Vulkane sind Öffnungen in der Erdkruste aus denen Lava und vulkanische Gase aus dem Erdinneren entweichen. Das entweichen der Lava wird als Vulkanausbruch, oder Eruption bezeichnet. In bewohnten Gegenden kann ein Vulkanausbruch katastrophale Wirkungen haben und Menschen gefährden.
Ein Vulkan wächst
Die Austrittsstellen von Lava und Gas werden als Schlot, Krater, Spalte, Bocce oder Fumarole bezeichnet. Aus Letzteren entweichen nur Gase. Um die Austrittsstelle in der Erdkruste lagert sich die entweichende Lava ab und lässt so einen Vulkan wachsen. Fein fragmentierte Lava wird Vulkanasche genannt. Sie kann hoch in die Atmosphäre aufsteigen und mit dem Wind verfrachtet werden. Die austretenden Gase vermischen sich mit der Atmosphäre. Aus den Gasen können auch Mineralien wie Schwefel kristallisieren, welche sich um die Austrittsöffnung ablagern.
Lava ist eine weitgehend entgaste Gesteinsschmelze und erstarrt während der Abkühlung zu festem Gestein. Dieses Gestein wird als Vulkanit bezeichnet und baut das eigentliche Vulkangebäude auf. Es gibt unterschiedliche Lava-Arten aus denen verschiedene Vulkanite entstehen.
Vulkane dienen dem System Erde als Überdruckventile und stabilisieren damit die feste Erdkruste. Zudem fördern sie wichtige Stoffe aus dem Erdinneren an die Oberfläche.
Ihre Gase und Aerosole helfen das Klima zu regulieren und schwitzen neben Kohlendioxid viel Wasserdampf aus. Die Lava ist reich an Mineralstoffen, welche den Boden in Vulkannähe besonders fruchtbar machen.
Ein Vulkan kann unterschiedliche Formen annehmen, welche stark von der Art der Lava abhängt, aus denen der Vulkan besteht. Der Typ des Vulkanausbruchs hängt maßgeblich vom Magma ab.
Einem internationalen Team von Wissenschaftlern der Universitäten von Liverpool, Monash und Newcastle ist es gelungen einen weiteren Auslöser von Vulkanausbrüchen zu entschlüsseln. Die Wissenschaftler sagen, dass das Verständnis von Auslösemechanismen der Eruptionen enorm dazu beiträgt Vulkanausbrüche vorherzusagen. Eine präzise Vorhersage hilft den Schaden zu minimieren, der durch Vulkanausbrüche entstehen kann: weltweit leben mehr als 600 Millionen Menschen im Umfeld aktiver Vulkane. Alleine durch die Eyjafjallajökull-Eruption im Jahr 2010 entstand durch Flugausfälle ein wirtschaftlicher Schaden von 1,8 Milliarden USD.
Da die wenigsten Prozesse die im Erdinneren ablaufen direkt beobachtet oder gemessen werden können, entwickeln die Forscher immer neue Modelle und Computersimulationen. Die Wissenschaftler der drei genannten Universitäten schufen ein Vulkanmodel in dem sie speziell das Verhalten von Magma im Fördersystem untersuchen wollten. Dazu füllten sie Gelatine in einem Tank und injizierten gefärbtes Wasser in die Masse. Mittels Zeitlupenkamera und Laser beobachteten sie das Bewegungsverhalten des Wassers (Magmas) in miteinander verbundenen Frakturen, die zuvor in der Gelatine modelliert wurden. Die vertikal verlaufenden Risse heißen in der Fachsprache Dykes, die Horizontalen werden Sills genannt. Letztere bilden eine flach liegende Fläche im Gestein, die man mit einem Kohleflötz vergleichen kann. Die Sills füllen sich mit Magma, wenn der vertikale Aufstieg des Magmas in den Dykes ins Stocken kommt. Neu ist die Beobachtung, dass es im Magma in den Dykes zu einem plötzlichen Druckabfall kommt, wenn es seitwärts in die Sills abfließt. Dadurch wird der altbekannte Prozess in Gang gesetzt, der schon seit langem als Auslöser explosiver Eruptionen bekannt ist: Druckentlastung. Durch den hydrostatischen Druckabfall bilden sich schlagartig Gasblasen im Magma. Unter hohem Druck war das Gas bislang im Magma gelöst. Die aufsteigenden Gasblasen lassen das Magma aufschäumen und der Gasdruck treibt es durch den Förderschlot. Der Vulkan bricht aus. Diesen Vorgang kann man einfach nachvollziehen, wenn man eine gut geschüttelte Sektflasche öffnet. Der Korken knallt raus und das Kohlendioxidgas treibt den aufgeschäumten Sekt (Lava) aus dem Flaschenhals (Vulkanschlot).
Doch was nützen diese Erkenntnisse aus dem Labor bei der Vorhersage von Vulkanausbrüchen? Schließlich kann man die Prozesse im Erdinneren nicht visuell beobachten. Doch die Wissenschaft entwickelt immer genauere Messverfahren um den Vulkanen den Puls zu fühlen. In erster Linie geben die verschiedenen Arten von Erdbebenwellen Auskunft über das Geschehen im Erdinneren. Vulkanische Erdbeben zeigen an das Gesteine bersten und Risse entstehen. Tremor (beständiges Zittern des Bodens) wird durch die Bewegung von Fluide (Flüssigkeiten, Gas, Magma) ausgelöst. Mittels GPS Messungen von Satelliten lassen sich kleinste Bodendeformationen beobachten. Aufwölbungen im Boden zeigen, wo sich Magma sammelt und wie es sich bewegt. Wichtig sind auch Gasmessungen. Ändern sich der Gasfluss und das Verhältnis bestimmter Isotope, dann kann Magma auf dem Weg sein.
Das Alles macht aber auch deutlich, wie schwierig eine verlässliche Prognose eines bevorstehenden Vulkanausbruches ist. Jahrzehntelanges Studium ist nötig, um die Anzeichen richtig zu deuten, zumal Vulkane Individualisten sind. Die neuen Erkenntnisse lösen das Puzzlespiel der Dynamik eines Vulkanausbruches ein wenig besser auf und helfen den Wissenschaftlern das System Erde besser zu verstehen. Dennoch ist es oft schwierig die komplexen Abläufe der Erddynamik mit einfachen Modellen zu simulieren. Eine 1:1 Übertragung der neuen Erkentnisse auf bevorstehende Vulkanausbrüche dürfte schwierig sein und nicht immer gelingen.
Quelle: Das Wissenschaftsteam veröffentlichte die Ergebnisse ihrer Arbeit in der Online-Zeitschrift geology.com.
Forscher der Columbia-Universität in New York haben neue Erkenntnisse in Bezug auf den Magma-Aufstieg veröffentlicht. Unter der Leitung von Philipp Ruprecht fanden die Wissenschaftler heraus, dass Magma wesentlich schneller aufsteigen kann, als im Allgemeinen angenommen. Meistens sammelt sich das Magma in einer Magmakammer, die sich mehrere Kilometer tief unter dem Vulkan befindet. In dieser Magmakammer reift das Ursprungsmagma und ändert in Abhängigkeit von Druck und Temperatur seinen Chemismus. Steigt der Gasdruck im Inneren der Magmakammer kommt es zum Vulkanausbruch. Bisher ging man davon aus, dass das Magma Jahre braucht, bis es aus dem oberen Erdmantel bis in die Magmakammer migriert ist. Die Forscher der Columbia-Universität entdeckten nun, dass der Magma-Aufstieg über direkte Kanäle sehr viel schneller geschehen kann.
Sie untersuchten Lavaproben des Vulkans Irazu in Costa Rica, die zwischen 1963 und 1965 vom Vulkan gefördert wurden. Die Lavaproben enthalten Olivin-Kristalle in denen Spuren von elementaren Nickel vorkommen. Das Metall stammt aus dem Erdmantel und ist ein Indiz dafür, dass das Magma schnell aufgestiegen sein muss. Wäre es langsam aufgestiegen, dann wäre das Nickel direkt in die Kristallstruktur verschiedener Minerale eingebaut worden. Geochemiker Terry Plank erklärt: „Es muss dort einen Kanal vom Erdmantel bis zur Magma-Kammer geben. Wir nennen das gerne die Autobahn der Hölle.“
Nickel wurde ebenfalls in Lavaproben von Vulkanen der Cascaden-Range (USA), Kamtschatka und Mexiko entdeckt.
Diese Forschungsergebnisse decken sich mit den Erkenntnissen von Prof. Dr. Dingwell (TU München), der zusammen mit anderen Kollegen Lava des Chaiten in Chile untersuchte. Der Vulkan in Chile ist 2008 ohne größere Vorwarnung ausgebrochen. In diesen Lavaproben untersuchten die Forscher die Kristallisationsränder von Olivin-Kristallen und kamen zu dem erstaunlichen Ergebnis, dass das Magma in wenigen Stunden aufgestiegen sein musste.
Vulkane können auf sehr unterschiedliche Arten ausbrechen: mal fließt die Lava ruhig aus dem Förderschlot und bildet relativ harmlose Lavaströme, mal eruptiert Lava in gewaltigen Explosionen die sogar das globale Klima ändern können. Zwischen den Extremen sind vielfältige Mischformen möglich. Die Ursachen für das unterschiedliche Verhalten der Vulkane liegen im Magma begründet. So wird die Lava genannt, wenn sie sich noch im Inneren der Erde befindet und viel Gas enthält. Wichtige Kriterien für die Art des Vulkanausbruches sind die chemische Zusammensetzung des Magmas, Druck, Temperatur, Viskosität, Kristallisation und die Rheologie der Gasblasen. Letztem Kriterium kommt eine ganz besondere Bedeutung zu, dass fand jüngst eine internationale Forschergruppe unter Leitung von Don Baker heraus. Die Forscher untersuchten Lavaproben vom Ätna und Stromboli am Schweizerischen Paul-Scherer-Institut.
Winzige Lavastücke wurden mittels eines neuentwickelten Lasers erhitzt und mit Hilfe eines TOMCAT – Computertomografen in Realzeit beobachtet. Im Blickpunkt standen dabei die Blasenbildung und die Veränderungen des Mikrogefüges der Lavaprobe unter Hitzeeinwirkung.
Zwei Laser erhitzten die Lavaprobe auf über 1000 Grad bis die Probe geschmolzen war. Die Basaltprobe enthielt 3 Prozent Wasser, welches bei der Erhitzung verdampfte und Gasblasen bildete die unter Druck standen. Während des Schmelzvorganges nahm das Volumen der Lavaprobe stark zu. So wuchs eine reiskorngroße Probe auf die Größe einer Cherry-Tomate. Die Forscher variierten nun die Geschwindigkeit der Aufheizung und beobachteten, dass die Probe explodierte, wenn man sie zu schnell erhitzte. Es entstanden große Gasblasen, bevor das Material geschmolzen war. Da der Gasdruck nicht langsam abgebaut werden konnte, das Gestein aber an Widerstandskraft (bzw. Bruchfestigkeit) verlor, kam es zum Bersten des Materials. Wurde die Probe hingegen langsam erhitzt, bildeten sich Gasblasen die ruhig aus der Schmelze entwichen.
Laut Baker sind die ersten 10 Sekunden der Blasenbildung entscheiden, ob die Gasblasen die Gesteinsprobe zerbersten, oder ob eine Schmelze entsteht, aus der das Gas langsam entweicht. Wenn in den ersten 10 Sekunden nichts passiert ist, dann passiert auch im Folgenden nichts dramatisches mehr. Die Forscher übertragen die Erkenntnisse ihrer Arbeit auf das Ausbruchsverhalten der Vulkane und kommen zu dem Schluss, dass es sich auch innerhalb der ersten Sekunden der Blasenbildung im Magma entscheidet, ob der Vulkan explosiv, oder effusiv ausbricht.
Bei der Übertragung solcher Forschungsergebnisse muss allerdings immer berücksichtigt werden, dass den Wissenschaftlern nur Lavaproben zur Verfügung stehen und kein Magma. Ein Umstand, der erst einmal wie Wortklauberei vorkommen mag, in der Tat aber eine der größten Schwächen der experimentellen Vulkanologie darstellt. Lava ist ja bereits weitgehend entgastes Magma. Der Lava fehlt der größte Teil volatiler (flüchtiger) Komponenten, daran ändert auch das Schmelzen der Lava nichts. Waren in der Lavaprobe 3 Prozent Wasser enthalten, so muss im Magma weitaus mehr Wasser enthalten gewesen sein. Das Problem ließe sich vielleicht verringern, wenn den Wissenschaftlern Probenmaterial aus dem Erdinneren zur Verfügung stände. Da man an unverändertes Magma kaum rankommt, wäre hier noch Ganggestein, oder Material aus Plutone am sinnvollsten.
Auf der Kanareninsel ist die Seismik relativ ruhig geworden, die Zeit der zahlreichen Schwarmbeben ist erst einmal vorbei und scheinbar dringt kein neues Magma in die untere Erdkruste mehr ein. Dafür gibt es jetzt vereinzelte Erdbeben in einer Tiefe kleiner als 15 km. Es wurden sogar Beben in 1 – 3 km Tiefe registriert. Diese Hypozentren befanden sich unweit des submarinen Vulkans „El Discreto“. Es bleibt spannend abzuwarten, ob das Magam seinen Weg zur Oberfläche findet, oder in großer Tiefe stagniert.
Die Fotos zu dieser Bildergalerie über den Vulkan Stromboli entstanden im Juni 2012
Stromboli ist eine der 7 Liparischen Inseln. Der Archipel liegt nördlich von Sizilien im Tyrrhenischen Meer. Die Vulkaninsel erhebt sich 924 Meter über den Meeresspiegel. Der Vulkan ist daueraktiv. Oft bricht er mehrmals in der Stunde aus und schleudert Lavafontänen über hundert Meter hoch in die Luft. Seit September 2011 war die Aktivität rückläufig und bewegte sich auf niedrigem Niveau, die Vulkanausbrüche waren recht schwach und erfolgten in größeren Abständen. Anfang Juni 2012 änderte sich dies, der Vulkan wurde munterer und gelegentlich war in den Berichten des vulkanischen Instituts zu lesen, dass es zu kleinen Erdrutschen auf der Sciara del Fuoco gekommen war; ein Indiz dafür, dass wieder mehr Magma im Fördersystem des Feuerberges unterwegs war. Die Häufigkeit und Stärke der strombolianischen Eruptionen begannen zuzunehmen. Für mich Grund genug dem kleinen Eiland mal wieder einen Kurzbesuch abzustatten und so buchte ich kurzentschlossen einen Flug nach Neapel. Am Tag vor meinen Abflug konnte man auf der ThermalCam des INGV einen kleinen Lavastrom beobachten, der sich aus dem westlichen Teil des Kraters herausschob und einige Zehner Meter weit seine Außenflanke hinab floss. Freitagabend saß ich dann auf der Fähre zur Insel wo ich am Samstagmorgen gegen 6 Uhr landete. Sofort machte ich mich an den Aufstieg über die alte Route im Nordosten der Insel, die ich immer noch für die schönste Route halte. Obwohl der Pfad offiziell nur noch bis in einer Höhe von 400 m bestiegen werden darf, befand sich auch der obere Teil in gut begehbaren Zustand. Ohne Sondergenehmigung rate ich aber von einem Alleingang ab.
Der Krater des Strombolis hat sich seit meinem letzten Besuch im Jahr 2008 deutlich verändert. Im Osten des Kraters entstand ein kleiner Kegel mit einem Förderschlot auf dessen Außenflanke. Von hier aus erfolgten ca. alle 20 Minuten Explosionen, die glühende Schlacken und Asche förderten. Das Material prasselte auf die Sciara del Fuoco. Größere Brocken kullerten ein gutes Stück den Steilhang hinunter und schafften fast die Hälfte der Strecke bis zum Meer. Besonders starke Eruptionen lösten Grainflows aus, die mit ihrem typisch zischelnden Geräusch mehrere Minuten lang unterwegs waren.
Den ganzen Tag harrte ich auf Beobachtungsposten aus und baute mit Poncho und Wanderstöckern ein Sonnensegel, denn Ende Juni brennt die Sonne Siziliens schon recht heftig. Während der Dämmerung zerriss plötzlich eine laute Detonation die Stille: eine heftige Explosion schleuderte Lavabomben gut 300 Meter hoch und riss einen gewaltigen Klotz von der Größe eines Smarts aus den Förderschlot. Rotglühend rollte der Kleinwagen über die Feuerrutsche und zerbrach in mehrere Teile. So eine Explosion hatte ich in meinen gut 30 Besteigungen dieses Vulkans noch nicht erlebt. Diese Ereignis verdeutlichte mir einmal mehr, wie unberechenbar Vulkane sind, selbst solch vermeintlich harmlose wie der Stromboli. Jederzeit kann es unvermittelt zu einer großen Explosion kommen, die Lavabomben bis auf die Cima und den Pizzo schmeißen und sogar darüber hinaus bis auf die Aufstiegsrouten und den untern Vulkanflanken. Am Stromboli gab es schon öfters tote, oder schwer verletzte Vulkanbeoachter. Von daher sollte man sich auf keine Experimente einlassen und niemals den Respekt vor dem Vulkan verlieren.
Kurz nach Mitternacht stieg ich dann über die Cima bis auf den Pizzo und schaute in den Krater hinab, der 180 Meter unterhalb des Gipfels liegt. Von hier aus konnte man sehr schön den westlichsten der Förderschlote sehen. Die durchschnittliche Auswurfhöhe der Eruptionen betrug ca. 70 Meter. Gelegentliche stärkere Ausbrüche schleuderten einzelne Lavabrocken bis über den Pizzo und erreichten gut 230 Meter Flughöhe.
Vom Pizzo aus konnte ich 5 glühende Förderschlote ausmachen, von denen der östlichste und der westlichste am aktivsten waren. Gelegentlich meldete sich ein dritter Schlot zu Wort, der eine Handvoll Lavabrocken diagonal über den Krater warf. Kurz vor meinem Abstieg um 6 Uhr morgens meldete sich dann überraschend ein Schlot zurück, den ich von früheren Jahren kannte, der diesmal bis zu diesem Zeitpunkt völlig ruhig geblieben war: ganz im Westen des Kraters lag er verborgen. Kein Glühen, oder Dampfen zeugte von seiner Existenz, bis er plötzlich mit einem tiefen Zischen eine Aschewolke ausstieß, die gut 150 Meter hoch aufstieg. Alles in Allem waren also 4 von 6 Schloten aktiv.
Den Hafen erreichte ich um 7 Uhr. Der Abstieg über den sehr gut ausgebauten Weg war recht angenehm. Nach einem kurzen Bad im Meer mit anschließendem Frühstück saß ich um 9 Uhr bereits im Tragflächenboot nach Neapel… ein fast perfekter Tag und schöner Wochenendausflug zum Stromboli!
In der Caldera von Santorin und am submarinen VulkanKolumbos 7 km vor Santorin, gab es in den letzten 48 Stunden 10 leichte Erdbeben. Diese könnten im Zusammenhang mit aufsteigendem Magma stehen, dass sich unter der Caldera Santorins sammelt. Das Magma soll den Calderaboden stellenweise um bis zu 9 cm angehoben haben. Die seit letztem Jahr intrudierte Magmamenge wird mit 0,14 Kubikkilometer angegeben, wobei die Inflation bereits seit 5 Jahren anhält und die Gesamtmenge deutlich größer sein dürft. Eine Animation verdeutlicht die Aufblähung von Santorin. Die Daten stammen von der Forschergruppe um Andrew Newman vom Georgia Institute of Technology.
Betrachtet man die Inflation und die in den letzten Wochen steigende Seismik, dann scheint ein Vulkanausbruch auf Santorin in den nächsten Monaten/Jahren durchaus eine Möglichkeit zu sein. Nach Einschätzung vieler Wissenschaftler wird dieser aber sehr wahrscheinlich eher mit den Ausbrüchen von 1939 und 1950 zu vergleichen sein. Ein Vulkanausbruch wie vor 3500 Jahren, der zum Untergang der Minoer führte scheint derzeit unwahrscheinlich.
Der ohnehin gigantische Mantelplume unter dem Yellowstone-Vulkan ist vermutlich deutlich größer als gedacht. Das zeigen neue Untersuchungen die Michael Zhadanov und sein Team von der Universität in Salt Lake City durchgeführt haben. Dazu wandten sie eine neue Untersuchungsmethode an die Magnetotellurik genannt wird. Hierbei werden, ähnlich wie bei seismischen Messungen, Laufzeitunterschiede von Wellen benutzt, die sich in unterschiedlich dichtem Material verschieden schnell bewegen. Nur anstatt von Erdbebenwellen, werden bei der Magnetotellurik ultraniedrigfrequente Elektromagnetische Wellen beobachtet, die in der Ionosphäre entstehen und bis in den Erdmantel eindringen.
Bisher wurde angenommen, dass sich der Mantelplume unter dem Yellowstone ca. 241 km in westnordwestlicher Richtung ausbreitet und dabei mit einem Winkel von ca. 60 Grad ins Erdinnere abtaucht. Die neuen Untersuchungen haben eine Ausdehnung von 643 km ergeben und einen seichteren Abtauchwinkel von ca. 40 Grad. Der Plume soll dabei die Form eines Tornados haben. Das sich verjüngende Ende konnte bis in einer Tiefe von ca. 660 km verfolgt werden. Möglicherweise reicht er noch tiefer in den Erdmantel hinab, aber die Elektromagnetischen Wellen können nur bis in diese Tiefe vorringen.
Ein weiteres Forschungsergebnis von Zhadanov ist die Beobachtung, dass sich um den eigentlichen Mantelplume Zonen befinden, die mit Schmelze und Salzwasser (bzw. Fluide) gefüllt sein sollen, während das Gestein im eigentlichen Mantelplume zwar heiß, aber nicht geschmolzen ist. Dass Wasser den Schmelzpunkt von Gestein herabsetzt und es dadurch zum partiellen Schmelzen kommen kann, ist in der Vulkanologie schon lange bekannt und experimentell nachgewiesen. Partielles Schmelzen wird als einer der Hauptgründe genannt, warum Magma auch in Zonen (Grenzbereich Erdkruste – Erdmantel) entstehen kann, in denen es aufgrund zu niedriger Temperaturen eigentlich nicht zur Entstehung von Schmelzen kommen sollte. Die Frage stellt sich, woher das Salzwasser kommt? Normaler Weise ist das ein Phänomen entlang von Subduktionszonen, an denen Ozeanische Kruste in den Erdmantel abtaucht und dabei wasserhaltige Sedimente mit in die Tiefe des Erdmantels schleppt. Wie bereits in einem meiner letzten Artikel über den Yellowstone-Mantelplume beschrieben, schneidet die Subduktionszone vor der Westküste der USA den Yellowstone-Mantelplume und interagiert mit diesem. Möglicherweise stammt das Salzwasser von dieser Quelle. Theoretisch kann es sich aber auch im Erdmantel gebildet haben und aus der Schmelze stammen. Wasser kann entweder direkt als H2O Molekül, oder als OH-Gruppe in den Kristallgittern der Mineralien eingebaut sein und durch Schmelzprozesse freigesetzt werden. Entgegen vieler älterer Lehrbücher geht man heute davon aus, dass die silikatische Gesteine des Erdmantels aufgrund der hohen Druckbedingungen im Erdmantel nicht geschmolzen sind, sondern sich plastisch wie Knetgummi verhalten und nur unter bestimmten Bedingungen schmelzen.
Einen Mantelplume kann man sich in etwa wie ein Schlauch vorstellen, aus dem Magma aus dem Erdmantel aufsteigt und bis in die Erdkruste eindringt. Am Ende des Mantelplumes sitzt eine Magmakammer auf, die den Yellowstone Vulkane mit Schmelze versorgt.
Am Ätna werden seit heute morgen Schwarmbeben aufgezeichnet. Bisher wurden 36 Beben registriert. Das Stärkste hatte eine Magnitude von 4.6. Das Epicenter der Beben liegt im Nordwesten des Vulkans. Schwarmbeben werden durch Fluidbewegungen im Untergrund ausgelöst und können Anzeichen aufsteigenden Magmas sein!
