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.

Vulkanbögen und Backarcs: Neues Entstehungsmodell entwickelt

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Was passiert in Backarcs hinter Vulkanbögen? Ein neues Modell bringt Licht ins geologische Dunkel

Wer sich schon einmal gefragt hat, warum die Landschaften hinter Vulkanbögen so unterschiedlich aussehen fand bisher keine einfache Antwort. In den sogenannten Backarc-Regionen können sich Gebirge auftürmen, oder Becken absenken, während wiederum andere Region tektonisch ruhig bleiben und keine morphologischen Auffälligkeiten zeigen, obwohl sie sich alle in der Nähe aktiver Vulkanketten befinden. Was all diese Backarc-Regionen verbindet, ist jedoch eine auffällige Gemeinsamkeit: Sie weisen oft einen besonders hohen Wärmefluss und eine ungewöhnlich dünne Lithosphäre auf – und das oft weit entfernt vom Vulkanbogen selbst. Woher kommen diese Anomalien?

Diese Frage beschäftigt Geowissenschaftlerinnen und Geowissenschaftler seit Jahrzehnten. Bisher entwickelte man komplexe Modelle wie Mantelkonvektionen, die die Lithosphäre ausdünnen und Störungssysteme, die bis in den Erdmantel hinab reichen. Ein neues geophysikalisches Modell liefert nun eine überraschend einfache Erklärung und bringt frischen Wind in eine alte Debatte.

Vulkanbögen entstehen dort, wo ozeanische Erdplatten unter Kontinente abtauchen, oder wo sich eine Ozeanplatte unter eine andere schiebt – ein Prozess der uns als Subduktion bekannt ist. Dabei schmilzt ein Teil des abtauchenden Gesteins, Magma steigt auf, und hinter der Subduktionszone entstehen Vulkane, wie man sie zum Beispiel in Japan oder entlang der Anden findet. Doch die geologischen Verhältnisse hinter diesen Vulkanbögen – in den Backarc-Zonen – könnten unterschiedlicher kaum sein: In der Ägäis etwa wird die Erdkruste gedehnt, in Zentralasien hingegen türmen sich riesige Gebirgsketten auf, und in Japan bleibt die Region vergleichsweise stabil.




Das Puzzel der Terrane

Ein Forscherteam um den Geophysiker Zoltán Erdős (GFZ Potsdam) und Ritske Huismans (Universität Bergen) hat mithilfe von Computermodellen untersucht, wie sogenannte Terrane – kleine Krustenfragmente, die mit der ozeanischen Platte transportiert werden – mit einem Kontinent kollidieren und sich dort anlagern. Diese „Krusten-Puzzleteile“ können den Aufbau der Erdkruste tiefgreifend verändern und sich auch auf die Struktur des Erdmantels auswirken. Das Modell zeigt, dass durch solche Terran-Akkretion genau jene geophysikalischen Auffälligkeiten entstehen, die bisher schwer zu erklären waren – ganz ohne auf komplexe Mantelströmungen zurückgreifen zu müssen.

Beispiele für solche Regionen sind die nordamerikanischen Kordilleren, Zentralanatolien, die Ägäis oder Neuguinea. In all diesen Gebieten haben in der Vergangenheit Terrane mit dem jeweiligen Kontinent verschmolzen – und das spiegelt sich bis heute in ihrer geologischen Struktur wider.

Die neue Studie liefert nicht nur einen wichtigen Beitrag zur geodynamischen Forschung, sondern hat auch praktische Bedeutung: für die Erkundung von Erdwärme, den Abbau natürlicher Ressourcen und die Einschätzung von Erdbebenrisiken. Denn wer versteht, was unter der Oberfläche passiert, kann besser auf das reagieren, was darüber geschieht. (Quelle: Pressemeldung GFZ, https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq8444)

Axial Seamount bereitet sich auf Eruption vor

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Black Smoker am Axial Seamount. © UW/NSF-OOI/WHOI

Schöpfung und Zerstörung in der Tiefsee – Unterwasservulkan Axial Seamount droht auszubrechen

Tief unter der Oberfläche des Pazifiks, fernab von menschlicher Wahrnehmung und Einfluss, entfaltet sich ein dramatisches Schauspiel geologischer Kräfte. Am Axial Seamount, wo hydrothermale Quellen Wärme und Nährstoffe in das kalte Wasser der Tiefsee einbringen, gedeiht eine einzigartige Flora und Fauna. Manche Wissenschaftler sehen in diesem Environment die Wiege des Lebens auf der Erde.  Nun droht ein sich anbahnender Vulkanausbruch, die einzigartige Unterwasserwelt zu zerstören.

Der Unterwasservulkan Axial Seamount liegt auf dem Juan-de-Fuca-Rücken in rund 1400 Metern Tiefe, dort, wo vor der US-amerikanischen Nordwestküste die Pazifische Platte und die Juan-de-Fuca-Platte langsam auseinanderdriften. An dieser Nahtstelle der Erdkruste dringt heißes Magma aus dem Erdmantel empor, um neue ozeanische Kruste zu formen. Solche vulkanisch aktiven Zonen sind auf dem Meeresboden keine Seltenheit. Doch der Axial Seamount ist besonders gut erforscht – und derzeit besonders aktiv.

Einer, der den Vulkan besonders gut kennt, ist William Wilcock, Meeresgeophysiker und Professor an der Fakultät für Ozeanographie der University of Washington. Er und sein Wissenschaftlerteam des Ocean Observatories Initiative Regional Cabled Array beobachten seit Monaten eine wachsende Zahl schwacher Erdbeben, die von aufsteigendem Magma verursacht werden und auf zunehmenden Druck im sich aufblähenden Magmenkörper des Vulkans hindeuten. Ähnliche Signale gingen dem letzten Ausbruch im Jahr 2015 voraus. Damals registrierten die Messinstrumente innerhalb von 24 Stunden etwa 10 000 kleine Beben. Magma trat aus dem Inneren des Vulkans aus und hinterließ eine viele Kilometer lange Lavaspur auf dem Meeresgrund.

Was dort in völliger Dunkelheit und unter gewaltigem Druck geschieht, ist ein faszinierendes Wechselspiel aus Zerstörung und Erneuerung. Bei früheren Ausbrüchen wurden ganze Ökosysteme an den hydrothermalen Quellen der Black Smoker durch Lavaströme vernichtet. Doch nur wenige Monate später kehrten die ersten Lebensformen zurück. Mikroben, Röhrenwürmer und andere spezialisierte Organismen besiedeln die neu entstandenen Flächen und beweisen damit, wie widerstandsfähig das Leben selbst unter extremen Bedingungen sein kann.

Diese Quellen fördern nicht nur das Leben, sondern liefern den Forschenden auch wertvolle Informationen über die Dynamik des Planeten. Die Nähe des Magmas zur Oberfläche – am Axial Seamount liegt es nur etwa 1,5 Kilometer tief – und seine relativ niedrige Viskosität begünstigen regelmäßige, aber wenig explosive Eruptionen. Für Wissenschaftler bedeutet das: ideale Bedingungen, um Vulkanausbrüche aus nächster Nähe zu studieren, wobei es bei einem Unterwasservulkan, dessen Krater sich in 1400 m Tiefe befindet, besonderer Ausrüstung in Form von U-Booten und Unterwasserdrohnen bedarf, um das zu bewerkstelligen.




Beim nächsten Ausbruch ist sogar ein Livestream geplant – ein Meilenstein in der Vulkanforschung. Denn bislang war es extrem selten, einen Unterwasserausbruch direkt zu beobachten. Erst kürzlich gelang einem Forschungsteam der Woods Hole Oceanographic Institution ein solcher Glücksfall an einem submarinen Vulkan 2100 Kilometer westlich von Costa Rica: Bei einem Routinetauchgang am Ostpazifischen Rücken entdeckten sie frische Lava und verkohlte Überreste eines zuvor blühenden Schlotes – ein klarer Hinweis auf einen kürzlichen Ausbruch.

Die tiefergehende Analyse legt nahe, dass neben den inneren Prozessen des Vulkans auch äußere Kräfte Einfluss auf den Zeitpunkt einer Eruption haben könnten. Nach Meinung Wilcocks ist auffällig, dass alle drei Ausbrüche der letzten Jahrzehnte des Axial Seamount – 1998, 2011 und 2015 – in den ersten vier Monaten des Jahres stattfanden. Forscher vermuten, dass gezeitenbedingte Druckveränderungen am Meeresboden, ausgelöst durch die Gravitation des Mondes, den letzten Anstoß zur Eruption geben könnten, wenn die Magmakammer voll geladen ist. Daher rechnet Wilcock und sein Team mit einem Ausbruch spätestens Anfang 2026.

Was unter dem Meer als Zerstörung erscheint, ist zugleich ein schöpferischer Akt. Neue Ozeankruste entsteht, Lebensräume regenerieren sich – und die Erde zeigt einmal mehr, wie eng ihre Prozesse miteinander verwoben sind. Der Axial Seamount ist damit nicht nur ein Vulkan, sondern ein Schlüssel zum Verständnis unseres Planeten und eine Quelle des Lebens. (Quellen: CNN, UW/NSF-OOI/WHOI )

Pompeji: Szenen des Überlebenskampfes

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Neues Haus mit Szenen eines Rettungsversuches in Pompeji entdeckt – Bett als letzter Schutzschild

Bei den jüngsten Ausgrabungen in Pompeji haben Archäologen eine eindrucksvolle Momentaufnahme der letzten Minuten vor dem Untergang der antiken Stadt freigelegt, die den verzweifelten Überlebenskampf einer Familie dokumentiert. Im sogenannten Haus von Elle und Phrixus an der Via del Vesuvio wurde ein Schlafzimmer entdeckt, dessen Eingang offenbar mit einem Bett blockiert wurde – vermutlich ein letzter Versuch, sich vor den herabregnenden Lapilli zu schützen.

Die Szene erzählt von der Verzweiflung der Bewohner: In dem Raum fanden sich die Überreste von mindestens vier Personen, darunter ein Kind, das ein typisches Bronzemedaillon – eine sogenannte Bulla – trug. Die Ausgrabungen legen nahe, dass die Opfer in ihrem Schlafzimmer Zuflucht suchten, nachdem Vulkanmaterial durch eine Öffnung im Dach in ihr Haus eindrang. Das Bett, das als Barrikade diente, konnte mithilfe von Gipsabgüssen rekonstruiert werden. Das Holz, aus dem es bestand, war im Laufe der Jahrtausende verfault und hinterließ Hohlräume in der verfestigten Vulkanasche. Die Hohlräume dienten als Blaupause für die Gipsabdrücke. Auf diese Methode gehen auch die schaurigen Gipsfiguren toter Menschen zurück, für die Pompeji bekannt ist.

„Pompeji konfrontiert uns mit der Schönheit antiker Kunst – und der Zerbrechlichkeit des Lebens“, sagt Parkdirektor Gabriel Zuchtriegel. Der dramatische Fund sei ein seltenes Zeugnis für den Versuch, inmitten der Katastrophe zu überleben.

Das Haus wurde nach einem mythologischen Wandgemälde benannt, das im Speisesaal (Triclinium) entdeckt wurde. Es zeigt die Geschwister Helle und Phrixus auf dem Rücken eines goldenen Widders, kurz vor Helles tödlichem Sturz ins Meer. Hierbei handelt es sich um ein tragisches Motiv der griechischen Mythologie, das durch die Umstände des Hausfundes eine besondere Tiefe erhält.

Neben menschlichen Überresten wurden zahlreiche Alltagsgegenstände gefunden: Amphoren mit Fischsauce (Garum), ein bronzener Hausrat mit Krug, Schöpfkelle und Muscheltasse sowie Vorräte aus einer Speisekammer.

Das Gebäude liegt nahe dem bekannten Haus von Leda und dem Schwan, das 2018 ausgegraben wurde. Beide Domus befanden sich offenbar während des Ausbruchs im Umbau, wie Spuren entfernter Türschwellen und unverzierter Wände zeigen. Möglicherweise wurden noch die Spuren des starken Erdbebens beseitigt, das sich im Jahre 62 ereignet hatte und große Schäden in Pompeji hinterließ. Heute interpretiert man dieses Erdbeben oft als ein Warnzeichen, dass sich der Vesuv auf eine Eruption vorbereitet hat. Allerdings sind solch starke Erdbeben 17 Jahre vor einem Vulkanausbruch sehr ungewöhnlich.

Der Untergang Pompejis wurde im Jahre 79 n. Chr. durch einen Ausbruch des Vulkans Vesuv ausgelöst. Die Eruption hatte einen VEI von 6 und stieß enorme Aschemengen aus. Doch die stärksten Zerstörungen und letztendlich der Untergang von Pompeji wurden von pyroklastischen Strömen verursacht. Später gingen auch Lahare vom Vesuv ab, die überwiegend zur Zerstörung von Herculaneum beitrugen. (Quelle: Archäologischer Park Pompeji)

Yellowstone: KI hilft bei Früherkennung

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Grand Prismatic Spring im Yellowstone Nationalpark. © Marc Szeglat

Forscher setzen Maschinelles Lernen und KI zur Vulkanüberwachung im Yellowstone ein – Früherkennung der Bildung neuer Geothermalfelder möglich

Die Entwicklung von Künstlicher Intelligenz mithilfe des Maschinellen Lernens schreitet in einem unvorstellbaren Tempo voran und ist aus vielen Bereichen des täglichen Lebens und der Forschung nicht mehr wegzudenken. Das Besondere an einer KI ist, dass ihr Wissen nicht einprogrammiert wird, sondern dass sie eigenständig aus Daten lernt. Diesen Vorgang nennt man Maschinelles Lernen. Mittlerweile wird dieses „elektronische Lernen und Denken“ auch in der Seismologie und Vulkanologie eingesetzt. Erst letzte Woche schrieb ich über den Einsatz von KI bei der Echtzeitbeobachtung und anschließenden Auswertung von Erdbeben während der seismischen Krise bei Santorin und dem Unterwasservulkan Kolumbos. Heute berichte ich über den Einsatz Maschinellen Lernens in der Yellowstone-Caldera.

Forschende des Yellowstone Volcano Observatory (YVO), das dem US Geological Survey (USGS) untersteht, setzen neuerdings Maschinelles Lernen ein, um die Entstehung neuer hydrothermaler Felder vorherzusagen. Da die Landschaft in der weitläufigen Caldera einem ständigen Wandel unterliegt und viele abgelegene Regionen in der bewaldeten Gebirgslandschaft nur schwer zugänglich und mit konventionellen Methoden kaum zu überwachen sind, wurde ein System weiterentwickelt, das ursprünglich von anderen USGS-Kollegen zur Exploration bislang unentdeckter geothermaler Felder im Westen der USA konzipiert wurde. Diese Gebiete könnten potenziell zur Stromerzeugung erschlossen werden. Im Fokus steht dabei das geologisch aktive Great Basin, das sich zwischen der Sierra Nevada im Westen und der Wasatchkette im Osten über mehrere US-Bundesstaaten erstreckt.

Mithilfe Maschinellen Lernens versuchen die Wissenschaftler, geologische Daten mit dem Vorkommen hydrothermaler Systeme zu korrelieren. Dabei kommen insbesondere sogenannte Entscheidungsbäume zum Einsatz, die Bedingungen identifizieren, unter denen hydrothermale Aktivität wahrscheinlich ist, die sich zur Stromerzeugung nutzen lässt.

Obwohl eine geothermische Energiegewinnung im Yellowstone verboten ist, da die Caldera unter dem strengem Schutz eines Nationalparks steht, könnten dieselben Analysewerkzeuge dazu dienen, dort neue Thermalgebiete im Embryonalstadium zu lokalisieren. In die ursprünglichen Entscheidungsbäume fließen geologische Parameter wie Wärmefluss, Tektonik, Seismizität und Spannungen ein. Da jedoch im Yellowstone-Plateau der Wärmefluss nahezu überall hoch ist, mussten die Entscheidungsbäume speziell angepasst werden, um zusätzliche geologische Faktoren zu berücksichtigen.

Solche Analysen könnten nicht nur Hinweise darauf geben, wo sich demnächst neue heiße Quellen, Schlammtöpfe oder Geysire bilden, sondern auch überraschende geologische Zusammenhänge aufdecken. Erste Ergebnisse zeigen eine starke Korrelation zwischen hydrothermaler Aktivität und geologischen Strukturen wie Verwerfungen, die den unterirdischen Flüssigkeitsfluss erleichtern. Die Forschung soll künftig klären, welche Kombinationen geologischer Bedingungen entscheidend sind – trotz durchgehend hoher Wärme.

Neben der konkreten Anwendung im Yellowstone könnten diese Erkenntnisse weltweit Bedeutung erlangen – etwa für Regionen wie das Taupō-Caldera-System in Neuseeland oder die Campi Flegrei in Italien. So hilft die Forschung nicht nur, die zukünftige Entwicklung im Park besser zu verstehen, sondern auch, das Potenzial geothermischer Energie andernorts besser zu nutzen.

Dass eine Überwachung des Hydrothermalsystems im Yellowstone notwendig ist und auch in entlegenen Arealen des Parks durchgeführt werden muss, zeigen die steten Veränderungen in der Caldera. So entstanden in den letzten Jahren nicht nur mehrere neue postvulkanische Manifestationen in den gut erschlossenen Teilen der Caldera, sondern es bildete sich sogar ein ganzes Thermalfeld in einem abgelegenen Teil des Parks. Rückwirkend durchgeführte KI-Analysen von alten Satellitenbildern zeigten, dass sich bereits im Jahr 2000 die Vegetation im Gebiet am Tern Lake veränderte – bemerkt wurde die Bildung des neuen Thermalgebiets von den Forschern aber erst im Jahr 2018.

Kolumbos, der Vulkan der Gold und Silber spuckt

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Forschungsmission untersuchte hydrothermale Sulfid-Lagerstätte am Kolumbos bei Santorin – Gold und Silber enthalten

Der griechische Unterwasservulkan Kolumbos liegt nordöstlich von Santorin und ist spätestens seit der seismischen Krise Anfang des Jahres Gegenstand zahlreicher Studien. Eine Forschergruppe um Simon Hector vom Karlsruher Institut für Technologie beschäftigte sich jedoch bereits zuvor mit den hydrothermalen Quellen im Kraterbereich des Vulkans und veröffentlichte ihre Ergebnisse kürzlich bei nature.com. Ziel der Untersuchung war es, die Prozesse zu verstehen, die zur Bildung einer umfangreichen Metallsulfid-Lagerstätte am Kraterboden geführt haben – und das in einer Wassertiefe von rund 500 Metern.

Mithilfe einer Unterwasserdrohne entdeckten Wissenschaftler schornsteinartige Strukturen, die als sogenannte „Black Smokers“ bekannt sind. Aus diesen Kaminen treten heiße, metallreiche und schwefelhaltige Fluide aus, die bei der Abkühlung im Meerwasser mit diesem reagieren. Dabei bilden sich Metallsulfide, die sich am Meeresboden ablagern und dort Lagerstätten entstehen lassen. Im Fall von Kolumbos fanden die Forscher ungewöhnlich große Mengen an Gold und Silber, die gemeinsam mit Sulfiden der Metalle Arsen (As), Blei (Pb), Kupfer (Cu), Quecksilber (Hg), Antimon (Sb), Zinn (Sn), Titan (Ti) und Zink (Zn) auftreten. Im Fokus der Forschungen stand dabei jedoch nicht das Edelmetallvorkommen, sondern das vergleichsweise preiswerte Element Blei – ein Schlüsselelement für die Herkunftsanalyse der hydrothermalen Lösungen.

Geologie des Vulkans Kolumbos

Der Unterwasservulkan Kolumbos liegt nordöstlich von Santorin im Anhydros-Riftbecken, einem Teil des südägäischen Vulkanbogens. Er befindet sich in einer geologischen Senkungszone mit tiefreichenden Verwerfungen. Unter dem Vulkan liegt ein mehrere Kilometer mächtiges Grundgebirge aus Granit, Gneis und Schiefern, überlagert von jüngeren Gesteinseinheiten. Das Vulkangebäude besteht aus 5 Schichten vulkanischen Materials. Die beiden jüngsten stammen vom letzten Ausbruch im Jahr 1650 und bestehen überwiegend aus rhyolitischem Bimsstein, mit basaltischen und andesitischen Einschlüssen.

Im Untergrund liegen zwei Magmakörper in unterschiedlichen Tiefen. Im Tieferen wird aus basaltischer Schmelze durch Reaktion mit dem granitischen Grundgebirge Rhyolith. Dieses steigt von der unteren Erdkruste aus auf und akkumuliert sich in einem zweiten Magmenkörper in nur 2 bis 4 Kilometer Tiefe unter dem Kolumbos.


Durch die Untersuchung des Bleis wollten die Forscher klären, ob die Metalle magmatischen Ursprungs sind – also aus einem Magmenkörper stammen – oder ob sie durch Auslaugung bereits vorhandener Meeresgesteine in Lösung gingen. Hierzu verglichen sie das Blei-Isotopenverhältnis in Gesteinsproben aus den Black Smokers mit dem potenzieller Ausgangsgesteine des Meeresbodens. Das Ergebnis: Das Isotopenverhältnis des Bleis in den Schlotwänden entspricht dem der vulkanischen Gesteine, die der Kolumbos gefördert hat.

Magmatische Gase transportierten neben Blei auch Arsen, Silber, Gold, Kupfer, Quecksilber, Antimon, Zinn und Zink. Das ebenfalls nachgewiesene Titan hingegen stammt aus der Auslaugung rhyolithischer Gesteine. Aus diesem Rhyolith stammen zudem Sulfide, die an der Bildung von Pyrit beteiligt waren. Verschiedene Salze sowie das Bleisulfid Galenit wurden durch hydrothermale Prozesse in die Meeresumgebung eingebracht. Im Pyrit identifizierten die Forscher unter dem Mikroskop wachstumsbedingte Zonierungen aus Galenit – ein Hinweis auf episodische Pulse magmatischer Fluide während des Wachstums der Schlote.

Insgesamt überwiegt der magmatische Anteil an den hydrothermalen Lösungen bei der Bildung der Sulfid-Lagerstätte im und am Kolumbos. Das spricht für das Vorhandensein eines aktiven Magmenkörpers unter dem Vulkan. Die austretenden hydrothermalen Fluide weisen Temperaturen von bis zu 265 °C auf – ein weiterer Beleg für die Präsenz von Magma im Untergrund. Lediglich der hohe Wasserdruck in 500 Metern Tiefe verhindert das Verdampfen der Fluide.

Wie hoch der Anteil an Gold und Silber in der Lagerstätte tatsächlich ist, bleibt offen. Doch ein Vulkan, der Gold und Silber hervorbringt, ist in jedem Fall bemerkenswert. (Quelle: nature.com)

Uturuncu: Studie erklärt Ursprung der Bodenhebung

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Studie enthüllt Quelle der Bodenhebung am Uturuncu in Bolivien

Der bolivianische Vulkan Uturuncu gehört zum Altiplano-Puna-Vulkankomplex, einem riesigen Vulkansystem, unter dem in der Erdkruste einer der größten bekannten Magmakörper der Welt steckt. Dieser Magmenkörper befindet sich in einer Tiefe von 15 bis 20 Kilometern. Obwohl der Uturuncu zum letzten Mal vor mehr als 250.000 Jahren eruptierte und deswegen eigentlich als erloschen gilt, entdeckten Geoforscher in den 1990er-Jahren, dass sich der Boden im Zentralbereich des Vulkans mit einer Rate von 1 bis 2 Zentimetern pro Jahr hebt, während es im Randbereich des Vulkankomplexes zu einer Absenkung des Bodens kommt. Zudem wurden Erdbeben detektiert und festgestellt, dass es fumarolische Aktivität gibt – sehr ungewöhnliche Vorkommnisse für einen eigentlich als erloschen eingestuften Vulkan. Diese Vorgänge schürten natürlich Sorge vor einem Vulkanausbruch.

Der Uturuncu ist über 6000 Meter hoch und erhebt sich aus einem System sich überlappender Calderen, die sich im Neogen bildeten. Diese Tatsache, gepaart mit dem Wissen um den gigantischen Magmenkörper im Untergrund, schürte Ängste vor einem sich möglicherweise zusammenbrauenden Supervulkanausbruch.

Seismische Tomografie generiert Bild des Fördersystems und gibt Entwarnung

Ein internationales Forscherteam aus China, Großbritannien und den USA hat nun neue Erkenntnisse über die Bodenhebung am Uturuncu gewonnen. Die neue Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift PNAS, kombiniert seismologische Daten, physikalische Modellierung und die Analyse der Gesteinszusammensetzung. Mithilfe von Signalen aus über 1.700 Erdbebenereignissen erstellte das Forschungsteam ein hochauflösendes, dreidimensionales Bild des Fördersystems unter dem Vulkan.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Unruhe durch das Aufsteigen von hydrothermalen Flüssigkeiten und Gasen verursacht wird, die sich in Reservoirs unter dem Krater sammeln und von dem tief liegenden Magmenkörper ausgehen. Magma in geringer Tiefe wurde nicht entdeckt, und somit gilt ein bevorstehender Ausbruch als unwahrscheinlich – eine Entwarnung für die lokale Bevölkerung, für die ein Ausbruch schwerwiegende Folgen hätte.

Island: Glasfaserkabel messen Bodendeformationen

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Folgen der Grabenbildung in Grindavik am 10. November 2023. © Marc Szeglat

Mit Glasfaser gegen die Lava – Wie Island die Vulkanüberwachung revolutioniert

Island, die Insel aus Feuer und Eis im Nordatlantik, ist zum Vorreiter einer bahnbrechenden Technologie geworden, die hilft, Vulkanausbrüche schneller und präziser vorherzusagen. Geowissenschaftler setzen dort auf ein Netzwerk aus Glasfaserkabeln, die ursprünglich für den Datenverkehr des Internets verlegt wurden und nun auch dazu genutzt werden, um kleinste Bodenbewegungen zu messen – und so die Vorzeichen von Magmaintrusionen wie jene vom 10. November 2023 in Grindavik frühzeitig zu erkennen.

Das Prinzip nennt sich Distributed Acoustic Sensing (DAS). Dabei werden bestehende – und mittlerweile auch neu verlegte – Glasfaserkabel mit speziellen Analysegeräten verbunden, die aus winzige Laufzeitunterschiede von Lichtimpulsen Veränderungen im Untergrund ableiten können. Jedes Kabel wird so zu Tausenden virtueller Sensoren. Auf Island hat diese Technik bereits erste große Erfolge erzielt: Besonders auf der Reykjanes-Halbinsel, wo sich der Boden seit 2020 immer wieder hebt, Risse bildet und neue Vulkanspalten aufbrechen, konnten Forscher Intrusionen von Magma in Echtzeit verfolgen und so Warnungen aussprechen. In einem Fall erkannte man auch, dass nur eine kleine Intrusion im Gang war, und verhinderte so einen Fehlalarm.

Eine aktuelle Studie zeigte, wie das Glasfasernetz half, die Entwicklung eines Dykes – eines magmatischen Gangs im Untergrund – zwischen den Sundhnúkur-Kratern und Grindavík aufzuzeichnen. Aus den gemessenen Dehnungen konnten die Wissenschaftler sogar die Geschwindigkeit berechnen, mit der sich das Magma im Untergrund ausbreitet. In einigen Fällen betrug sie zunächst fast einen Meter pro Sekunde, verlangsamte sich dann, als das Magma näher an die Oberfläche kam. Besonders eindrucksvoll: Schon bevor sich erste oberflächennahe Erdbeben zeigten, registrierte das Glasfaserkabel tiefere Bewegungen.

Inzwischen wird die DAS-Technik weltweit an Vulkanen getestet: am Ätna in Italien, am Kilauea auf Hawaii und sogar im Yellowstone-Gebiet der USA. Es gibt auch Überlegungen diese Technik in den italienischen Campi Flegrei anzuwenden. Überall dort versprechen sich Geophysiker neue Einblicke in die Entstehung von Ausbrüchen. Noch stehen viele dieser Projekte am Anfang – Island ist aktuell der einzige Ort, wo DAS bereits in einem operativen Überwachungsbetrieb eingesetzt wird.

DAS wird aber nicht nur in der Vulkanüberwachung eingesetzt. Ursprünglich wurde es zu Überwachung von Infrastruktur wie Pipelines, Gleisanlagen, Brücken und Tunneln entwickelt. Die Geoforscher haben die bereits existierende Technik adaptiert.

Wie funktioniert Distributed Acoustic Sensing (DAS)

Die Grundprinzipien von DAS sind einfach: Ein sogenannter Interrogator wird an ein Glasfaserkabel angeschlossen und sendet kontinuierlich Laserimpulse durch die Faser. Natürliche Unregelmäßigkeiten in der Glasfaser verursachen eine geringe Rückstreuung des Lichts (Rayleigh-Streuung). Wenn das Kabel durch externe Einflüsse wie Vibrationen, akustische Wellen oder Dehnungen beeinflusst wird, verändern sich die Eigenschaften des rückgestreuten Lichts minimal. Diese Veränderungen werden vom Interrogator erfasst und analysiert, um den Ort und die Art der Störungen entlang der Faser zu bestimmen. Dadurch ermöglicht DAS eine kontinuierliche und präzise Überwachung großer Netzwerke in Echtzeit.


Durch die Kombination von DAS-Daten mit Satellitenaufnahmen (InSAR), GNSS-Messungen und klassischen Seismometern entsteht ein nahezu lückenloses Bild der unterirdischen Vorgänge. Künftig könnten Bewohner gefährdeter Gebiete noch früher gewarnt werden – vielleicht Stunden oder sogar Tage vor einer Eruption.

DAS bietet den Vorteil, dass es gegenüber den satellitengestützten Messmethoden eine deutlich höhere zeitliche Auflösung bietet und bereits kleinere Bodendeformationen erfassen kann. Besonders bei InSAR-Messungen können Tage zwischen zwei Überflügen eines Satelliten über eine bestimmte Region vergehen. Dafür bietet diese Methode aber den Vorteil, dass sie überall auf der Welt funktioniert. Die DAS-Technik kommt vor allem im urbanen Siedlungsbereich zum Einsatz, dort, wo schon Glasfaserkabel liegen. Und natürlich auf Vulkanen, wo mittlerweile extra entsprechende Kabel verlegt werden. Das ist allerdings nicht ganz unkritisch zu betrachten, denn die Verlegung von Glasfaserkabeln geht nicht ohne Eingriff in die Natur vonstatten und diese Kabel verrotten natürlich nicht und bleiben lange Zeiträume erhalten. (Quelle: Studie science.org)

Aktuelle Situation auf Island

Apropos Island: Dort hat sich die Bodenhebung deutlich verlangsamt und nähert sich weiter den Werten an, die wir vor der Eruption Anfang des Monats gesehen haben. Auch die Erdbebentätigkeit der letzten Tage war geringer als in der Vorwoche, was aber zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass es durch starke Winde zu einer Beeinträchtigung in der Erdbebenerfassung kam. Unter Bardarbunga manifestierte sich gestern ein Erdbeben M 3,2.

Campi Flegrei: Neues Schwarmbeben und weitere Studie

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Weitere Studie bestätigt hohe Fluiddynamik in geringer Tiefe

Erst heute Morgen habe ich über eine neue Studie berichtet, die einen flach liegenden Magmenkörper unter dem Yellowstone-Vulkan identifizierte. Hierbei wurde das Bildgebungsverfahren der seismischen Tomografie eingesetzt. Einem neuen Bericht beim IGNV zufolge hat man eine vergleichbare Studie auch in den Campi Flegrei durchgeführt. Und ähnlich wie unter der Yellowstone-Caldera wurde auch hier ein Magmenkörper in nur 3,9 Kilometern Tiefe entdeckt.

Die INGV-Forscher untersuchten den Untergrund der Caldera Campi Flegrei in zwei Kampagnen, die 2020–22 und 2023–24 durchgeführt wurden, und verglichen die computergenerierten Modelle des Untergrunds, die dadurch entstanden, dass das Wellenverhalten tausender Erdbeben untersucht wurde. Die Forscher entdeckten unter der Caldera zwei Gebiete, in denen es zu einer anomalen Erhöhung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der seismischen Wellen kam. Die erste Anomalie kommt durch eine erhöhte P-Wellen-Geschwindigkeit (Vp) in 3–4 km Tiefe unter Pozzuoli und dem angrenzenden Meer zustande. Die zweite zeigt sich in einer erhöhten S-Wellen-Geschwindigkeit (Vs) in rund 2 km Tiefe unter dem Fumarolengebiet Solfatara-Pisciarelli. Diese Anomalien stehen im Zusammenhang mit der beobachteten Bodenhebung und einer Zunahme der Seismizität. Der Vergleich der Daten der beiden Kampagnen belegte eine hohe Dynamik in dem Gebiet.

Die Vp-Anomalie kann entweder auf eine moderate magmatische Intrusion (< 1 km³), die überkritische Fluide enthält, oder auf die Ansammlung dichter Fluide wie Hochdruckwasser oder Gase zurückzuführen sein. Beide Prozesse erhöhen die seismische Geschwindigkeit gegenüber dem umgebenden porösen Gestein. Einige Studien deuten zudem auf einen Magmaaufstieg von 6 km auf etwa 3,9 km Tiefe hin. Diese Menge des aufgestiegenen Magmas ist jedoch zu gering, um tomographisch sicher nachweisbar zu sein.

Weitere Schwarmbeben unter der Caldera

Seit gestern kommt es auch wieder zu einem weiteren Erdbebenschwarm, der bis jetzt aus gut 30 Erschütterungen besteht. Er ist Ausdruck der dynamischen Prozesse unter den Campi Flegrei. Das stärkste Beben des Schwarms ereignete sich heute Morgen um 06:28:55 UTC und hatte eine Magnitude von 2,7. Der Erdbebenherd lag in 3,7 Kilometer Tiefe, Das Epizentrum wurde nordwestlich der Solfatara an der Tangentiale verortet. Die Bewohner der Region reagieren immer genervter auf die Beben. Es gibt Medienberichte, in denen die Anwohner mit den Worten zitiert werden, dass sie die Beben nicht mehr ertragen könnten.

Ein Ende der Hebungsphase ist indes nicht in Sicht und das INGV bestätigte in seinem jüngsten Wochenbericht ein Anhalten der Bodenhebung mit einer Geschwindigkeit von 20 mm pro Monat. Es gibt Hinweise auf eine leichte Reduzierung der Hebegeschwindigkeit. Dennoch hält der langjährige Trend der Druckbeaufschlagung an.

Yellowstone: Forscher entdecken oberflächennahen Magmenkörper

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Fumarolen und Geysire des Norris Geyser im Yellowstone lassen Druck ab. © Marc Szeglat

Oberflächennaher Magmenkörper unter dem Yellowstone entdeckt – trägt zur Stabilisierung des Systems bei

Seit vielen Jahren bemühen sich Geowissenschaftler, die Geheimnisse des Yellowstone-Vulkans zu entschlüsseln, und tatsächlich machen sie in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte. Diese wurden in erster Linie durch das vergleichsweise neue Bildgebungsverfahren der seismischen Tomografie ermöglicht, bei dem Erdbebenwellen dazu genutzt werden, ein computergeneriertes Bild des Untergrunds zu modellieren. Mit dieser Methode wurde nun ein flach liegender Magmenkörper entdeckt, der das Vulkansystem stabilisieren könnte

 

Bei der seismischen Tomografie nutzt man die Eigenschaft aus, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit und Reflexion von Erdbebenwellen materialeralspezifisch sind. Passiert eine Erdbebenwelle unterschiedliche Gesteine oder sogar Fluide und Schmelzen, ändert sich ihre Geschwindigkeit. Anhand von Laufzeitunterschieden können Wissenschaftler und ihre Computer so z. B. erkennen, ob sich im Untergrund ein Magmenkörper befindet. Bislang werteten Forscher meistens eine Vielzahl natürlicher Erdbeben aus, deren Wellen durch ein besonders dichtes seismisches Netzwerk aufgefangen und analysiert wurden. Nun kam eine Forschergruppe der Rice-Universität auf die Idee, Erdbebenwellen selbst zu erzeugen, und bediente sich eines Verfahrens, das schon seit Jahrzehnten bei der Rohstoffexploration eingesetzt wird: Vibroseis. Mit Hilfe schwerer LKWs, die mit Rüttelplatten ausgestattet sind, wurden niederfrequente Vibrationen in den Untergrund des Yellowstones geschickt und ein Array aus 650 Geofonen ausgelegt. Mit den so gewonnenen seismischen Daten modellierte man am Computer ein neues Bild des flacheren Untergrunds der Yellowstone-Caldera.

Die Forscher entdeckten einen Magmenkörper, dessen kuppelförmige Oberfläche in nur 3,8 Kilometer Tiefe im nordöstlichen Teil der Caldera liegt. Sie besteht aus silikatischer Schmelze und Fluiden, die sich in einem porösen Gestein sammelten. Laut den Forschern könnte diese Magmakappe eine regulierende Wirkung auf den tiefer liegenden Magmenspeicher haben und diesen stabilisieren, indem sie Druck und Wärme zurückhält und den Ausstoß an Fluiden über das Hydrothermalsystem reguliert. So soll diese Magmakappe einen Vulkanausbruch (vorläufig) verhindern.

Bei der Entdeckung von Schmelze und Fluiden spielten nicht nur Laufzeitunterschiede eine Rolle, sondern auch die Reflexionen von P-Wellen und ihre Umwandlung in S-Wellen. Es gibt Hinweise darauf, dass sich die Fluide in einem überkritischen Zustand befinden und ca. 375 Grad heiß sind.

Struktur der Magmakappe baut Druck über Fluidefluss ins Hydrothermalsystem ab

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass in der geringen Tiefe, in der sich die Oberseite des Magmenkörpers befindet, aufgrund des geringen Umgebungsdrucks Gase wie Wasser und Kohlendioxid aus der Schmelze freigesetzt werden und Blasen bilden, die sich im oberen Bereich des Reservoirs ansammeln. Solche Blasenansammlungen gelten als mögliche Auslöser für explosive Vulkanausbrüche, vor allem, wenn sie sich nicht an der Oberseite des Magmenkörpers bilden, sondern in tieferen Regionen des Reservoirs. Computermodelle und seismische Daten deuten darauf hin, dass die Blasen im Yellowstone-Magmenkörper nicht in gefährlichen Mengen zurückgehalten werden, sondern effizient über Risse und poröses Gestein wie durch ein Überdruckventil entweichen können.

Zudem werden große Mengen magmatischer Gase über das hydrothermale System an die Oberfläche transportiert. Diese kontinuierliche Entgasung verhindert, dass sich Druck im Reservoir gefährlich aufbaut. Das Magmenreservoir selbst wird als kristallreich mit einer Porosität von weniger als 30 % beschrieben – Eigenschaften, die laut Modellierungen eine Entweichung der Gase begünstigen.

Obwohl Studien in den letzten Jahren herausfanden, dass unter Yellowstone wesentlich mehr Magma vorhanden ist, als früher vermutet wurde, und sich diese Schmelze in relativ geringer Tiefe befindet, sehen die Forscher derzeit keine Anzeichen für einen unmittelbar bevorstehenden Ausbruch. Vielmehr scheint sich das System in einem Gleichgewichtszustand zu befinden, in dem Gas- und Wärmeaustausch aktiv reguliert werden – ein Zustand, der vom Leiter der Studie, Prof. Brandon Schmandt, als „stabil atmend“ beschrieben wird.

Darüber, wie lange das Vulkansystem des Yellowstones stabil bleibt, gibt die Studie keine Auskunft. Die angewendeten Techniken sollte man meiner Meinung nach auch in den Campi Flegrei anwenden, um den dortigen Bradyseismos besser zu verstehen. (Quellen: Nature, Pressemeldung Rice Universität)