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: 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)

La Palma: Eruptionszyklen entschlüsselt

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Ausbruch des Tajogaite-Vulkans auf La Palma 2021. © Marc Szeglat

Neue Studie zeigt mit Hilfe von Paläomagnetik Zyklen der vulkanischen Aktivität auf La Palma

Die vulkanische Aktivität auf La Palma verlief in mehreren deutlich voneinander getrennten Phasen. Das geht aus einer neuen Studie hervor, die ein internationales Forschungsteam mithilfe paläomagnetischer Analysen erstellte. Dabei wurde das Alter von acht holozänen Ausbrüchen genau bestimmt.

La Palma sorgte vor 4 Jahren für einiges an Aufregung, als es am Cumbre Vieja zu einem Vulkanausbruch kam, der mehrere Monate anhielt und große Schäden an der Infrastruktur anrichtete. Damals wurden innerhalb von 90 Tagen fast 3000 Gebäude zerstört. Praktisch eine ganze Siedlung wurde dem Erdboden gleichgemacht. Kein Wunder also, dass man daran interessiert ist, Eruptionen besser vorhersagen zu können, um auch Neubauprojekte besser planen zu können, was bekanntermaßen sehr schwierig ist.

Ein Forscherteam unter Leitung von Andrea Magli fand heraus, dass sich während der letzten 4.000 Jahre Eruptions- und Ruhephasen auf La Palma abwechselten, so dass sich Eruptionszyklen herausbildeten. In einer frühen Eruptionsphase ereigneten sich innerhalb von 1700 Jahren nur 3 Eruptionen, gefolgt von einem Jahrtausend der Ruhe. Die aktuelle Periode ist hingegen deutlich aktiver: In den letzten 1100 Jahren kam es statistisch betrachtet etwa alle 100 Jahre zu einem Ausbruch – zuletzt 2021 beim Cumbre Vieja, bei dessen Ausbruch der Schlackenkegel Tajogaite entstanden war. Zu beachten gilt allerdings, dass solche Betrachtungen stark glätten, denn tatsächlich ereigneten sich in den letzten 100 Jahren 3 Eruptionen auf La Palma.

Die Erkenntnisse stammen aus einer paläomagnetischen Untersuchung, bei der die Ausrichtung magnetischer Mineralien in Lavagestein analysiert wurde. Diese richten sich beim Abkühlen der Lava nach dem Erdmagnetfeld aus und speichern so Informationen über den Zeitpunkt des Ausbruchs. Da sich das Magnetfeld der Erde im Laufe des Holozäns in seiner Polarität bereits 5 Mal verändert hat, lassen sich die Proben bestimmten Zeiträumen zuordnen – vorausgesetzt, man vergleicht sie mit weiteren Methoden wie Kohlenstoff-14-Datierung oder der Stratigraphie.

Die Forscher analysierten 300 Gesteinsproben von acht dokumentierten Ausbrüchen auf La Palma. Dabei wurden die Proben mit höchster Präzision entnommen und später im Labor in Rom untersucht. Die Resultate lieferten nicht nur Datierungen, sondern auch neue geologische Erkenntnisse: So könnte etwa ein Drittel des Südens der Insel in einem besonders intensiven Eruptionszyklus innerhalb von 2–3 Jahrhunderten entstanden sein.

Langfristig soll das Projekt auf den gesamten Kanarischen Archipel ausgeweitet werden. Proben wurden bereits auf Teneriffa und El Hierro entnommen, weitere Untersuchungen auf Gran Canaria, Fuerteventura und Lanzarote sind geplant. Ziel ist es, Aktivitätsmuster der letzten 10.000 Jahre zu identifizieren und dadurch das Vulkanrisiko auf den Inseln besser einzuschätzen.

Meiner Meinung nach bringen diese Erkenntnisse allerdings wenig in Bezug auf die Vorhersage von Eruptionen, sondern bestätigen nur, dass man sich aktuell in einem Eruptionszyklus befindet. Der nächste Ausbruch könnte in ein paar Jahrzehnten erfolgen oder aber auch erst in Jahrhunderten. Ebensogut könnte der aktuelle Eruptionszyklus jederzeit enden.

Was mich persönlich interessieren würde, wäre, was solche Eruptionszyklen erzeugt. letztendlich gibt es diese auch in anderen Vulkanregionen, etwa auf der isländischen Reykjanes-Halbinsel.

Übrigens, auf La Palma erwägt man den Bau von gleich 3 Seilbahnen. Eine soll über den Tajogaite hinwegführen. Offenbar plant man nicht besonders langfristig auf La Palma. (Quellen: Studie bei Science Direct, Presseberichte)

Campi Flegrei: Studie belegt Dauer früherer Aufheizungsphasen

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Unruhen in den Campi Flegrei halten an – Studie enthüllt Besorgniserregendes

Die süditalienische Caldera Campi Flegrei liefert seit Jahren Stoff für zahlreiche Studien und Artikel, da es so aussieht, als würde sich der Vulkan auf einen neuen Ausbruch vorbereiten. Die Symptome sind eigentlich eindeutig, werden allerdings kontrovers diskutiert und unter dem Begriff Bradyseismos zusammengefasst und oft verharmlost. Wohl aus Angst davor, dass man die dichtbesiedelte Region als unbewohnbar deklarieren muss. Auch gestern gab es wieder ein Schwarmbeben und die Vulkanologen bestätigten eine Bodenhebung mit einer Geschwindigkeit von 20 mm pro Monat. Zudem werden große Mengen magmatischer Gase freigesetzt.

Die aktuelle Phase erhöhter Unruhen begann bereits vor 20 Jahren und beschleunigte sich in mehreren Stufen. Bereits im letzten Jahrhundert gab es mehrere Bodenhebungsphasen, die aber nicht länger als 3 Jahre anhielten. Den Bodenhebungen folgten Absenkungen, ohne allerdings das Höhenniveau wie vor den Hebungsphasen zu erreichen.

Forscher aus aller Welt arbeiten daran, die Prozesse im Untergrund zu entschlüsseln, und versuchen, Vorhersagemodelle zu entwickeln, ob und wann es zu einem neuen Vulkanausbruch in den Campi Flegrei kommen könnte. Der letzte Ausbruch manifestierte sich im Jahr 1538, als der Schlackenkegel Monte Nuovo entstand. Hierbei handelte es sich um einen als normal groß einzustufenden Vulkanausbruch, der vermutlich einen VEI 2 hatte. Deutlich größer waren da die beiden Eruptionen von vor 15.000 Jahren (VEI 7) und 39.000 Jahren (VEI 7–8), die enorme Auswirkungen auf die Umwelt hatten. Bei dem älteren Ausbruch wurden etwa 300 Kubikkilometer Tephra freigesetzt. Während in dem Ballungsraum bei Neapel bereits ein normalgroßer Ausbruch besorgniserregend wäre, fürchtet man doch vor allem eine dieser superstarken Eruptionen mit hohem Explosivitätsindex, die europaweite Auswirkungen hätte und den Großraum Neapel komplett zerstören würde. Doch wie wahrscheinlich ist es, dass es in den nächsten Jahrzehnten zu so einem Ausbruch kommen könnte?

Forscher der Universität Göttingen veröffentlichten nun eine Studie, die sich vor allem mit der Eruption von vor 39.000 Jahren beschäftigte. Sie fragten sich, wie lange die Aufheizungsphase des Vulkans dauerte, und lieferten ein beunruhigendes Ergebnis. Sie untersuchten Gesteinsproben des Kampanischen Ignimbrit. Hierbei handelt es sich um ein Vulkangestein, das während der Eruption meterhoch abgelagert wurde. Die Forscher setzten hochpräzise Elektronen-Mikrosonden ein und untersuchten die chemischen Wachstumsringe magmatischer Kristalle, die im unterirdischen Magmaspeicher kurz vor der Eruption entstanden. Diese Ringe wirken wie geologische Zeitzeugen der Prozesse im Erdinneren.

Finale Aufheizungsphase der Supervulkaneruption vor 39.000 Jahren dauerte nur ca. 60 Jahre

Im Fokus der Analyse stand die Verteilung des Spurenelements Barium entlang der Ränder von Sanidin-Kristallen. Die Daten deuten darauf hin, dass ein Zustrom frischen Magmas aus der Tiefe unmittelbar vor der Eruption erfolgte. Modellierungen dieser chemischen Profile legen nahe, dass dieser letzte Magmen-Nachschub das bereits vorhandene, ältere Magma innerhalb von nur etwa 60 Jahren zur Explosion brachte.

Entscheidend für die Dauer dieses Zeitraums ist jedoch die Temperatur des aufsteigenden Magmas. Die Studienergebnisse zeigen, dass bei Temperaturen von etwa 970 Grad Celsius der Zeitraum von der Magmazufuhr bis zur Eruption sogar auf wenige Monate bis maximal vier Jahre schrumpfen kann. Liegt die Temperatur hingegen niedriger, zum Beispiel bei 850 Grad, kann sich die Vorwarnzeit auf bis zu mehrere Jahrhunderte ausdehnen.

Angesichts der seit Jahren zunehmenden Bodenhebung und damit einhergehenden Erdbebenaktivität der seit 20 Jahren dauernden Unruhephase unter den Phlegräischen Feldern werfen diese Erkenntnisse ein neues Licht auf die Vorgänge im Untergrund. Die Ergebnisse liefern zwar keine Hinweise auf eine unmittelbar bevorstehende Eruption, zeigen aber, dass es nicht unbedingt Jahrhunderte dauern muss, bis es zu einer neuen extrem starken Eruption kommen könnte.

Meine Interpretation

Geht man von einer 60-jährigen Aufheizungsphase aus und impliziert, dass man sich aktuell in einer befindet, wäre bereits 1/3 dieser Zeit verstrichen und es würden noch 40 Jahre verbleiben, um die Menschen des Großraums Neapel umzusiedeln und Europa katastrophenfest zu machen. Freilich weiß man nicht (oder will es nicht wissen), ob es sich bei der aktuellen Unruhephase bereits um die finale Aufheizungsphase des Calderavulkans Campi Flegrei handelt.
(Quellen: Pressemeldung Uni Göttingen; Springer-Nature-Link)

Campi Flegrei: Studie untersucht tieferen Untergrund

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Der Monte Nuovo (rechts) ist die jüngste vulkanische Manifestation in den Campi Flegrei. Links im Bild lassen sich Unterwasserruinen erahnen. © Marc Szeglat

Forscher durchleuchten Untergrund der Campi Flegrei bis in 20 Kilometer Tiefe und entdecken magmatische Strukturen

Die Campi Flegrei beschäftigen uns seit Jahren und stehen wegen einer ungewöhnlich langen Phase des Bradyseismos genannten Phänomens oft in den Schlagzeilen. Es kommt zu einer starken Bodenhebung, die einhergeht mit intensiver Erdbebentätigkeit und dem massiven Ausstoß magmatischer Gase. Bisherige Untersuchungen des Untergrunds reichten meistens nur wenige Kilometer in die Tiefe hinab, nun lieferte ein neuer Forschungsansatz ein deutlich weitreichenderes Bild, das bisherige Vermutungen und Modelle zu bestätigen scheint.




Ein internationales Forschungsteam hat mithilfe einer neuartigen 3D-Magnetotellurik-Tomographie erstmals das magmatische System unter der Campi-Flegrei-Caldera bei Neapel untersucht und ist mit seinen Bildgebungsverfahren bis in eine Tiefe von 20 Kilometern vorgedrungen – deutlich tiefer als es bisher möglich war. Die in der Fachzeitschrift Nature Communications Earth & Environment veröffentlichte Studie wurde vom italienischen Institut für Geophysik und Vulkanologie (INGV) in Zusammenarbeit mit der Universität Oxford, dem Trinity College Dublin und der Universität München durchgeführt. Erstautor der Studie ist Roberto Isaia.

Die Campi Flegrei gelten als eines der gefährlichsten Vulkansysteme Europas. Ein genaues Verständnis ihrer inneren Struktur ist daher entscheidend für die Beurteilung vulkanischer Risiken. Die neue Untersuchung liefert ein detailliertes Bild des gesamten Caldera-Komplexes, einschließlich seines untermeerischen Teils, und erlaubt erstmals Einblicke in tiefere magmatische Prozesse.

Zur Erfassung der inneren Strukturen kam die Magnetotellurik zum Einsatz – eine geophysikalische Methode, die natürliche Schwankungen elektrischer und magnetischer Felder misst. Diese erlaubt Rückschlüsse auf den elektrischen Widerstand des Untergrunds, ein Parameter, der stark vom Vorhandensein magmatischer oder hydrothermaler Fluide beeinflusst wird.

Die Analyse der gewonnenen Daten ermöglichte es dem Team, Zonen mit teilweise geschmolzenem Gestein sowie mögliche Förderkanäle für Magma und Fluide zu identifizieren. Solche Strukturen spielen eine zentrale Rolle im Verständnis vulkanischer Aktivität und ihrer potenziellen Gefährdung.

Es wurden u.a. unterirdische Strukturen identifiziert, die vermutlich eine entscheidende Rolle bei der Migration von Magma und Fluiden während früherer Unruhezustände gespielt haben und bei künftigen vulkanischen Aktivitäten erneut von Bedeutung sein könnten. Natürlich spielen diese Strukturen auch bei der aktuellen Unruhephase eine Rolle.

Modell des Krustenaufbaus der Campi Flegrei. © nature.com / Roberto Isaia

Das geophysikalische Modell beschreibt ein dreistufiges Krustensystem:

  • In Tiefen von über 8 km liegt eine abgegrenzte Zone mit einem kristallinen Brei, in dem teilweise geschmolzenes Magma gespeichert ist.
  • Zwischen 3 und 8 km Tiefe befinden sich kristallisierte Magmalinsen sowie kanalartige Strukturen, durch die Fluide und Magma entlang geologischer Bruchzonen aufsteigen könnten. Die Magmalinsen sind allerdings so klein, dass sie unter der Auflösungsschwelle der angewandten Methoden liegen.
  • In weniger als 3 km Tiefe findet sich eine Zone mit verändertem Caldera-Füllmaterial, das mit hydrothermalen Fluiden, Salzlösungen und alten magmatischen Intrusionen interagiert.
  • Zur Überfläche hin ist die Caldera mit einer tonartigen Deckschicht versiegelt

Diese Struktur deutet auf ein transkrustales Leitungssystem hin, in dem tiefliegende Magmazonen über vertikale Kanäle mit dem flachen hydrothermalen System verbunden sind. Da erstmals die Struktur des Magmenkörpers zwischen 8 und 20 Kilometer Tiefe erfasst wurde, lässt sich dessen Volumen nun besser abschätzen. Unklar scheint aber noch zu sein, wie tief er hinab reicht.

Die Ergebnisse sind entscheidend für das Verständnis vulkanischer Prozesse und verbessern die Interpretation laufender Überwachungsdaten. Das Modell liefert wertvolle Anhaltspunkte für die Optimierung von Messnetzwerken und kann helfen, frühe Anzeichen möglicher Eruptionsprozesse – etwa durch Bodenhebung, Entgasung oder seismische Aktivität – besser zu deuten. Damit trägt die Studie zur Verbesserung der Risikoeinschätzung und der Überwachung des Campi-Flegrei-Systems bei.

Die Studie war auch technisch anspruchsvoll, da die Campi-Flegrei-Region stark besiedelt ist und elektromagnetischen Störungen durch menschliche Aktivitäten ausgesetzt ist. Durch speziell entwickelte Messprotokolle konnte dennoch eine hohe Datenqualität gewährleistet werden.

Angesichts der aktuellen Unruhen in der Region liefern die Forschungsergebnisse wichtige Grundlagen für die Vulkanüberwachung und das Risikomanagement. Sie tragen dazu bei, präzisere Vorhersagemodelle zu entwickeln und die Sicherheit der Bevölkerung in einem potenziell gefährdeten Gebiet zu erhöhen. (Quellen: nature.com: https://doi.org/10.1038/s43247-025-02185-5; Pressemeldung INGV)

Aktuelle Entwicklungen in den Campi Flegrei

Übrigens bewegte sich die Seismizität der Campi Flegrei in den letzten Tagen auf normalem Niveau. Das stärkste Beben hatte eine Magnitude von 2,0. Im neusten Wochenbulletin der INGV heißt es, dass die Bodenhebung von 30 mm pro Monat auf 20 mm pro Monat zurückgegangen sei. Damit liegt man aber immer noch auf überdurchschnittlichem Niveau.