Vulkanologie: Neues aus Wissenschaft und Forschung

In dieser Kategorie lest ihr über neue Forschungsergebnisse der Geowissenschaftler, die in Studien zur Vulkanologie und Seismologie veröffentlicht wurden.

Hawaii: Studie postuliert tiefen Magmenkörper

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  • Eine neue Studie untersuchte die Magmenentstehung alter Laven auf Hawaii
  • Es wurde eine Lavaprobe gefunden, die aus einer frühen Bildungsphase des Kilaueas stammte
  • Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass das Magma in mehr als 90 km Tiefe entstanden sein muss
  • Dort gab es einen großen Magmenkörper

Neue Studie enträtselt frühe Magmenbildung auf Hawaii

Während der Kilauea weiterhin aktiv ist und einen Lavasee im Krater Halema’uma’u beherbergt, versuchen Wissenschaftler seine letzten Geheimnisse zu entschlüsseln. Eines dieser Geheimnisse betrifft die Herkunft der tholeiitischen Magmen, aus denen ein großer Teil der Hawaiianischen Vulkane besteht und in der frühen Bildungsphase der riesigen Schildvulkane eruptiert wurde. Bislang gingen viele Forscher davon aus, dass die Magmen durch partielles Schmelzen von festem Gestein im Grenzbereich Erdkruste-Asthenosphäre entstanden, doch es gibt Hinweise darauf, dass in der frühen Zeit des Vulkans ein anderer Prozess am Werk war: fraktionierte Kristallisation. Darauf deuten neue Analysen von Gesteinsproben hin, die an der submarinen Südostseite von Big Island Hawaii gefunden wurden.

Bei der fraktionierten Kristallisation handelt es sich um einen Prozess, bei dem während der Abkühlung eines Magmas die einzelnen Minerale nacheinander kristallisieren und physikalisch vom Magma getrennt werden. Die chemischen Substanzen der kristallisierten Mineralien werden der Schmelze entzogen, wodurch sich der Chemismus des Magmas ändert.

Bereits vor dem Fund der Proben stellten sich die Forscher die Frage, wie die riesigen Schildvulkane Hawaiis entstanden sein sollen. Die beiden bekannte Magmen-Reservoire, die unter dem Vulkan Kilauea entdeckt wurden und in vergleichsweise geringen Tiefen liegen, können nicht soviel Material bereitstellen, um eine so große Insel wie Big Island hervorzubringen. Daher vermutete man bereits vor der neuen Entdeckung, dass es einen wesentlich größeren Magmenkörper unter der Insel geben muss, von dem aus die Eruptionen gespeist werden. Die Energie bezieht der Magmenkörper aus der Hitze eines Mantelplumes. Dieser soll in der frühen Entstehungsphase Hawaiis große Mengen Schmelze zur Erdoberfläche gepumpt haben.

Die Gesteinsprobe aus dem Südosten der Insel stammt aus der Frühphase der Inselbildung, die vor ca. 280.000 Jahren begann. Vor gut 100.000 Jahren durchbrach die Vulkaninsel die Wasseroberfläche. Die Gesteinsprobe wurde vorher eruptiert. Sie enthält vulkanische Mineralien mit einem hohen Anteil an Elementen aus der Reihe der Seltenen Erden. Das Forscherteam um die australische Geologin Laura Miller von der Monash University, führte experimentelle Forschungen durch, bei denen Gesteine synthetisiert wurden, die den gleichen Chemismus wie die seltene Gesteinsprobe hatten. Die synthetischen Gesteine wurden bei Temperaturen von mehr als 1100 Grad Celsius und unter Drücken von mehr als 3 GPa geschmolzen, um dann zu beobachten, wie sich Kristalle aus der Schmelze bilden, wenn diese sich abkühlt und verringertem Druck ausgesetzt wird. Dabei kamen die Forscher zu dem Ergebnis, dass sich die Originalprobe nur unter Bedingung der fraktionierten Kristallisation von Granat gebildet haben kann. Im Erdinneren herrschen solche Bedingungen in einer Tiefe von 90-150 km. Laura Biller schloss daraus, dass sich in dieser Tiefe ein gigantischer Magmenkörper befunden haben muss, in dem die Schmelze entstand, aus der dann die vulkanische Gesteinsprobe wurde.

Die Autorin der Studie meint dazu, dass „dies die derzeitige Sichtweise in Frage stellt, dass die fraktionierte Kristallisation nur ein oberflächlicher Prozess ist, und legt nahe, dass die Entwicklung einer tiefen Magmakammer ein wichtiges frühes Stadium bei der Entstehung eines hawaiianischen Vulkans ist.“

Andere Vulkane in anderen Teilen der Welt, wie der Vesuv, weisen ebenfalls Kristallbildungszeiten auf, die darauf hindeuten, dass sich unter der Oberfläche „langlebige, tiefliegende“ Magmareservoirs verbergen. Doch die ursprüngliche Magmakammer des Kīlauea scheint viel tiefer zu liegen als die meisten anderen.

(Quelle: Nature)

Hunga Tonga-Hunga Ha’apai: Neue Forschungsergebnisse

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Staat: Tonga | Koordinaten: -20.545; -175.393 | Eruption: Hydrothermal

  • Am Hunga Tonga-Hunga Ha’apai wurden Messungen durchgeführt
  • Man entdeckte 7 Kubikmeter vulkanische Ablagerungen in Vulkannähe
  • Der größte Teil des Vulkangebäudes war intakt

Forschungsschiff Tangaroa kreuzte einen Monat lang vor Hunga Tonga-Hunga Ha’apai

Anfang des Jahres sorgte die spektakuläre Eruption des Inselvulkans Hunga Tonga-Hunga Ha’apai für Schlagzeilen: Die größte Eruption, seitdem 1883 Krakatau explodierte, förderte enorme Aschewolken und sorgte letztendlich dafür, dass die Vulkaninsel abtauchte und von den Landkarten gelöscht werden muss. Dabei wurde ein Tsunami ausgelöst, der im Inselreich Tonga schwere Schäden verursachte. Nun kehrte das Forschungsschiff RV Tangaroa von einer einmonatigen Reise zum submarinen Vulkan zurück und brachte erstaunliche Ergebnisse mit: anders als erwartet, überlebte der größte Teil des Vulkans die gewaltigen Eruptionen. Verschwunden ist nur der jüngste Teil der Insel, der erst vor wenigen Jahren aufgetaucht war. Der Rest des Vulkangebäudes war intakt. Anders sah es nach der Krakatau-Katastrophe von 1883 aus. Damals verschwand der mehrere Hundert Meter hohe Vulkan und hinterließ eine Caldera im Ozeanboden.

Der Meeresgeologe und Leiter der Forschungsreise, Kevin Mackay, sagte, er sei völlig überrascht gewesen. „Bei einer so heftigen Explosion – der größten, die jemals aufgezeichnet wurde – würde man erwarten, dass der gesamte Vulkan ausgelöscht worden wäre.“

7 Kubikkilometer vulkanische Ablagerungen wurden am Meeresboden kartiert

Das die Eruption des Hunga Tonga-Hunga Ha’apai dem Krakatau das Wasser reichen kann, zeigen die gewaltigen vulkanischen Ablagerungen, die die Forschungsreisenden am Grund des Ozeans entdeckten. Die Forscher kartierten eine Fläche von 22.000 Quadratkilometern. Auf 8.000 Quadratkilometern lagerten sich 7 Kubikkilometer Material an. Das gebrochene Unterseekabel, das die Kommunikation mit Tonga für fünf Tage nach dem Ausbruch unterbrochen hatte, wurde unter 30 Metern Asche und Sediment begraben. Vieles deutet darauf hin, dass es vollständig ersetzt werden muss.

In 50 km Entfernung zum Vulkan fanden die Forscher noch sandigen Schlamm, riesige Sedimenthaufen und tiefe Aschewellen. Dennoch entdeckten Meeresbiologen in 15 km Entfernung zum Hunga Tonga-Hunga Ha’api eine große Artenvielfalt und gesunde Fischgründe. Sie zeigten sich erstaunt, dass auch Korallen, Schwämme, Seesterne und Muscheln vorkamen und die Katastrophe überlebten. Der Meeresboden auf dem Vulkan selbst zeigte sich allerdings leblos. Das traf aber nicht für das Wasser zu, denn die nährstoffreiche Vulkanasche bedingte eine Algenblüte, die auf Satellitenfotos entdeckt wurde. Es gibt Hoffnung, dass sich das Ökosystem am Vulkan zügig erholen könnte.

Flutbasalt-Eruptionen lösten Klimakatstrophen aus

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  • Flutbasalt-Eruptionen lösten Klimakatastrophen aus
  • Eine neue Studie zeigt, dass Temperaturrekorde vor Eruptionsbeginn erreicht wurden
  • Magmenaufstieg wurde neu modelliert

Flutbasalt-Eruption zeitgleich mit Asteroiden-Einschlag

Schon lange bevor der Mensch auf der Erde wandelte, gab es Probleme mit dem Klima. Dieses kann zwar über lange Zeiträume hinweg stabil sein, doch es kam im Laufe der Erdgeschichte öfters zu großen Umwälzungen, die ein Massensterben verursachten. Neben Kometeneinschlägen und Strahlungsstürme zeichneten sich Vulkaneruptionen für das verschwinden ganzer Spezies verantwortlich. Oft denkt man bei diesen Naturkatastrophen an explosive Eruptionen von Supervulkanen, doch auch effusive Eruptionen zeichneten sich dafür verantwortlich. Bei diesen Vulkanausbrüchen wurden gigantische Mengen Basaltlava gefördert, die bis zu 1000 m mächtige Ablagerungen schufen, die sehr große Areale bedeckten. Solche Lavamengen wurden nicht in wenigen Tage, Wochen, oder Monaten gefördert, sondern sie hielten mehrere Jahrtausende Jahre an. Sie schufen sogenannte Flutbasaltprovinzen, von denen der Dekkan Trapp in Indien und der Columbia-River-Basalt zwei prominente Beispiele sind. Der Columbia-River-Basalt wurde vor 16,5 Millionen Jahren gefördert und ist deutlich kleiner, als der 66,5 Millionen Jahre alte Dekkan Trapp. Seine Eruption lässt sich mit dem Einschlag des Chicxulub-Asteroiden korrelieren, der seinerzeit den Untergang der Dinosaurier einleitete. Einige Autoren sind der Meinung, dass der Vulkanausbruch seinen Teil zum Verschwinden der Dinos beigetragen haben könnte.

Klimakatastrophen bereits Hunderttausende Jahre vor den Flutbasalt-Eruptionen

Bekannt ist, dass die Entstehung der Flutbasalt-Provinzen massive Auswirkungen auf das Weltklima hatten: es wurden gewaltige Mengen Kohlendioxid freigesetzt. Das Treibhausgas sorgte für eine Klimakatastrophe in Form einer Wärmeperiode. Eine neue Studie untersuchte die Klimaveränderungen genauer und kommt zu dem Schluss, dass der Höhepunkt der ausgelösten Warmzeiten bereits bis zu 200.000 Jahre vor dem Höhepunkt der Eruptionen einsetzte. Die Forscher Xiaochuan Tian und W. Roger Buck von der Columbia University in New York renderten mehrere Simulationen auf Basis moderner Datensätze zum Paläoklima und erhielten ein Modell, nach denen bereits während der Magmenmigration in die Erdkruste gewaltige Mengen Kohlendioxid freigesetzt wurden. Die Mengen waren weitaus größer, als der Kohlendioxid-Flux während der Eruption. Eigentlich ist diese Erkenntnis nicht erstaunlich, denn wir wissen ja, dass Kohlendioxid auch im Vorfeld kleinerer Eruptionen als erstes freigesetzt wird. Daher beobachten Vulkanologen an ihren Hausvulkanen ja auch den Gasflux vor einer Eruption, wobei ein Anstieg der Kohlendioxidfreisetzung auf einen Magmenaufstieg hindeutet.

Das neue Modell erklärt auch, warum die Eruption des Dekan-Trapp nicht dem globalen Winter entgegenwirkte, der durch den Einschlag des Chicxulub-Asteroiden ausgelöst wurde und zum Aussterben der Dinosaurier führte: die Warmphase durch die Dekkan-Trapp-Eruption ereignete sich bereits einige Hunderttausende Jahre früher.

Natürlich schoss auch mir der Gedanke durch den Kopf, ob nicht der aktuelle Kohlendioxid-Anstieg, der für den anthropogenen Klimawandel verantwortlich gemacht wird, vielleicht natürliche Ursachen haben könnte und durch große Magmenmengen ausgelöst wird, die in die Erdkruste eindringen. Doch solche Vorgängen laufen sehr wahrscheinlich nicht im Verborgenen ab und müssten eine Reihe weiterer Nebeneffekte auslösen, die unseren Forschern nicht entgehen dürften.

Magmenaufstieg mit Hindernis

Laut den Autoren der Studie hatte das Magma vor den Flutbasalt-Eruptionen gewaltige Schwierigkeiten aufzusteigen. Es drang zunächst in den unteren Krustenbereich ein, doch der Aufstieg aufgrund des Dichteunterschieds zwischen Schmelze und Krustenmaterial stoppt bald, als sich der isostatische Druckunterschied ausglich. Es kam zu einen langwierigen Prozess, bei dem die Erdkruste mit einer Vielzahl Magmatischer Gänge durchzogen wurde, aufweichte und an Dichte zunahm und zwar solange, bis das Gestein der oberen Kruste schwerer war als das aufsteigende Magma. Erst dann soll es zum finalen Magmenaufstieg gekommen sein, der in den Eruptionen endete. (Quelle: https://www.nature.com/articles/s41561-022-00939-w)

Fagradalsfjall: Rätsel um schnelle Bodenhebung vor Eruption gelöst

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Im letzten Jahr hielt uns der Fagradalsfjall-Ausbruch in Atem und bescherte einigen von uns ein einmaliges Vulkan-Erlebnis. Doch auch schon vor Beginn der Eruption ging es auf, bzw. unter der isländischen Reykjanes-Halbinsel heiß her: Massive Schwarmbeben sorgten für Aufregung, umso mehr sie teilweise mit starken Bodendeformationen verbunden waren. In schneller Folge hob und senkte sich der Untergrund im Bereich von Grindavik und dem Geothermalkraftwerk Svartsengi. Es kam zu Bodenhebungen von bis zu 12 cm. Kurz darauf senkte sich der Boden wieder. Die Wissenschaftler eines gemeinsamen Forschungsprojektes von Iceland GeoSurvey (ÍSOR) und dem Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ unter Beteiligung der Tschechischen Akademie der Wissenschaften, reagierten sofort und installierten neuen Messsonden auf Reykjanes, um den Vorgängen den Puls zu führen. Jetzt veröffentlichte das internationale Team seine Forschungsergebnisse, in der Zeitschrift Nature Geoscience.

Vulkanausbruch ohne Bildung einer flachen Magmakammer

Das Besondere an der Situation auf Island war, dass die beschriebenen Vorläuferphänomene zu einem Vulkanausbruch an einer divergenten Plattengrenze führte, ohne dass es zur Bildung eines großen Magmen-Reservoirs in 4-5 km Tiefe gekommen wäre. Dass das Magma während des Vulkanausbruchs schnell aus großer Tiefe aufgestiegen war, ergab die Analyse der eruptierten Lava bereits während des Vulkanausbruchs. Was aber, so fragten sich die Wissenschaftler, verursachte die Bodenhebung bei Grindavik, wenn es kein Magmenkörper war, der in die Erdkruste intrudierte? Aus allen verfügbaren Daten modellierten sie nun ein Bild der Vorläuferphänomene. Torsten Dahm, einer der Mitautoren der Studie, erklärte in einer Pressemeldung des GFZ: „Wir waren zunächst verwundert über die relativ schnelle Absenkung unmittelbar nach den Hebungszyklen, die schwer zu erklären ist, wenn Magma in flache Ebenen eingedrungen ist. Schließlich entwickelten wir ein poro-elastisches Modell, bei dem Fluide mit geringer Dichte wie Kohlendioxid in einen bereits bestehenden Grundwasserleiter in vier Kilometern Tiefe an der Wurzel des geothermischen Systems eindringen. Dies löste das Rätsel und konnte überraschenderweise auch die Hebung und das schnelle Absinken zusammen mit den spezifischen Mustern der Seismizität erklären.“

Großes Tiefenreservoir könnte Reykjanes weitere Vulkanausbrüche bescheren

Die Überwachung zeigte deutlich drei Episoden von Hebung und erhöhter Seismizität, denen jeweils ein relativ schnelles Absinken folgte. Vierzehn Monate nach Beginn der Unruhen kam es am Fagradalsfjall, acht Kilometer östlich des Hebungszentrums, zu einem Vulkanausbruch. Unter dem Eruptionszentrum war dann kurz vor der Eruption ein Magmatischer Gang intrudiert. Das Magma stammte aus dem Grenzbereich zwischen Erdmantel und der Erdkruste und stieg aus 15-20 km Tiefe schnell auf. Dort hatte sich ein großes Magemen-Reservoir gebildet, das vom isländischen Wissenschaftler Ólafur Flóvenz wie folgt beschrieben wird: „Wir schätzen, dass das Mindestvolumen des entgasten Magmas unter der Eruptionsstelle mindestens in der Größenordnung von zwei bis neun Kubikkilometern liegt. Nur ein kleiner Teil dieses Volumens wurde bei dem sechs Monate dauernden Ausbruch des Fagradalsfjall eruptiert. Das deutet auf eine große Magmaquelle hin, die für wiederholte Eruptionen in der Zukunft bereit ist.“

Dinosaurierfund zeugt vom Aussterben durch Asteroideneinschlag

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Im US-Amerikanischen Bundesstaat North Dakota wurde ein sensationeller Fossilfund gemacht, der die These des Massensterbens vor 66 Millionen Jahren, durch einem Asteroideneinschlag vor Mexiko belegt. Bei dem Fund handelt es sich um Bein und Haut eines Dinosauriers der Art Thescelosaurus, der in der Grabungsstätte Tanis gemacht wurde. Dort wird seit 2019 nach Fossilien gegraben und es wurden bereits bedeutende Funde gemacht, die die These des großen Artensterbens durch den Chicxulub-Asteroiden unterstützen. Dazu zählen Fossilien von störartigen Fische, in deren Kiemen Glaskügelchen gefunden wurden, die durch Schmelzen von Gesteinen infolge des Asteroideneinschlags stammten. Solche Schmelzkügelchen nennt der Fachmann Mikrotektite. Bei Tektiten handelt es sich im Allgemeinen um Schmelzgestein, dass bei Meteoriteneinschlägen entsteht. Obsidian wäre ein vulkanisches Äquivalent, allerdings kann es sich chemisch von Tektiten unterscheiden.

Tektite und Iridium belegen Asteroideneinschlag vor 66 Millionen Jahren

Das nun präsentierte Fossil des Thescelosaurus, stellt einen Höhepunkt der Grabungen dar. Es ist das erste Dinosaurierfossil, dass genau aus der Zeit des Einschlags stammt und dieser zweifelsfrei zugeordnet werden kann. Die Forscher um den Paläontologen Robert De Palma gehen davon aus, dass der Thescelosaurus direkt durch den Asteroideneinschlag getötet wurde. Dafür sprechen die Gesteinsschichten, in denen das Fossil gefunden wurde: in den Schichten wurden nicht nur die Fische mit den Glasresten in den Kiemen gefunden, sondern auch ungewöhnlich viel Iridium. Das seltene Element der Platiniumgruppe kommt auf der Erde in nur sehr geringen Konzentrationen vor. Sein Anteil ist in Asteroiden/Meteoriten allerdings weitaus höher. Schlägt ein großer Asteroid ein, entsteht eine Sedimentschicht mit erhöhter Iridium-Konzentration, so wie es vor ca. 66 Millionen Jahren der Fall war, als der Asteroid im mexikanischen Yucatan einschlug und den Chicxulub-Krater schuf. Damals entstanden nicht nur gewaltige Druck- und Flutwellen, sondern es wurden Unmengen an Staub und Aerosolen in die Atmosphäre eingetragen, die sich weltweit verteilten. Einige größere Bruchstücke regneten im großen Umkreis nieder und sind bis in den Weltraum aufgestiegen. Einige der Bruchstücke wurden im 3000 km entfernten Tanis gefunden. Vielleicht erschlug sogar ein Gesteinsbruchstück den kleinen Dinosaurier, dessen fossilisiertes Bein nun soviel Aufregung in der Fachwelt verursacht.

Dinosaurier Thescelosaurus hatte Vogelfüße

Thescelosaurus war ein vogelähnlicher Saurier, der zwar nicht gefiedert war, aber Beine und Füße hatte, die sich am Besten mit dem Vogel Straus vergleichen lassen. Die Forscher gehen davon aus, dass der Saurier nicht an den Spätfolgen des Impakts starb, sondern unmittelbar, zu Beginn der Katastrophe. Die meisten Dinosaurier dürften hingegen einen langsamen und qualvollen Tod erlitten haben, denn sie Verhungerten infolge des globalen Winters, der die Erde mehrere Jahrtausende im Griff gehabt haben dürfte. Das Ereignis leitete nicht nur das Sterben der Saurier ein, sondern einen Großteil allen Lebens auf der Erde. Der Einschlag markiert das Ende der Kreidezeit, und eine Zeitenwende, die den Aufstieg der Säugetiere mit sich brachte.

Grabungsstätte Tanis wurde von Duckwelle erfasst

In Tanis fand man sogar eine gepfählte Schildkröte, ein Zeugnis dafür, dass selbst in 3000 km Entfernung zum Einschlagsort noch Äste wie Speere durch die Luft zischten. Interessanterweise zählen Schildkröten zu den wenigen Überlebenden der Katastrophe.

Die Details der Forschungen gelangten mal nicht über eine Forschungsarbeit ans Licht der Öffentlichkeit, sondern über eine Fernseh-Dokumentation der BBC, die von Altmeister David Attenborough präsentiert wurde.

Yellowstone: Neues Bildgebungsverfahren enthüllt Wasserkreislauf

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Eine neue Studie kommt dem Geheimnis des Hydrothermalsystems der Yellowstone-Caldera auf die Spur. Es wurde geklärt, wie der unterschiedliche Chemismus der heißen Quellen in West- und Ost Yellowstone zustande kommt.

Zusammenfassung

  • Das neue SkyTEM Datenerfassungssystem wurde am Yellowstone eingesetzt
  • Vom Hubschrauber aus konnten große Areal der Caldera untersucht werden
  • Mit geoelektrischen- und geomagnetischen Daten wurde ein Bild des Untergrunds erstellt
  • Hydrothermales Tiefenwasser steigt senkrecht entlang von Klüften auf
  • Erst unter einer oberflächennahen Deckschicht verteilt es sich seitwärts und mischt sich mit Grundwasser

Die Yellowstone-Caldera in den USA ist ein beliebtes Forschungsobjekt der Geowissenschaftler, da der riesige Vulkan das Potenzial hat, besonders starke Eruptionen zu erzeugen, die katastrophale globale Auswirkungen haben könnten. Allerdings sind diese sogenannten Supervulkanausbrüche extrem selten und kein moderner Mensch hat je einen dieser Ausbrüche erlebt. Dementsprechend gibt es keine historischen Überlieferungen dieser Ereignisse. Alles was wir über Supervulkane wissen ist akademischer Natur, wobei der Begriff „Supervulkan“ eine mediale Wortschöpfung ist. Vulkane, die die stärksten Eruptionen der Welt verursachen können, haben 2 Sachen gemeinsam: es handelt sich um große Calderavulkane und sie verfügen über ein ausgeprägtes Hydrothermalsystem. Befindet sich ein aktiver Magmenkörper unter der Caldera, dann manifestieren sich an der Erdoberfläche mehr, oder weniger ausgeprägte postvulkanische Erscheinungen in Form von Fumarolen, heißen Quellen und Geysiren. Im Falle des Yellowstone-Vulkans sind diese postvulkanischen Erscheinungen besonders intensiv, ja, man spricht sogar von der weltgrößten Ansammlung solcher Phänomene. Damit diese entstehen braucht es zum einen Grundwasser und zum anderen Erdwärme, die von einem Magmenkörper ausgeht. Bisher wusste man nicht genau, wie die unterirdischen Wasserströme im Gebiet des Yellowstone-Vulkans verlaufen, und was davon phreatisches Grundwasser ist, und welche Anteile hydrothermale Tiefenwässer sind, die in Form von magmatischen Fluiden aus dem Bereich des Magmenkörpers aufsteigen. Dieser Frage ging nun ein Forscherteam vom Virginia Tech, dem U.S. Geological Survey und der Universität Aarhus in Dänemark nach.

SkyTEM sammelt geoelektrische Daten des Untergrunds im Yellowstone

Das skyTEM hängt unter einem Heli. © Skytem

Die Geowissenschaftler entwickelten ein Bildgebungsverfahren, dass mithilfe geophysikalischer Daten des Untergrunds die Aufstiegswege des Wassers im Boden sichtbar machen kann. Die Daten wurden vom Hubschrauber aus erhoben, indem geoelektrische- und geomagnetischen Messungen durchgeführt wurden. Dazu wurde ein spezielles Gerät eingesetzt, dass den Namen „SkyTEM“ trägt. Dabei handelt es sich um eine Drahtschleife, die unter dem Hubschrauber hergezogen wird und elektrische Impulse in den Boden aussendet. So lässt sich großflächig die elektrische Leitfähigkeit des Untergrunds kartieren und ebenfalls geomagnetische Daten sammeln.

„Einer der einzigartigen Aspekte dieses Datensatzes ist die umfassende Abdeckung dieses riesigen Systems“, erklärt Prof. Steve Holbrook von der Virginia Tech. „Wir waren in der Lage, nicht nur tief unter die hydrothermalen Erscheinungen zu blicken, sondern auch zu sehen, wie benachbarte Erscheinungen im Untergrund über große Entfernungen miteinander verbunden sind. Das war bisher noch nie möglich,“ ergänzt der Studienleiter weiter.

Da verschiedene Bodenschichten unterschiedliche geophysikalische Eigenschaften haben, die auch stark vom Wassergehalt abhängen, lässt sich mit den SkyTEM-Daten besonders gut ein PC-Bild des Untergrunds rendern. Dabei lassen sich auch Grundwasser und thermische Fluide unterscheiden, da letztere große Mengen an gelösten Feststoffen enthalten. Sie verringern den spezifischen Widerstand von porösen Vulkangestein und lassen sich anhand ihrer Widerstandssignaturen von den Grundwasserreservoirs unterscheiden.

Geotherme Tiefenwässer steigen senkrecht auf

Ausschnitt der neuen Bodenkarte. W. Steven Holbrook / Virginia Tech

Die Geowissenschaftler entdeckten, dass das meiste Wasser des Hydrothermalsystems aus einer Quelle stammt. Es steigt aus großer Tiefe senkrecht auf und benutzt dabei Rissen in Störungszonen als Aufstiegsweg. Das hydrothermale Tiefenwasser verteilt sich erst horizontal, nachdem es auf eine Deckschicht aus Ton und alten Lavaströmen stößt. Erst bei dieser horizontalen Migration im Boden ändert es seinen Chemismus, indem es mit Mineralien des Bodens reagiert und sich mit dem Grundwasser mischt. Dadurch kommen die unterschiedlichen Chemismen des Wassers im Osten und Westen des Yellowstones zustande.

Die Forscher denken darüber nach, ihr neues System auch an anderen Caldera-Vulkanen mit komplexen Hydrothermalsystem einzusetzen. Vielleicht hilft es ja, dem Bradyseismos der Campi Flegrei auf die Spur zu kommen. (Quelle: nature.com)

Vulkanausbrüche während der Eiszeit waren stärker

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Es gibt Anzeichen dafür, dass die eiszeitlichen Vulkanausbrüche häufiger und stärker waren, als wir sie heute erleben. Dass geht aus einer neuen Studie hervor, die von Forschern der dänischen Universität Kopenhagen durchgeführt wurde.

Inhalt

  • Studie der Uni Kopenhagen kommt eiszeitlichen Vulkanausbrüchen auf die Spur
  • Untersucht wurden Eisbohrkerne von Grönland und der Antarktis
  • Während der Eiszeit lagerte sich deutlich mehr Schwefeldioxid und Tephra im Eis ab
  • Es kam weitaus häufiger zu starken Eruptionen als zu historischen Zeiten

Schon oft stand ich auf Stromboli und überlegte, wie er bei den vergleichsweisen schwachen Eruptionen, die ich selbst bislang dort erlebte, so groß werden konnte. Dieser Gedanke trifft auch auf andere Vulkane zu, was bereits rege Diskussionen unter den Vulkanauten auslöste. Wir kamen zu dem Schluss, dass es Phasen erhöhter Aktivität gegeben haben muss, denn die Größe vieler junger Vulkane lässt sich nicht mit den Eruptionen der vergangenen Jahrtausende erklären. Einen Beweis dafür, lieferte nun die eingangs erwähnte Studie.

Studie der Uni Kopenhagen identifiziert 1113 Vulkanausbrüche anhand von Eiskernen

Die Studie stützt sich auf Erkenntnisse, die ein internationales Forscherteam aus den Untersuchungen von Eisbohrkernen der Antarktis und von Grönland erhielten. In den kilometermächtigen Eisschichten sind Informationen von mehreren Hunderttausend Jahren gespeichert. Daher werden sie auch oft als Klimaarchiv der Erde bezeichnet. In den Eisschichten lagerten sich aber nicht nur klimarelevante Gase und Partikel ab, sondern auch solche, die von großen Vulkanausbrüchen stammten. Hierbei handelt es sich überwiegend um Schwefeldioxid-Partikel und Tephra. Beides hat natürlich auch Auswirkungen auf das Klima, wenn es sich in der Atmosphäre befindet. In der Studie wurden Eisschichten untersucht, die ein Alter zwischen 12.000 und 60.000 Jahre haben, indem man mit einem Hohlbohrer tiefe Löcher bohrte und Eiskerne zog. Dabei identifizierten die Forscher in Eisproben aus Grönland 1.113 Eruptionen, im antarktischen Eis gab es Spuren von 740 großen Vulkanausbrüchen. Eine 2-6fach gesteigerte Häufung großer Eruptionen ist aus der Zeit der Eisschmelze bekannt, als sich aufgrund des isostatischen Ausgleichs (infolge des Masseverlustes an Eis) die Landmassen massiv anhoben. In den 48.000 Jahren zuvor, lagerten sich im Eis ebenfalls deutlich mehr Aerosole vulkansicher Gase und Aschepartikel ab, als es in den letzten 2000 Jahren der Fall war. Sie zeigen, dass es während der Eiszeit deutlich mehr starke Vulkanausbrüche gab, als aus den letzten 2 Jahrtausenden bekannt sind.

Eiszeitliche Vulkanausbrüche waren z.T. stärker als die Tambora-Eruption 1815

Die Forscher entdeckten Hinweise auf Dutzende Eruptionen, die größer waren, als die Eruption des Tambora im Jahr 1815. Dieser gilt als der größte Vulkanausbruch in historischen Zeiten und löste das „Jahr ohne Sommer“ aus, indem die Aerosole in der Atmosphäre zu einem weltweiten Temperatursturz führten. So kam es 1816 zu weltweiten Hungersnöten. Insgesamt sollen mindesten 80.000 Menschen infolge der Eruption gestorben sein. Die Studie ermittelte, dass 69 Eruptionen während der Eiszeit größer gewesen sein sollen, als der Ausbruch von Tambora. Allerdings darf man nicht vergessen, dass es dann statistisch gesehen etwa alle 750 Jahre zu einer wirklich großen Eruption kam. Bisherige Statistiken gingen davon aus, dass sich Eruption vom Tambora-Typ (VEI 7) in Zeitabständen größer 1000 Jahre ereignen. Warum es während der Eiszeit scheinbar zu einer Häufung starker Ausbrüche kam, beantwortet die Studie allerdings nicht. Es stellt sich auch die Frage, ob der historische Zeitraum groß genug ist, um statistisch relevant zu sein. Zudem bleibt es unklar, ob es einen Zusammenhang zwischen Eiszeiten und Vulkanausbrüchen gibt, oder ob es auch vor den Eiszeiten häufiger zu großen Eruptionen kam, als es heute der Fall zu sein scheint. Die größte Eruption des Pleistozäns -der Ausbruch des Toba Vulkans– wurde von der Studie nicht erfasst. Er manifestierte sich vor gut 72.000 Jahren und steht im Verdacht, die Tausend kältesten Jahre der Würm-Eiszeit ausgelöst zu haben.

Tatsächlich ist mir beim Schreiben der Vulkansteckbriefe auf Vnet bereits öfters aufgefallen, dass es in einigen Vulkanregionen zu Phasen erhöhter Aktivität kam. Ein Beispiel liefern die Riftvulkane in Kenia. Sie wahren im 18. und 19 Jahrhundert besonders aktiv und sind seit gut 150 Jahren ungewöhnlich ruhig. Die geodynamischen Prozesse des Erdinneren scheinen nicht ganz so gleichmäßig abzulaufen, wie wir es uns gerne vorstellen. (Quelle: EGU)

Japan: Wobbeln verursacht starke Erdbeben

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  • Die Schäden nach dem Erdbeben am 16. März sind größer als angenommen
  • Eine Studie kommt den Starkbeben Japans auf die Spur

Zwei Tage nach dem starken Erdbeben der Magnitude 7,3, dass sich vor der Küste der japanischen Insel Honshu ereignete, wurde klar, dass die Schäden größer waren, als zunächst angenommen. Mindestens 4 Menschen starben, mehr als Hundert Personen wurden verletzt. Es kam zu Stromausfällen und zu Störungen an der Atomruine von Fukushima. Zudem entgleiste ein Hochgeschwindigkeitszug, die Passagiere blieben unverletzt.

Forschungsarbeit kommt den Starkbeben auf die Spur

Eine Forschungsarbeit aus dem Jahr 2020 kam einer möglichen Ursache von Starkbeben in Japan auf die Spur. Die Arbeit bezieht sich auf das Starkbeben vom 11. März 2011, das zur Havarie des Atomkraftwerks von Fukushima führte. Es hatte die Magnitude 9,1 und setzte damit fast Tausendmal soviel Energie frei, wie das aktuelle Erdbeben der Magnitude 7,3. Damals starben mehr als 15.500 Menschen. Der Hauptautor der Studie, Jonathan Bedford, vom Deutschen Geo-Forschungs-Zentrum Potsdam, untersuchte die GPS-Daten des umfangreichen japanischen Netzwerkes. Dabei fand er heraus, dass sich die Erdkruste Japans in den Monaten vor dem Beben erst von Osten nach Westen und dann wieder nach Osten verschoben hat. Diese Bewegung Japans bezeichnet er als „Wobbeln“. Dieses Wobbeln, bzw. Wackeln entsteht durch die Subduktion Ozeanischer Kruste unter Kontinentaler Kruste. Die abtauchende Platte verhakt sich am Gestein der darüberliegenden Platte. Wenn sich die Verhakungen lösen, entsteht ein Erdbeben. Im Falle Japans sind 4 Platten beteiligt, von denen 2 Platten unter Japan subduziert werden. Diese Subduktion erfolgt mit verschiedenen Geschwindigkeiten und ist aufgrund der Verhakungen nicht gleichmäßig. Dadurch wird Japan mal in die eine Richtung verschoben, mal in die Andere. Die resultierenden Spannungen sind enorm, so dass es zu Starkbeben kommen kann.

Hier eine Animation der Bewegungsvektoren. © japantimes.co.jp/GFZ/Jonathan Bedford

Das internationale Forscherteam beobachtete eine gegenläufige Verschiebung Japans. Die genaue Analyse der Daten ergab, dass sich die Erdkruste einige Monate lang, zwischen 4 und 8 Millimeter nach Osten bewegte, dann nach Westen und wieder nach Osten. Es kam aber nicht nur zu einer gegenläufigen horizontalen Verschiebung, sondern auch zum Absenken und Anheben der Erdkruste. Die Rate belief sich auf 0,1 mm/Tag. Diese Bewegungen unterschieden sich deutlich von den gleichmäßigen Verschiebungen, die die Kontinentalplatten der Erde ständig vornehmen. Wiederholt sich dieses Bewegungsmuster künftig, könnte es ein Indiz sein, dass sich ein neues Starkbeben anbahnt.

Die Wissenschaftler der Studie gehen davon aus, dass es an anderen Plattengrenze solche wobbelnden Bewegungsmuster nicht gibt. Falls doch, dann sind sie mangels eines entsprechend gut ausgebauten GPS-Netzes nicht zu erfassen. (Quelle: scienceunavco.org/Linda Rowan/Jonathan Bedford u.w.)

Yellowstone: Bodenhebung im Vergleich zu anderen Calderen

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Bei Caldera-Vulkanen handelt es sich um die größten irdischen Vulkanstrukturen, die nur von den Flutbasaltprovinzen übertroffen werden. Calderavulkane sind in der Lage, sogenannte Supervulkaneruptionen zu erzeugen, die sich global auswirken können. Daher steht ihre Erforschung im Fokus vieler Geowissenschaftler. Jüngst verglich das USGS die Bodendeformationen verschiedener Calderasysteme mit dem Yellowstone-Vulkan.

Zusammenfassung

  • Bodendeformationen der Yellowstone-Caldera werden seit 1923 gemessen
  • Die jährliche Deformationsrate von Long-Valley-Caldera und Yellowstone-Caldera sind fast identisch
  • Die Bodendeformation der Campi Flegrei ist 12 Mal so groß
  • Vor der letzten Eruption in der CF gab es dramatische Bodenhebungen

Yellowstone-Caldera und ihr Hydrothermalsystem

Der Yellowstone-Nationalpark beherbergt nicht nur ein fantastisches Naturreservat, sondern eine Caldera mit Tausenden postvulkanische Manifestationen. Dabei handelt es sich um verschiedene Arten von heißen Quellen, Geysiren, Schlammtöpfen und Fumarolen. Sie verdanken ihre Existenz dem vulkanischen Hydrothermalsystem, dass durch einen heißen Magmenkörper unter dem Vulkan mit Energie versorgt wird. Vom Magmenkörper ausgehend, steigen Magmatische Fluide auf, die im Untergrund der Caldera zirkulieren und sich mit Grundwasser vermischen. Die Menge des Grundwassers schwankt und ist u.a. von Niederschlägen abhängig, aber auch von Grundwasserströmen, die überregionalen Einflüssen unterliegen. So ist das Hydrothermalsystem eines Calderavulkans äußerst dynamisch und kann die unterschiedlichsten Prozesse steuern: neue Quellen und Geysire entstehen, oder alte postvulkanische Manifestationen vergehen. Gas- und Bodentemperaturen sind einer großen Variabilität unterzogen und es kann zu Phasen mit Bodendeformationen kommen. Je nach der Aktivität des Hydrothermalsystems hebt und senkt sich der Boden der Caldera, wobei es nicht einfach ist, zu unterscheiden, ob die Bodendeformationen ausschließlich durch Änderungen im Hydrothermalsystem zustande kommen, oder ob es Magmenaufstieg gibt. Dieser wirkt sich auch direkt auf das Hydrothermalsystem aus und sorgt dort für erhöhte Aktivität, lange bevor es zu einem Vulkanausbruch kommt, wenn es denn überhaupt dazu kommt.

Heute detektiert man die Höhenänderungen des Bodens mittels Satelliten und verwendet INSAR-Systeme und GPS Messungen. Früher mussten Höhenänderungen des Bodens aufwendig vermessen (nivelliert) werden. Dazu wurde ein Nivelliertrupp losgeschickt, so wie wir sie von Landvermessungen her kennen. Zum ersten Mal geschah das in der Yellowstone-Caldera im Jahr 1923.

Bodendeformationen der Yellowstone Caldera

Seitdem hat sich das Zentrum der Caldera um gut 90 Zentimeter angehoben. Dabei stellt man fest, dass es durchaus zu periodischen Hebungs- und Senkungsphasen kam, wobei sich eine jährliche Höhendifferenz von gut 14 mm pro Jahr ergab.

Das USGS stellte jüngst einen interessanten Vergleich von Bodendeformationen verschiedener Calderavulkane auf und verglich die Bodendeformationen am Yellowstone-Vulkan mit denen der Long-Valley-Caldera, die ebenfalls in den USA liegt. Hier wurde erstmals in den 1970iger Jahren eine Bodenhebung dokumentiert. In den 47 Jahren zwischen 1975 und 2022 betrug die maximale Hebung der Long-Valley-Caldera insgesamt 66 cm und lag damit auf ähnlichem Niveau wie die Hebung des Bodens der Yellowstone-Caldera.

Die Graphen der Bodenverformung von Yellowstone und Long Island verlaufen im Vergleich zur blauen Kurve der Campi Flegrei geradezu flach. © USGS/INGV

Dramatische Bodenhebung in der Campi Flegrei

Ein weiterer Vergleich der beiden US-amerikanischen Vulkane mit dem großen italienischen Calderavulkan Campi Flegrei enthüllt erstaunliches: dort hebt und senkt sich der Boden mit deutlich schnelleren Raten. Aktuell liegen sie bei 13 mm pro Monat. Die jährliche Hebungsrate ist also 12 Mal so groß, wie in den beiden anderen Calderen. Wissenschaftliche Untersuchung und historische Aufzeichnungen ergaben, dass sich der Boden im Bereich der Caldera um bis zu 7 m hob uns senkte.

Im Gegensatz zu den beiden amerikanischen Calderavulkanen, kam es in der Campi Flegrei zu historischen Zeiten bereits zu einer Eruption. Sie ereignetes ich im Jahr 1538 und ließ den Schlackenkegel Monte Nuovo entstehen. Im Vorfeld des moderaten Vulkanausbruchs kam es zu massivsten Bodenhebungen, bei denen die Küste soweit angehoben wurde, dass sich die Küstenlinie um 370 Meter seewärts verschob. Dabei ging die Bodenhebung so schnell vonstatten, das Fische in Tümpeln gefangen wurden, die sich auf dem neuen Küstenstreifen bildeten.

Schlussfolgerungen für Supervulkaneruptionen

Diese historischen Beobachtungen lassen die Wissenschaftler vermuten, dass es vor einer Supervulkan-Eruption eines Calderavulkans wohlmöglich zu weitaus stärkeren Bodendeformationen kommen könnte, als jene, die sich 1538 im Golf von Pozzuoli zutrugen. Was sich tatsächlich ereignen wird, ist aber ungewiss. Gewiss ist nur, dass es irgendwann zu einem weiteren Ausbruch eines der großen Calderasysteme kommen wird. Solche Eruptionen haben das Potenzial sich global auszuwirken und das Klima zu beeinflussen. (Quelle: USGS)