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Yellowstone Caldera: neue Forschungsergebnisse zur Magmakammer

Eine Forschergruppe um Jamie Farrell wertete seismische Daten aus, die zwischen 1984 und 2011 in der Yellowstone-Caldera gesammelt wurden. Diese Daten wurden herangezogen, um mittels Computer ein tomographisches Bild der Magmakammer unter dem Yellowstone zu erstellen. Dies gelingt, da sich Erdbebenwellen in verschiedenen Medien unterschiedlich schnell ausbreiten. In Zonen mit geringerer Dichte breiten sich die Erdbebenwellen langsamer aus, als in Bereichen mit hoher Dichte. Durch minimale Laufzeitunterschiede können die Forscher verschiedene Gesteinsarten detektieren und insbesondere Fluide und Gesteinsschmelzen lokalisieren. Untersuchungen dieser Art wurden in den letzten Jahren häufiger durchgeführt, doch meistens ging es bei diesen Arbeiten um die Tomografie des Mantelplume und nicht um die oberflächennahe Magmakammer. Farrell und seine Kollegen werteten besonders viele seismische Daten aus und konnten so bestehende Modelle erweitern und verfeinern. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass die Magmakammer unter dem Yellowstone-Vulkan noch größer ist, als bisher angenommen. Besonders auffällig ist eine Zone mit geringer Ausbreitungsgeschwindigkeit der Erdbebenwellen an der Nordost-Grenze der Caldera. Diese liegt nahe der Oberfläche und scheint mit Fluiden gefüllt zu sein. Bei diesen Fluiden kann es sich um Magma, oder (und) hydrothermalen Lösungen handeln. Die Forscher geben die Maße der Magmakammer so an: 90 km lang, zwischen 5 und 17 km tief, Insgesamt 2,5 fach größer als bisher angenommen. Der Magmakörper erstreckt sich 15 km des nordöstlichen Calderarandes.

Die Verlagerung der Magmakammer in Richtung Nordosten hängt mit der Plattentektonik zusammen. Während der Mantelplume unter Yellowstone ortskonstant ist, wandert die Platte über ihn hinweg und das Eruptionszentrum verlagert sich an der Oberfläche.
Das Volumen der Magmakammer schätzen die Forscher auf 200 – 600 Kubikkilometer. Von den Gesteinen der Magmakammer sollen ca. 5-15% geschmolzen sein. Bisher ging man davon aus, dass die Magmakammer weniger Material enthalte, das aber ca. 32% geschmolzen sei. Einigen Studien zufolge müssen ca. 40% Schmelze in der Magmakammer vorhanden sein, bevor es zu einem Vulkanausbruch kommen kann. Es gibt aber auch Schätzungen, nachdem dafür weitaus weniger Schmelze ausreichend ist.

Damit ein Magmakörper aus größeren Tiefen aufsteigen kann sind ca. 5% Schmelze nötig. Das restliche Magma ist aufgrund der Hitze plastisch. Damit dieses Material in der Magmakammer schmelzen kann sind Temperaturen von mehr als 700 Grad nötig. Studien von anderen Vulkanen zeigen, dass das Magma in der Magmakammer nur während 1% seiner Verweildauer in der Kammer zum größten Teil geschmolzen ist. Die Zeitspanne, während der es überhaupt zur einem Vulkanausbruch kommen kann, ist somit relativ kurz.

Allerdings haben erst kürzlich Forschungen an der ETH Zürich gezeigt, dass weder der Schmelzanteil, noch der Gasdruck alles bestimmende Größen sind, ob und wann ein “Supervulkan” eruptiert. Die Wissenschaftler um Carmen Sanchez-Valle machten Laborexperimente mit Lava aus „Supervulkan-Eruptionen“. Sie kamen zu dem Schluss, dass allein schon der Dichteunterschied eines großen Magmakörpers zum Umgebungsgestein ausreichen kann, um eine Eruption auszulösen. Die Wissenschaftler vergleichen den Magmakörper mit einem Fußball, den man unter Wasser drückt und loslässt. Im Wortlaut erklärt das Sanchez-Valle so: “Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer ausreichenden Größe der Magmakammer alleine der durch Dichteunterschiede verursachte Überdruck genügt, um die darüber liegende Kruste zu durchbrechen und eine Eruption in Gang zu setzen”. Wieviel Magma in der Kammer geschmolzen sein muss, erklären die Forscher aber nicht.

Eine aktuelle Meldung des USGS sorgt für weiteren Diskussionsstoff: demnach änderte sich die Richtung der Bodendeformation im Norden der Yellowstone-Caldera. Nach einem mittelstarken Erdbeben der Magnitude 4,8 verschob sich die Bodendeformation um 0,5 cm in westlicher Richtung und um 1 cm Richtung Norden. Zuvor verschob sich der Untergrund in südlicher Richtung. Der Trend zur Inflation schlug in Deflation um: der Boden sackte um 2 cm ein, womit er gut ein Drittel der Aufwölbung verlor, die sich in den letzten 8 Monaten gebildet hatte. Die seismische Tätigkeit war recht hoch und konzentrierte sich auf einem Gebiet in der Nähe des Norris Geyser Basins.

Aus den neuen Forschungsergebnissen und Beobachtungen kann man ableiten, dass sich Magma im Untergrund des Yellowstone Nationalparks bewegt. Einen Vulkanausbruch mit globalen Folgen halte ich in mittelbarer Zukunft für sehr unwahrscheinlich. Es könnten sich aber durchaus lokale Magma-Ansammlungen mit genug Schmelze bilden, die einen normalen Vulkanausbruch verursachen könnten.

Weiterführende Links:

Steckbrief Yellowstone

Bildergalerie Yellowstone

Quellen: USGS, Wired Eruptions, nature.com, Geophysical Research Letters:
“Tomography from 26 years of seismicity revealing that the spatial extent of the Yellowstone crustal magma reservoir extends well beyond the Yellowstone caldera.”

Marc Szeglat :