die Forscher der Uni Aberdeen ebenfalls. Bei allen Betrachtungen ist zu bedenken, dass sich Hebungsphasen bereits zu Zeiten der Römer ereigneten und dass sich der Boden dabei um bis zu 300 cm hob und senkte, ohne dass eine Eruption erfolgte!

Für mich ergeben sich folgende Rückschlüsse aus den Berichten der letzten Monate:

  • Der Vulkan Campi Flegrei ist ein aktives Vulkansystem und kein ruhender Vulkan.
  • Vor einer Eruption wird es deutliche Anzeichen von Magmenaufstieg geben.
  • Diese Anzeichen richtig zu interpretieren wird das große Kunststück sein, denn wir wissen erst wie sich der Vulkan vor einem Ausbruch verhalten wird, wenn eine Eruption mit modernen Instrumenten beobachtet wurde.
  • Ich rechne weder heute, noch morgen mit einem Vulkanausbruch der Campi Flegrei. Wir sollten Aussagen wie „jeder Zeit ausbrechen“ unter dem Aspekt geologischer Zeiträume betrachten: der Vulkan kann in ein paar Monaten, Jahren, oder Jahrtausenden ausbrechen.
  • Eine Immobilie würde ich mir im Gebiet der Campi Flegrei dennoch nicht kaufen.

Originalbericht bei nature.com

Antarktis: 91 neue Vulkane entdeckt

In der Antarktis entdeckten Forscher nun die Spuren von 91 subglazialen Vulkanen die bisher im Verborgenen lagen. Die Vulkane liegen entlang des 3000 km langen Westantarktischen Grabenbruchs, wo bereits 47 Vulkane bekannt waren. Somit zählt die Vulkankette zu einer der Größten weltweit. Die Vulkane wurden von Forschern der Uni Edinburgh entdeckt. Maximillian van Wyk de Vries und seine Leute untersuchten Radarbilder der Antarktis und korrelierten diese mit anderen Messungen (Gravitation, Magnetik, Topografie des Eises) um die Vulkane zu identifizieren. Jetzt wollen sie herausfinden, ob die Feuerberge noch aktiv sind.

Es gibt Spekulationen, dass die Wärmestrahlung der Vulkane den Eisschild der Antarktis beeinflussen könnte. weitere Überlegungen befassen sich damit, dass ein schnelles Abschmelzen des Eises durch den Klimawandel, die Vulkane ausbrechen lassen könnte. Es gibt seit längerem die Vermutung, das isostatische Druckentlastung zu vermehrten Vulkanausbrüchen führen könnte.

Bei dem Westantarktischen Grabenbruch handelt es sich um ein divergentes Störungssystem, ähnlich dem Ostafrikanischen Riftvalley. Bekanntester Vulkan der Antarktis ist der Mount Erebus. in seinem Krater brodelt ein Lavasee.

Vulkaneifel: erwachen des Laacher See Vulkans?

Gestern wurde in der WAZ-Onlineausgabe ein Artikel veröffentlicht, der eine steigende Aktivität der Vulkane der Westeifel proklamierte. Ein Wissenschaftler der Uni Duisburg-Essen wurde dabei zitiert, dass es Indizien für einen aktiven Magmenkörper geben würde, der sich derzeit in 40 km Tiefe befinde, ein Ausbruch könne viel schneller stattfinden, als bisher gedacht. Dafür würden neuste seismische Messergebnisse sprechen, sowie Gasanalysen der Mofetten im Laacher See und an der Lahn. Ich wurde darauf hin von besorgten Lesern kontaktiert, ob da denn etwas dran sei? 

Sicher ist es richtig, dass Vulkane auch ohne langfristige Vorzeichen relativ plötzlich eruptieren können. Besonders bei Vulkanen die lange ruhten und bei denen es keinerlei Aufzeichnungen von Eruptionen gibt, kann man sich nicht sicher sein, ob es kurzfristig nicht doch zu einem überraschenden Ausbruch kommen könnte. Mir liegen allerdings keinerlei Informationen vor, dass sich der Status der Vulkane in der Eifel in den letzten Jahren geändert hätte und halte eine unmittelbare, oder mittelbare Eruption für unwahrscheinlich.

Langfristig gesehen ist ein Vulkanausbruch im Gebiet der Vulkaneifel gut möglich, wenn nicht sogar wahrscheinlich. Wobei sich das “langfristig” auf geologische Zeiträume bezieht, die sich in Jahrtausenden und Jahrmillionen rechnen.

Als Besorgnis erregende Anzeichen für eine baldige Eruption würde ich das Aufkommen von vulkanotektonischen Erdbeben ansehen, die in Tiefen weniger als 10 km liegen, kombiniert mit Bodendeformationen, einer deutlichen Änderung der Gaszusammensetzung und eine drastische Temperaturerhöhung der Gase. Um diese Anzeichen zu detektieren bedarf es natürlich ein vernünftiges seismisches Netzwerk und regelmäßige Untersuchung der Gase. Im reichen Deutschland sollte das eigentlich finanzierbar sein! 

Die im oben verlinkten Artikel erwähnten Gasaustritte und vereinzelten Erdbeben sind nur Indizien, dass sich Magma im Untergrund bewegen könnte, aber es sind keine genauen Aussagen darüber möglich, ob es sich tatsächlich um eine Aufheizphase handelt, oder um einen Abkühlungsprozess. Um genauere Aussagen treffen zu können, müsste man Veränderungen über lange Zeiträume dokumentieren. Im Cheb-Becken -da sind sich viele Wissenschaftler sicher- weisen Seismik (hier werden pro Jahr oft mehrere Tausend Mikrobeben registriert) und Veränderungen der Heliumisotop-Konzentrationen in Gasproben tatsächlich darauf hin, dass ein Magmenkörper dabei ist an der Grenze Erdmantel-Erdkruste in letztere einzudringen. Aber auch hier weiß man nicht was passieren wird. Es kommt durchaus häufig vor, dass Magmenkörper in die Erdkruste eindringen, ohne dass ein Vulkan ausbricht. Davon zeugen weltweit zahlreiche Plutone.

Campi Flegrei: droht ein Vulkanausbruch?

In den letzten Tagen kursierten in den Onlinemedien Berichte darüber, dass ein Ausbruch der Campi Flegrei schneller eintreten könnte als bisher geglaubt. Grund für diese Annahme sind neue Ergebnisse einer Forschergruppe um den INGV-Wissenschaftler Giovanni Chiodini, die ihre Arbeit in Nature veröffentlichte. Die Forscher arbeiteten mit physikalischen Modellen um die Druckverhältnisse im komplexen System unter einem mafischen (sauren) Calderavulkan zu verstehen.

Typisch für diese großen Vulkansysteme wie dem Yellowstone, oder der Campi Flegrei ist ein hydrothermales System das die Magmakammer überlagert. Die Kernaussage der Arbeit bezieht sich auf folgende Erkenntnis: wenn sich neues Magma in der Magmakammer ansammelt interagiert es mit den Fluiden des hydrothermalen Systems. Es kann zu Wechselwirkungen kommen, die letztendlich zu einer beschleunigten Inflation und Aufheizung des Gesamtsystems führen. Dies geschieht, wenn das Magma einen kritischen Entgasungsdruck erreicht hat und dadurch viel Wasserdampf in das Hydrothermal-System injiziert. Das beschleunigte Aufheizen destabilisiert den Calderavulkan und kann in einem Vulkanausbruch gipfeln, der früher eintritt, als wenn es keine Wechselwirkung zwischen Magma und Fluide des Hydrothermal-Systems geben würde.

Grafiken zur Campi Flegrei. © Giovanni Chiodini

Seit dem Jahr 2005 gibt es in der Campi Flegrei Anzeichen für ein Aufheizen des Vulkansystems: es treten Phasen mit erhöhter Seismik und starker Inflation auf. In der Solfatara verändern sich Zusammensetzung, Konzentration und Temperatur fumarolischer Gase. Im Fokus der Forscher steht das Kohlenmonoxid. Dieses Gas entströmt dem Magma und seine Konzentration lässt Rückschlüsse über die Temperatur des Hydrothermal-Systems zu: seit 2005 stieg sie von 220 Grad auf 310 Grad Celsius. Diese Temperatur lässt vermuten, dass das Magma einen kritischen Entgasungsdruck erreicht hat. In diesem Temperaturbereich halbiert sich die Scherfestigkeit der Tuffe im Untergrund der Caldera. Das bedeutet, dass die Gesteine schneller dem Druck des Magmas nachgeben und brechen können. Die Folge wäre plötzliche Druckentlastung und Magmenaufstieg.

Die Wissenschaftler vergleichen die Campi Flegrei mit anderen Calderavulkanen die im letzten Jahrhundert eruptierten: Rabaul (PNG) und Sierra Negra (Galapagos). Bei beiden Vulkanen wurde vor ihren Eruptionen ebenfalls eine mehrjährige Phase beschleunigter Inflation und Aufheizung beobachtet. Für Rabaul wurde vorausberechnet, dass das Gestein nach 3900 Tagen beschleunigter Aufheizung brechen würde. Tatsächlich eruptierte der Vulkan 3100 Tage nach Beginn der Aufheizungsphase. Für die Campi Flegrei wurde der Wert des Materialversagens auf 5670 Tagen (+- 735) nach Beginn der Beschleunigungsphase berechnet. Das entspricht einer Periode von gut 15,5 Jahren. Von diesen sind bereits 11 Jahre verstrichen.

Die Wissenschaftler selbst sagen allerdings, dass es nach dieser Zeit nicht zwangsläufig zu einem Ausbruch kommen muss. Zu viele andere Faktoren spielen eine Rolle ob- und wann ein Vulkan eruptiert.

Ich persönlich denke, dass solche Forschungsergebnisse zwar wichtig für die Grundlagenforschung sind, bis auf weiteres aber nur verunsichern, anstatt zu helfen. Es gibt keine Erfahrungswerte bei der Vorhersage eines Supervulkanausbruchs, einfach weil der letzte dieser Ausbrüche viele Jahrtausende her ist. Die Campi Flegrei eruptierte zuletzt vor 39.000 Jahren mit einem VEI 7. Niemand kann tatsächlich abschätzen wann der Vulkan das nächste Mal eruptieren wird. Meistens gelingen zuverlässige Prognosen vor einem normalen Vulkanausbruch erst wenige Tage, oder Stunden bevor er statt findet. Meistens hat die Eruption bereits unterirdisch angefangen, wenn Alarm geschlagen wird. Nur, wann schlägt man im Falle der Campi Flegrei Alarm? Erst wenn Tremor einsetzt, oder bereits bei stärkeren Bodendeformationen?  Wann sind die Bodendeformation tatsächlich kritisch? An einem durchschnittlich großen Vulkan wäre eine Aufblähung um 3 m furchterregend. Auf der anderen Seite wurden in anderen Calderavulkanen wie der Laguna del Maule bereits viel stärkere Bodendeformationen nachgewiesen, ohne das es zu einer Supervulkaneruption gekommen wäre! Die Vulkanologen des INGV stehen also vor einem großen Problem und wenn man auf die Stimme der Vernunft hören würde, dürfte die Gegend um die Campi Flegrei nicht bewohnt werden! Treten eindeutige Anzeichen einer beginnenden Eruption ein, bleiben wahrscheinlich nur Tage zur Evakuierung. Die Campi Flegrei kann man sehr wahrscheinlich räumen, aber wie schaut es mit Pozzuoli und Neapel aus? Bei einem VEI 7 Ausbruch drohen Tsunamis die durch pyroklastische Ströme generiert werden könnten. Dann wären auch die Küsten des gesamten westlichen Mittelmeeres gefährdet.

(Quelle: http://www.nature.com/articles/ncomms13712, copyright der Grafiken unter der cc)

Santorin: neue Theorie zum Tsunami

Blick auf die Innenseite der Caldera. © Marc Szeglat

Der Untergang der bronzezeitlichen Minoer wurde möglicher Weise durch einen Tsunami eingeleitet der durch einen gigantischen Vulkanausbruch ausgelöst wurde. Bisher nahm man an, das der Tsunami durch den Kollaps der Vulkaninsel Santorin verursacht wurde, nachdem sich die Magmakammer bei dem großen Ausbruch vor gut 3600 Jahren entleert hatte. Nun veröffentlichten Forscher der Universität Athen eine neue Studie, nach der nicht der Kollaps des Vulkans den Tsunami auslöste, sondern Pyroklastische Ströme!

Die Wissenschaftler um Paraskevi Nomikou rekonstruierten den Eruptionshergang und die Calderabildung. Dabei fanden sie heraus, dass sich zum Zeitpunkt des Kollapses kein Wasser in der Caldera befand und sich somit kein Tsunami bei deren Kollaps bilden konnte. Was aber konnte dann der Auslöser des katastrophalen Tsunamis gewesen sein? Untersuchungen des Meeresgrundes um Santorin brachten die Wissenschaftler auf die Spur zur aktuellen Theorie: Die Messungen enthüllten bis zu 60 m mächtige Ignimbritablagerungen. Diese sind Hinterlassenschaften von Pyroklastischen Strömen. Die Glutwolken manifestierten sich beim Zusammenbruch der Eruptionswolke, die bis weit in die Stratosphäre aufgestiegen sein muss. Gewaltige Mengen pulverisierten Gesteins rauschten aus der Aschewolke zu Boden und flossen auf einem heißen Gaskissen über das Mittelmeer. Als die Mengen pulverisierten Gesteins im Meer versanken, soll dass den Tsunami ausgelöst haben. Das ging aber sehr wahrscheinlich nur mit der Unterstützung von (submarinen) Hangrutschungen. Die ausgelöste Flutwelle war mächtig: wo sie gegen die Nordküste Kretas brandete, entdeckten Geoforscher ihre Spuren in 9 Metern Höhe. Sie versenkte wahrscheinlich einen Großteil der Schiffsflotte der Minoer und zerstörte deren Küstenstädte. Der Anfang vom Ende der Minoischen Kultur.

Die Phasen der Calderabildung. ©Paraskevi NomikouAber warum befand sich kein Wasser im Kessel der Caldera, als der Vulkan eruptierte? Denn schon vor der bronzezeitlichen Eruption existierte eine geflutete Caldera die den Hafen der Insel beherbergte. Die Wissenschaftler der Uni Athen machen dafür 2 enorme Wasserdampfexplosionen verantwortlich die das ganze Wasser der Caldera schlagartig verdampften. Ein Ringwall aus frischer Tephra soll dabei die Caldera zum Meer hin abgedichtet haben, so dass kein neues Wasser nachströmen konnte. Daher seien dann die Landrutschmassen und die Gesteinsbrocken, die durch die Explosionen in die Luft geschleudert wurden, in den trockenen Kessel gestürzt und konnten keinen Tsunami auszulösen.

Ich persönlich bin ein wenig skeptisch, was die Rolle der Pyroklastischen Ströme anbelangt. Diese können viele Kilometer über das Meer gleiten und verlieren dabei relativ langsam an Masse. Um einen Tsunami auszulösen bedarf es allerdings einer plötzlichen Anregung.

(Quelle: http://www.nature.com/articles/ncomms13332)

Ätna: neue Daten der Bodendeformation

Bodendeformation am Ätna © INGV

Das INGV Catania hat heute diese Animation veröffentlicht. Grundlage hierfür sind die Daten des Sentinel-Satelliten, der Bodendeformationen registriert. Die Animation gibt die Situation vom Februar 2015 bis Februar 2016 wieder. Die blauen Flächen zeigen Inflation an, gelbe und rote Farben Deflation. Bis zu den Paroxysmen im Dezember letzten Jahres wurde kontinuierliche Inflation registriert, seitdem nur noch Deflation. Wer also mit einer baldigen Fortsetzung vulkanischer Aktivität an Europas mächtigstem Vulkan rechnet, wird wahrscheinlich enttäuscht werden. Ich selbst hätte damit gerechnet, da der Vulkan im Januar von zahlreichen Erdbeben heimgesucht wurde.