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.

Yellowstone-Vulkan: doch ein Mantelplume?

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Der Yellowstone-Vulkan in den USA hat das Potenzial eine Supervulkan-Eruption zu erzeugen, die das Ende der menschlichen Zivilisation einläuten könnte. Daher wird der gigantische Calderavulkan systematisch überwacht. Bei Geowissenschaftlern ist er ein beliebtes Studienobjekt und die Medien thematisieren und dramatisieren die Geschehnisse dort gerne. So erschien jüngst ein neuer Studienbericht bei Nature Geoscience. Die Autoren der Studie sind Peter Nelson und Stephen Grand von der University of Texas in Austin. Sie gingen der Frage nach, woher das Magma stammt, welches den Yellowstone-Vulkan speist.

Es gibt 3 Theorien, die in der Fachwelt kontrovers diskutiert werden. Die klassische Hypothese ist die Hot Spot Theorie, die einen Mantelplume postuliert. Dieser ortstabile Magmaschlauch soll von der Grenze Erdmantel-Erdkern aus aufsteigen und sich wie ein Schweißbrenner durch die Lithosphäre (Erdkruste) brennen. Solche Mantelplumes sind für viele Intraplattenvulkane typisch. Normalerweise entsteht über Mantelplumes eine ganze Vulkankette, da die Erdkruste über den Mantelplume hinweg wandert. Typische Vertreter dieser Vulkanart sind die Vulkane auf Hawaii, oder auf La Réunion. Die Crux liegt nun darin, dass Hot Spot Vulkane normalerweise basaltisches Magma fördern, und dass die Magma-Art des Yellowstone-Vulkans am anderen Ende des chemischen Spektrums angesiedelt ist.

Daher kam in den letzten Jahren eine andere Theorie auf, welche eher imstande ist, das rhyolithische Magma zu erklären, das bei den großen Eruptionen des Yellowstone-Vulkans gefördert wurde. Demnach soll das Magma von einem Teil des Pazifikbodens stammen, welcher vor der Westküste der USA subduziert wird und in einem extrem flachen Winkel abtaucht. So legt das Stück ozeanische Kruste die Strecke bis unter dem Yellowstone zurück, wo es zum partiellen Schmelzen kommt. Diese Theorie wurde dadurch gestützt, dass man mit Hilfe seismischer Tomographie die vermeintliche ozeanische Kruste im Untergrund ausfindig gemacht hat.

Eine 3. Theorie vereint die beiden vorherigen Konzepte und geht davon aus, dass ein Mantelplume von der subduzierten Kruste im Erdmantel geblockt wird. Es dauert viele Hunderttausend Jahre, bis sich das basaltische Magma durch die subduzierte Kruste brennt und bis so genug Magma in die Magmakammer geströmt ist, dass sich eine Supervulkan-Eruption ereignen kann.

Den Autoren der neuen Studie ist es nun gelungen handfeste Hinweise auf die Existenz eines Mantelplumes zu entdecken. Nelson und Grand werteten Daten von mehr als 500 seismischen Messstationen aus, welche sich über die USA erstrecken. Laufzeitunterschiede der Erdbebenwellen geben Hinweise auf unterschiedliche Materialeigenschaften des Untergrunds. Mithilfe dieser Daten konnte ein Modell des Erdmantels generiert werden, welches von der Grenze des Erdkerns bis zum oberen Erdmantel reicht. Die Forscher entdeckten unter dem Yellowstone eine 350 km mächtige Anomalie von zylindrischer Form, welche sich erstmalig bis zur 2600 km tief gelegenen Grenze zum Erdkern verfolgen ließ. Allerdings verläuft diese Anomali nicht senkrecht, sondern schräg. Wenn diese Anomalie tatsächlich den Mantelplume zeigt, dann findet er seinen Ursprung im Grenzgebiet zwischen Kalifornien und Mexiko. Dort ist das Mantelgestein um bis zu 850 Grad heißer als normal. Der Mantelplume steigt in nordöstlicher Richtung auf. Doch wie kann ein Mantelplume über solche Distanzen schräg verlaufen? Bei einem so großen Temperaturunterschied ist das heiße Mantelgestein des Plumes weniger dicht und müsste wie eine Luftblase in einer Wasserflasche senkrecht aufsteigen. Ist die Konvektion im Erdmantel so stark, dass sie das aufsteigende Material im Mantelplume derart ablenkt? Die neue Studie bringt mehr neue Fragen, als Antworten. Ich denke, die Geheimnisse des Yellowstone-Vulkans sind noch lange nicht entschlüsselt.

Toba-Eruption: Menschen überlebten in Südafrika

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Vor gut 74.000 Jahren eruptierte auf der indonesischen Insel Sumatra der Calderavulkan Toba. Die Supervulkan-Eruption war so gewaltig, dass beinahe die gesamte Spezies Homo sapiens ausgelöscht wurde. Wie Genanalysen belegen, passierte das menschliche Genom zu dieser Zeit einen Flaschenhals: alle heute lebenden Menschen stammen von ungefähr 10000 (manche Studien gehen von nur 1000) Individuen ab, die die globalen Folgen der Eruption überlebten. Nun haben Forscher vermutlich das Refugium entdeckt, in dem ein Teil der Menschheit überlebte: es liegt an der Südspitze Südafrikas. Von dort aus machte sich eine 2. Migrationswelle auf den Weg, welche die Menschheit auf den Globus verteilte.

Grabungsstätten in Südafrika: Pinnacle Point caves und Vleesbaai dig

Am Montag veröffentlichten US-Amerikanische Wissenschaftler einen Artikel in Nature, in dem sie ihre neusten Forschungsergebnisse vorstellen. Ein Team aus Archäologen (Prof. Curtis Marean, Arizona State University) und Geologen (Prof. Gene Smith Uni Las Vegas) erforschte dabei zwei Fundstellen an der Küste Südafrikas: die Pinnacle Point caves und die Vleesbaai Grabungsstätte. Dort fand man nicht nur vulkanische Ablagerungen, deren Tephra die fast 9000 km lange Strecke über den Indischen Ozean zurücklegte, sondern auch Siedlungsspuren von Menschen. Die Spuren deuten darauf hin, dass sich die menschliche Aktivität während des Zeitraums der globalen Katastrophe verstärkte. Offenbar waren die Lebensbedingungen an der Küste gut und andere Gruppen migrierten dorthin.

Datierung der Tephra mittels optisch stimulierten Lumineszenz

Dass die Tephra, welche in Südafrika gefunden wurde, tatsächlich vom Toba stammt, wurde mit einer neuen Untersuchungsmethode bewiesen. Mikroskopische Scherben vulkanischen Glases wurden mit Hilfe der optisch stimulierten Lumineszenz genau datiert. Mit diesem Verfahren kann man bestimmen, wann ein Mineral zuletzt dem Sonnenlicht ausgesetzt war.

Die Folge der Toba-Eruption war ein vulkanischer Winter der mindestens mehrere Jahrzehnte anhielt. Manche Forscher gehen sogar davon aus, dass er mehrere Jahrhunderte wirkte und die kälteste Periode der Würm-Eiszeit auslöste. Ganz Südostasien litt unter den direkten Folgen der Eruption, die übrige Welt hatte mit einem starken Rückgang der Wachstumsperioden von Pflanzen und ein Rückgang der tierischen Population zu kämpfen. Während der Steinzeit war der Mensch noch Jäger und Sammler und betrieb keine Landwirtschaft. Man war also auf das angewiesen, was das Land hergab. Die Menschen an der Küste Südafrikas bedienten sich vermutlich den Ressourcen des Ozeans, welcher von den dramatischen Wandlungen weniger stark betroffen war. Zudem könnten warme Meeresströmungen das Klima erträglicher gemacht haben. Der Ozean dient auch heute als Buffer des globalen Klimawandels und verlangsamt umwälzende Prozesse der Atmosphäre.

Überleben der Menschheit nach Supervulkan-Ausbruch

Smith zieht sein persönliches Resümee der Studie in einem Vergleich der damaligen Gesellschaft mit der Heutigen, im Falle einer ähnlichen Katastrophe: demnach war die Steinzeit-Gesellschaft zu Zeiten der Toba-Eruption robust und die Menschheit konnte die Katastrophe überleben. Von der modernen Gesellschaft bezweifelt er, dass die Zivilisation eine Supervulkan-Eruption überstehen würde.

Allerdings gehen die Meinungen über die Auswirkung der Toba-Eruption auseinander und die Forschungsergebnisse werden kontrovers diskutiert. Einige Forschergruppen sehen keinen Hinweis auf einen genetischen Flaschenhals und gehen davon aus, dass der vulkanische Winter weniger schlimm war, wie von anderen Wissenschaftlern angenommen wird. Demnach gibt es weitere archäologische Fundstellen in Afrika, an denen das Leben nach der Katastrophe scheinbar ungestört weiterging. Die Weltbevölkerung des Homo sapiens vor der Katastrophe wird übrigens auf 100.000 geschätzt. Wenn 10.000 Individuen überlebten, starben 90% der Menschheit aus.

Weitere Artikel zum Toba: Magmakammer

Kikai Caldera: submariner Lavadom entdeckt

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Die Kikai-Caldera liegt wenige Kilometer vor der Südküste der japanischen Insel Kyushu. Sie hat einen Durchmesser von 19 km und gehört zu der Präfektur Kagoshima. Nördlich der Caldera liegt die Aira-Caldera mit dem bekannten Vulkan Sakurajima. Der Rand der Caldera wird durch 2 Vulkaninsel markiert: Iojima und Takeshima. Soweit die Basisdaten. Neu ist, dass japanische Wissenschaftler am Grund der Unterwasser-Caldera einen massiven Lavadom entdeckten, welcher nach der Bildung der Caldera eruptiert wurde. Die Spitze des Lavadoms liegt in nur 30 m Wassertiefe. Tauchroboter fotografierten die Oberfläche des Lavadoms und entdeckten Risse und Gasaustritte. Die Caldera formte sich vor 7300 Jahren nach einem vermeintlichen Supervulkanausbruch, bei dem 32 Kubikkilometer Tephra gefördert wurde. Diese Menge an Tephra entspricht allerdings einem VEI 6 und nicht einem VEI 8, was einem Supervulkanausbruch entspräche. Die Lava des Doms soll die gleiche chemische Zusammensetzung haben, wie die Lava, aus der die Vulkaninsel Iojima besteht, welche ebenfalls nach der Calderabildung entstand. Daraus schließen die Wissenschaftler, dass die Magmakammer unter der Caldera gefüllt ist und zu einer Eruption bereit sein könnte. Allerdings unterscheidet sich die Lava-Art von jener, welche bei der Supervulkaneruption gefördert wurde. Somit erscheint es mir als relativ unwahrscheinlich, dass sich in der Kikai-Caldera ein ähnliches Ereignis wie vor 7.300 Jahren wiederholen wird. Dennoch wird über eine möglicherweise bevorstehende Supervulkan-Eruption spekuliert. Man geht von einer 1 prozentigen Wahrscheinlichkeit aus, dass sich in den nächsten 100 Jahren eine große Caldera-formende Eruption in Japan ereignen wird. Die japanischen Wissenschaftler haben es sich zum Ziel gesetzt, genügend Daten zu sammeln, um so eine Eruption vorhersagen zu können.

Der gigantische Lavadom in der Kikai-Caldera wurde im Rahmen einer Erkundungsfahrt des Kobe Ocean Bottom Explorationszentrums (KOBEC) entdeckt. Die Forscher statteten das Ausbildungsschiff Fukae Maru mit modernster wissenschaftlicher Ausrüstung aus und unternahmen bereits 3 Forschungsfahrten zur Kikai-Caldera. Es wurde der Meeresgrund vermessen und auch mit einem seismischen Array gearbeitet. Mit Explosionen wurden künstliche Erdbeben ausgelöst, welche mittels seismischer Tomografie eine Untersuchung des Untergrundes ermöglichten. Die Forscher schickten Tauchdrohnen in die Tiefe, wendete elektromagnetische Untersuchungsmethoden an und sammelte Gas- und Gesteinsproben. Man entschied sich für die Kikai-Caldera als Forschungsobjekt, da es die jüngste Caldera dieser Größenordnung in Japan ist. Zudem liegt sie küstennahe und ist einfach zu erreichen.

Die Region, in der sich die Caldera befindet, gehört schon zu den Ryūkyū-Inseln. Dort gibt es zahlreiche Inselvulkane. Die Entstehung dieser Vulkane geht einher mit der Subduktion entlang des Ryūkyū-Grabens. Die subduzierte ozeanische Kruste wird teilweise aufgeschmolzen. Hinter der Subduktionszone steigt saures Magma auf, welches explosiv eruptierende Vulkane schuf und schafft.

Einige Medienberichte postulieren bereits den Weltuntergang und schreiben, dass eine Supervulkan-Eruption 100.000.000 Millionen Menschen gefährden würde. Sollte es tatsächlich zu so einer Eruption kommen, wäre unsere moderne Zivilisation in der Tat gefährdet. Allerdings wird in den Medien einiges durcheinander gewirbelt und der Dom mit der Magmakammer gleichgesetzt. Soweit ich es verstanden habe, ist der Dom derzeit inaktiv und ob sich tatsächlich soviel Schmelze in der Magmakammer befindet, das eine Supervulkaneruption drohen könnte ist hypothetisch. Künftige Forschungsfahrten sollen diese Frage klären.

Die Forschungsergebnisse wurden am 9. Februar in der Online-Ausgabe von Scientific Reports veröffentlicht und sind auch bei der Kobe Universität online.

Ätna: neue Forschungsergebnisse

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Über den Ätna auf Sizilien sind in den letzten Tagen gleich 2 neue Artikel über Forschungsergebnisse der Vulkanologen veröffentlicht worden, die ich hier zusammengefasst wiedergeben möchte.

Rasanter Magmenaufstieg am Ätna

Paroxysmus am Ätna

Der erste Artikel ist in Nature Scientific Reports erschienen. In ihm geht es um die Erforschung des Magmenaufstiegs am Ätna, welcher von Wissenschaftlern um Prof. Marco Viccaro der Uni Catania untersucht wurde. Die Geochemiker und Petrologen untersuchten Lavaproben des Vulkans, welche bei den Paroxysmen zwischen 2011 und 2013 gefördert wurden. Die Proben wurden mit Hilfe des Ionenmikroskops (Mikrosonde) untersucht. Besonderes Augenmerk lag dabei auf das Element Lithium, welches sich in zonierten Plagioklaskristallen fand. Lithium reagiert auf sich ändernde Druck/Temperaturbedingungen mit einer extrem schnellen Diffusion und verflüchtigt sich aus der Schmelze, bevor das Mineral zusammen mit der Lava erstarrt. Je schneller sich die Bedingungen ändern, desto schneller verflüchtigt sich das Lithium. Die sehr geringen Konzentration des Lithiums in den Plagioklaskristallen lies nun Rückschlüsse zu, wie schnell sich Druck und Temperatur änderten, bevor das Magma zu fester Lava erstarrte. Die Wissenschaftler kamen zu dem erstaunenden Ergebnis, dass der finale Magmenaufstieg während der paroxysmalen Eruptionen sehr viel schneller von statten geht, als bisher angenommen. Dieser erfolgt innerhalb von 1-2 Minuten, oder sogar in weniger als 1 Minute. Das aufsteigende Magma schießt dabei förmlich durch das Fördersystem und erreicht Geschwindigkeiten von bis zu 43 m/s. Diese großen Geschwindigkeiten erklären dabei auch die Höhe der Lavafontänen der Paroxysmen.

(Quelle: Prof. Marco Viccaro, „Ultrafast syn-eruptive degassing and ascent trigger high-energy basic eruptions“, scientific Reports 8, Article number: 147 (2018))

Ätna mit heißer Quelle verglichen

Wasserdampfwolke während einer Eruption.

Der 2. Artikel erschien in Earth-Science Reviews und stammt von Carmelo Ferlito, der ebenfalls Vulkanologe der Universität Catania ist. Er vergleicht den Ätna mit einer gigantischen heißen Quelle, da die enormen Dampfemissionen des Vulkans in einem großem Missverhältnis zur geförderten Lavamenge stehen. Normalerweise stammen die Gase, die aus einem Vulkan entweichen vom Magma im Inneren des Vulkans. Neben Wasserdampf werden überwiegend Schwefeldioxid und Kohlendioxid ausgestoßen. Um die Mengen an Dampf zu erklären, die vom Ätna ausgestoßen werden, müsste der Vulkan 10 Mal soviel Magma fördern, wie es derzeit der Fall ist. Daher vermutet Carmelo Ferlito, dass sich im Untergrund des Ätnas ein großes hydrothermales System befindet. Fluide sollen sich in unterirdischen Tasche und Pools ansammeln und entweichen, wenn sie vom Magma im Untergrund erhitzt werden, ähnlich wie es an heißen Quellen der Fall ist. Diese Theorie wird von Forschungsergebnissen anderer Wissenschaftler gestützt, die herausfanden, dass der Erdmantel viel mehr Fluide enthält, als bisher gedacht.

(Quelle: Carmelo Ferlito, „Mount Etna volcano (Italy). Just a giant hot spring!“, Earth-Science Reviews, 2017 )

Forscher warnen: Zunahme starker Erdbeben steht bevor

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Erdbeben gelten als unberechenbar und ihre Manifestationen scheinen willkürlich zu sein. Trotz aller Fortschritte in der Erdbebenforschung gelingen zuverlässige Vorhersagen nicht. Dennoch warnen Seismologen nun vor einer 5-7 jährigen Phase mit erhöhter Erdbebenaktivität. Besonders schlimm soll es die Staaten entlang des Äquators treffen: Die Forscher warnen vor einer 25-30 prozentigen Zunahme starker Erdbeben mit Magnituden größer als 7.

Doch wie kommen die Forscher zu diesem Ergebnis? Schon lange gibt es Hypothesen über Erdbebenzyklen und tatsächlich wurden Häufungen starker Erdbeben statistisch nachgewiesen, doch bisher gelangen keine überzeugenden Erklärungen für dieses Phänomen. Das Geowissenschaftler-Team um Roger Bilham (UNI Colorado at Boulder) und Rebecca Benedickt (Uni Montana) wollen dem Rätsel auf die Spur gekommen sein. Sie untersuchten zunächst Erdbebenstatistiken des letzten Jahrhunderts und entdeckten 5 Phasen erhöhter Aktivität und korrelierten diese mit Phasen, während dessen sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde periodisch verlangsamte und wieder beschleunigte. Diese Variation der Rotationsgeschwindigkeit findet in Zyklen zwischen 24 und 33 Jahren statt. In diesem Zeitraum durchläuft die Erde ein Maximun-Minimium-Maximum Durchgang der Rotationsgeschwindigkeit. Die Ursache der variablen Rotationsgeschwindigkeit der Erde ist der Austausch des Drehimpulses zwischen den festen und den flüssigen Bestandteilen des Erdkörpers. Soll heißen: der flüssige äußere Erdkern, Gesteinsschmelze im Erdmantel, die Ozeane und die Atmosphäre haben ein anderes Drehmoment als der innere Erdkern, Teile des Erdmantels und die feste Erdkruste. Nach einer bestimmten Periode ist der Unterschied so groß, dass sich die Drehmomente austauschen und es so zur Abbremsung (und anschließenden Beschleunigung) der Erdrotation kommt. Dabei soll sich der gesamte Erdkörper leicht verformen. Die Auswirkungen dieser Deformationen sind in der äquatorialen Gegend des Planeten am größten. Hier wirken auch die stärksten Fliehkräfte. Nicht umsonst ist die Erde ein leicht abgeflachtes Ellipsoid und keine Kugel. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass durch die Übertragung des Drehmoments die Abflachung geringer wird und dass die Lithosphäre langsamer abbremst, als die plastische Schmierschicht des oberen Erdmantels. Dadurch schwingt die Erdkruste Richtung Westen auf und es entstehen Spannungen im Gestein. Diese sind in den bekannten Erdbebenregionen entlang der Subduktionszonen am Größten. Die Erdbeben häufen sich 5-6 Jahre nach der größten Verlangsamung der Erdrotation. Dies aktuelle Bremsphase begann im Jahr 2011. Von jetzt an, bis zum Jahr 2022 besteht also eine besonders hohe Gefahr starker Erdbeben.

Ich möchte anmerken, dass 2010 und 2011 besonders viele starke Erdbeben (Japan, Haiti) stattfanden, dass gleiche gilt für ein Maximum der vulkanischen Aktivität, welches ich beobachten konnte. Dahingegen waren die letzten 3 Jahre vergleichsweise ruhig, während 2017 in der Tat ein Anziehen der Erdbebenaktivität zu beobachten ist. Forscher gehen heute immer mehr davon aus, dass auch der Mondzyklus und das Klima einen Einfluss auf seismische- und vulkanische Aktivität haben. Umstände, die noch vor wenigen Jahren von den meisten Forschern belächelt wurden. Inzwischen scheint es als bewiesen, dass das System Erde äußerst dynamisch ist und viel sensibler auf Veränderungen reagiert, als man es noch vor wenigen Jahrzehnten glauben wollte.

Quelle:  Geological Society of America (GSA), BILHAM, Roger, Geological Sciences and CIRES, University of Colorado at Boulder and BENDICK, Rebecca, Department of Geosciences, University of Montana, Missoula

Delle im Ozean durch Magmablase im Erdmantel

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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?

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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

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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

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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.