Magmakammer

Yellowstone Caldera: neue Forschungsergebnisse zur Magmakammer

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

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

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

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

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

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

Weiterführende Links:

Steckbrief Yellowstone

Bildergalerie Yellowstone

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

Magma-Aufstieg und die „Autobahn der Hölle“

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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.

Neues Modell für Magmenaufstieg am Stromboli

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Der Inselvulkan Stromboli  liegt nördlich von Sizilien und ist seit mehr als 2000 Jahren daueraktiv. Von einigen Pausen abgesehen, speit er normalerweise mehrmals stündlich Lava. Die Tephra erreicht bei diesen strombolianischen Eruptionen normalerweise  eine Höhe zwischen 80 und 250 Metern. Generell funktionieren explosive Vulkanausbrüche nach dem gleichen Schema: in der Magmakammer ist das Magma an Gasen übersättigt. Durch eine Änderung der Druck / Temperaturverhältnisse einerseits und Änderungen im Chemismus / Rheologie andererseits, wird das Gas freigesetzt. Das Magma steigt im Förderschlot auf und es bilden sich große Gasblasen. Diese steigen immer schneller auf und fragmentieren das Magma. An der Oberfläche explodieren die Gasblasen und schleudern Asche und Lavafetzen aus dem Förderschlot. In Bezug auf den Stromboli stellt sich nun die Frage, wie dieser Mechanismus seit Jahrtausenden funktioniert, besonders, da es einen großen Unterschied zwischen der ausgestoßenen Gasmenge und der tatsächlich geförderten Lavamenge gibt.

Messungen ergaben, dass der Vulkan täglich ca. 200 Tonnen Schwefeldioxid ausstößt. Das Magma des Strombolis enthält ca. 0,28% Schwefel. So müssen täglich 50.000 Tonnen Magma entgasen. Tatsächlich gefördert wird aber nur ein Bruchteil dieser Menge.

Nun liefern Wissenschaftler der Universität Bristol einen neuen Erklärungsversuch über den Verbleib der Schmelze und wie die strombolianischen Ausbrüche funktionieren könnten. Neben einer tief sitzenden Magmakammer postulierte Francis Beckett ein oberflächennahes Magmareservoir. Dort sammelt sich das Magma und steigt zur Oberfläche auf, wo es entgast und ein Teil davon als Lava bei den Eruptionen austritt. Die Restschmelze bildet weitere Kristalle und wird dichter und zähflüssiger. Daher sinkt sie wieder bis in das Reservoir ab.

Experimente mit Sirup haben gezeigt, dass zwei Materieströme verschiedener Viskosität, in einer vertikalen Förderleitung, in unterschiedliche Richtungen fließen können. Trotz des neuen Modells bleiben einige Fragen offen, etwa die, warum sich das Magma in den gleichzeitig auf- und absteigenden Strömen nicht vermischt.

Das sogenannte Magmamingling hat oft katastrophale Folgen. So wird angenommen, dass eine plötzliche Intrusion frischen Magmas in die Magmakammer des Krakataus die gewaltigen Explosionen auslöste, die im Jahr 1883 zum Untergang der Insel führten. Allerdings handelte es sich dabei um zwei sehr unterschiedliche Magmen. Der chemische Unterschied zwischen dem weitgehend entgasten Magma (Lava) das im Förderschlot des Strombolis wieder hinab sinkt, und dem aufsteigenden Magma ist weitaus geringer. Vielleicht verdankt der Stromboli seine langlebige Eruptivität aber auch genau diesem Umstand.

Island: von Schwarmbeben und Magmakammern

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Im Bereich der Askja, die im zentralen Hochland von Island liegt, kam es wieder zu Schwarmbeben.

Eine weitere Meldung aus Island beschäftigt sich mit einer Expedition unter der Leitung von Dr Freysteinn Sigmundsson. Der Vulkanologe der Universität von Island führte ein Team aus Wissenschaftlern und Medienvertretern in das Innere des ruhenden Vulkans Thrihnukagigur. Das Team seilte sich 200 m tief durch das Fördersystem des Vulkans ab und erreichte eine Höhle. Nun wird diskutiert, ob es sich hierbei um eine Erweiterung einer Tube handelt, oder um eine Magmakammer. Sigmundsson spricht von einer Magmakammer und wäre somit der erste Mensch, der seinen Fuß in eine Magmakammer setzte. Ich kenne solche Hohlräume vom Ol Doinyo Lengai. Sie bildeten sich unter Hornitos und waren zeitweise mit Lava gefüllt. Es waren somit ehr Magmareservoire und keine Magmakammern, in denen das Magma differenzierte. Wie auch immer,  die Expedition lieferte vielleicht keine neuen Erkenntnisse, aber faszinierende Fotos.

By the way, Jules Verne lässt grüßen! In seinem Roman „Reise zum Mittelpunkt der Erde“ fanden die Protagonisten den Eingang zur Unterwelt im isländischen Vulkan Snaefellsjökull. Heraus kamen sie am Stromboli.