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.

Höhenmodelle von Ätna und Eyjafjallajökull

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Die DLR veröffentlichte jüngst neue 3D Modelle der Erdoberfläche, die mit Hilfe zeitsynchroner Aufnahmen der beiden Satelliten TerraSAR X und TanDEM-X gerendert wurden. Die beiden Satelliten flogen in 500 Kilometern Höhe und waren dabei nur 350 Metern von einander entfernt. Sie lösten ihre Radargeräte und Kameras auf die Mikrosekunde genau synchron aus. Es wurde ein Raster von 12 Metern Dichte abgetastet. Damit gelang es Geländehöhe auf 2 Meter genau zu bestimmen. Die Modelle, die mich dabei am Meisten faszinieren, stammt vom Vulkan Ätna auf Sizilien und vom Eyjafjallajökull auf Island.

Bild 1 zeigt eine Seitenansicht des Vulkans Ätna. Der Betrachter schaut vom Nordosten auf den Vulkan und kann so ins Valle del Bove blicken. Gut sichtbar ist der Kegel des zentralen Kraterkomplexes; am Gipfel links im Bild der SE-Kraterkegel und rechts der NE-Kraterkegel.  Das Valle del Bove entstand, als der größte Teil des Urätnas kollabierte. Ein Großteil der damaligen Vulkanflanke scherte ab und rutschte bis ins Mittelmeer. Anschließend verlagerte sich das Eruptionszentrum nach Nordwesten.

Das zweite Bild ist eine Komposition aus einem Bild aus aktuellen Höhenmessungen und einem Radarbild das vor 10 Jahren gemacht wurde. Farbig hervorgehoben sind die Lavaströme der Eruptionsphasen von 2001 und 2002/2003. Die Lavaströme die im Jahr 2007  ins Valle del Bove flossen sind im Vordergrund sichtbar. Die Höhenmessungen sind nun so exakt, dass die wenigen Meter Höhenunterschied der Lavaströme sichtbar gemacht werden können.

Ein weiteres, faszinierendes Bild zeigt den Vulkan Eyjafjallajökull. Die Radarstrahlen erfassten die Morphologie der Caldera und Krater, die normalerweise unter dem Gletschereis liegen. Der Ausbruch des Eyjafjallajökull im Frühjahr 2010 hatte Teile des Gletschers schmelzen lassen. Vertiefungen zeigen sich auch im Eis des benachbarten Gletschers Myrdalsjökull. Unter ihm schlummert die mächtige Katla, auf deren nächsten Ausbruch die Fachwelt mit Spannung wartet.

Beinahe Eruption in Saudi Arabien

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Bereits im Mai und Juni 2009 wurde die Region um das alte Lavafeld von Harrat Lunayyir von mehr als 30.000 Erdstößen erschüttert. Nun hat ein amerikanisches Forscherteam um John Pallister vom USGS eine Arbeit veröffentlicht, die die Ursache hinter diesen Schwarmbeben aufdeckt.

Schon damals wurde vulkanische Aktivität im Untergrund, als Ursache der Erdbebentätigkeit in Saudi Arabien vermutet. Man rechnete jederzeit mit einem Vulkanausbruch in der Gegend von Harrat Lunayyir. Hier hatte es zuletzt im Jahr 1256 eine effusive Eruption gegeben, die das weit verzweigte Lavafeld mit zahlreichen Schlackenkegeln schuf.
Am 19. Mai 2009 kam es neben den Schwarmbeben zu einer starken Erschütterung mit einer Magnitude von 5,4. Das Beben war stark genug um den Erdboden aufreißen zu lassen. Nach Schwefel riechende Dämpfe entströmten dem Riss, der den Wüstenboden auf einer Länge von 8 Kilometern spaltet. 40.000 Menschen einer nahe gelegenen Siedlung wurden evakuiert, doch der befürchtete Vulkanausbruch blieb aus. Nach wenigen Tagen klangen die Schwarmbeben ab und die Situation entspannte sich.
John Pallister untersuchte nun die Ursachen dieses beinahe Vulkanausbruches und fand heraus, dass Magma bis 2 Kilometer unterhalb der Erdoberfläche aufgestiegen war und dort stecken blieb. Allerdings sammelte sich das Magma nicht in einer Magmakammer, sondern presste sich als eine große Platte aus Gesteinsschmelze durch die Erdkruste und bildete in einem 50 bis 80 Kilometer großen Gebiet einen Gang. Der Gang hob die ganze Gegend um Harrat Lunayyir um 40 cm an und im Zentralbereich der Intrusion brach das Gestein ein und schuf den Riss.
Dass in dieser Gegend überhaupt Magma vom Erdmantel aus aufsteigt, liegt an den Ausläufern des Ostafrikanischen Grabenbruches (Riftvalley), die sich im 200 Kilometer entfernten Roten Meer verzweigen. Entlang dieser kontinentalen Nahtstelle spaltet sich ein Teil Ostafrikas mit der Arabischen Halbinsel vom Rest des afrikanischen Kontinents ab.
Erstmalig konnten die Wissenschaftler die Intrusion eines magmatischen Ganges mit ihren Messinstrumenten beobachten. Sie waren darüber erstaunt in welcher Entfernung von der Plattengrenze der Gang eindrang. Die Wissenschaftler sind nun der Meinung, dass selbst das Gefährdungspotential von Metropolen wie Nairobi neu eingestuft werden muss. Nairobi liegt ca. 30 Kilometer vom Rand des Riftvalleys entfernt.
Auch für Harrat Lunayyir sei die Gefahr eines erneuten Vulkanausbruches nicht gebannt; magmatische Gänge können auch nach langer Zeit reaktiviert werden. Ein Vulkanausbruch in der Wüste scheint nach wie vor im Bereich des Möglichen.

Neues Modell des Yellowstone Mantelplume

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Yellowstone Mantelplume
Yellowstone Mantelplume

Forscher der Universität von Kalifornien entwickelten mit Hilfe der seismischen Tomografie ein neues Computermodell des Mantelplume unter dem Yellowstone Vulkan. Das Forscherteam um Mathias Obrebski wertete dafür die Signale von unzähligen Seismometern aus, die in den letzten Jahren im Westen der USA installiert wurden. Bei der seismischen Tomografie wird der Umstand zunutze gemacht, dass sich Erdbebenwellen in verschiedenen Medien unterschiedlich schnell ausbreiten. Lokale Unterschiede im Gestein der Erdkruste verursachen so eine Differenz zwischen tatsächlicher und erwarteter Laufzeit von Erdbebenwellen. Da heiße Gesteine eine geringere Dichte haben, als kälteres Gestein ändert sich auch hier die Laufzeit der Erdbebenwellen. Im heißen Gestein verringert sich die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Erdbebenwellen und es entsteht eine sogenannte „low-velocity-zone“. Umgekehrt nimmt die Geschwindigkeit der Erdbebenwellen in kälterem Gestein zu und es entsteht eine „high-velocity-zone“.
Mit diesen Laufzeitunterschieden und einem dichten Netzwerk von Seismometern wurden nun zahlreiche Erdbebenwellen aus unterschiedlichen Richtungen detektiert werden und Obrebski berechnete ein dreidimensionales Bild des Mantelplumes unter dem Yellowstone. Darüber hinaus wurde auch eine Interaktion zwischen der Subduktionszone vor der Westküste der USA und dem Mantelplume feststellen. Dieser durchstieß die in den Erdmantel abtauchende Juan de Fuca Platte und fragmentierte diese. Einige der Plattenfragmente wurden durch den aufsteigenden Mantelplume abgelenkt. Das Model zeigt sogar eine große Lücke in der subduzierten Platte unter Oregon.
Die Interaktion zwischen Mantelplume und subduzierte Platte könnte einige besondere geophysikalische Effekte der Cascaden-Subduktionszone erklären, die den Wissenschaftlern bisher Rätsel aufgaben. Zudem erklärt sie die verdrehte Struktur des Mantelplumes, die ein wenig an den Windungen eines Korkenziehers erinnert.
Eine weitere –und bisher von den Wissenschaftlern nicht diskutierte Möglichkeit- wäre die chemische Interaktion zwischen der basaltischen Schmelze eines Mantelplumes und Magma das durch partielles Schmelzen subduzierter ozeanischer Kruste entsteht. Letztere ist reich an Wasser und Kieselsäure und wird von Vulkanen explosiv gefördert, während die basaltische Schmelze eines Mantelplumes überwiegend geringexplosiv gefördert wird. Die hochexplosiven Phasen des Yellowstone-Vulkans förderten große Mengen ryholithische Lava, die im Verhältnis 1:10 aus einem basaltischen Magma hervorgehen kann, indem dieses über lange Zeiträume in der Magmakammer umgewandelt wird. Eventuell wurde dieser Prozess durch die Interaktion der subduzierten Platte mit dem Mantelplume verstärkt.
Eine weiter Hypothese ist, das besagte Interaktion zum Ausbruch der Columbia River Basalte führte.

Magma-Ansammlung im Laacher See Gebiet über Jahrtausende

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Ein Team aus deutschen und amerikanischen Geowissenschaftlern untersuchte die Kristallisationsgeschichte der Lavagesteine im Laacher-See-Gebiet und kam zu der Schlussfolgerung, dass sich das Magma über Jahrtausende in der Magmakammer ansammelte, bevor es zum Ausbruch vor knapp 13.000 Jahren kam.

In einem Artikel, der in den Wissenschaftszeitschriften Journal of Petrology und American Mineralogist erschien, schreiben die Forscher um Gerhard Wörner von der Universität Göttingen, dass man bisher wenig darüber wusste in welchen Zeiträumen sich das Magma akkumuliert. Bisherige Arbeiten konzentrierten sich auf die Rekonstruktion des eigentlichen Vulkanausbruchs, der in der Vulkaneifel eine mehrere Meter mächtige Bimsschicht ablagerte. Um die Geschichte des Magmenaufstieges zu rekonstruieren untersuchten die Geowissenschaftler die Minerale Zirkon und Pyrochlor, die sich als mikroskopische Einschlüsse in der Lava des Vulkanausbruches befinden. Sie weisen eine hohe Konzentration radioaktiver Isotope von Uran und Thorium auf. Über die radioaktive Zerfallsrate der Isotope lässt sich das Alter der Minerale bestimmen. Die Forscher untersuchten nun Mineralien in der Lava, die aus dem Randbereich der Magmakammer stammten und bereits vor dem Vulkanausbruch in der Magmakammer kristallisierten. Die Geowissenschaftler kamen zu dem Ergebnis, dass sich bereits vor 30.000 Jahren erste magmatische Schmelzen im Untergrund ansammelten und dort kristallisierten. Die meisten untersuchten Lavaproben zeigten, dass sich vor 17.000 Jahre besonders viele Minerale bildeten und sich die Magmakammer bereits 4.000 Jahre vor dem letzten Ausbruch stark vergrößerte.

Die Geowissenschaftler vermuten daher, dass das Magmasystem unter dem Laacher-See-Vulkan sehr langlebig und immer noch aktiv ist.

Als äußerst langlebig erweisen sich auch die Magmasysteme anderer Caldera-Vulkane, wie z.B. unter dem Yellowstone-Vulkan in den USA. Dort ereigneten sich sogenannte Supervulkan-Eruptionen in einem Zyklus von ca. 600.000 Jahren. Das besondere am Laacher-See-Vulkan ist der Umstand, das er Charakteristika eines Caldera-Vulkans und eines Maar-Vulkans aufweißt. Wie die Studien von Professor Volker Lorenz zeigten, kann der finale Magmaaufstieg an monogenetischen Maaren sehr schnell gehen und nur Tage, oder Stunden dauern.

Eifelvulkane gefährlicher als befürchtet?

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Professor Volker Lorenz von der geologischen Fakultät der Uni Würzburg, berichtete jüngst in Mendig über seine Arbeit an Maarvulkanen. Jahrelange Studien an Maarvulkanen und Diatremen auf der Welt brachten ihn zur Überzeugung, das Maarvulkane nach langen Ruhephasen, plötzlich und ohne große Vorwarnzeichen ausbrechen können. Das Ergebnis seiner jahrelangen Studien im Ausland sei auch auf die Maare der Vulkaneifel übertragbar, so Lorenz.

Das Landesamt für Geologie und Bergbau Rheinland-Pfalz hat mitgeteilt, dass es in der Eifel vermehrt Schwarmbeben gibt und das der Kohlendioxid- und Schwefelwasserstoff-Gehalt in den Mofetten zugenommen hat. Professor Lorenz fordert daher eine gründlichere Überwachung der Vulkaneifel.

Professor Lorenz lieferte 1973 als erster Wissenschaftler eine Antwort auf die Frage nach der Entstehungsgeschichte der Maarvulkane der Eifel. Lange Zeit konnten sich die Wissenschaftler nicht erklären, warum es zeitgleich zur Entstehung von Schlackenkegeln und Maarvulkanen kam. Heute gehört es zum allgemeinen Wissensgut, dass Maare durch unterirdische Explosionen entstehen, die durch die Interaktion von Grundwasser mit Magma zustande kommen. Fehlt eine nennenswerte Grundwassermenge bilden sich anstelle von Maarvulkanen Schlackenkegel-Vulkane.

Maarvulkane sind im Vergleich zu anderen Vulkanformen sehr selten. Bei den Intraplattenvulkanen stellen sie –nach den Schlackenkegeln- allerdings die zweit häufigste Vulkanart dar. Neben den Maaren der Eifel erforschte Professor Lorenz vor allem die Maare der USA, genauer, in Oregon und Alaska. Im Jahr 1977 brachen in Alaska die zwei Ukinrek-Maare aus, die zwar nur wenige Tage aktiv waren, aber starke Explosionen erzeugten. In einer ersten Eruptionsphase entstand am 30. März das West-Maar. Eine Aschewolke stieg bis zu 6500 Metern hoch auf und vulkanische Bomben flogen 600 m weit. Einige Tage später verlagerte sich die Eruption und das Ost-Maar bildete sich. Hier erreichte die Aschewolke eine Höhe von 4500 m. Später berichteten Augenzeugen von einer rot glühenden Lavafontäne. Die Eruption endete am 12. April 1977 mit der Bildung eines Lavadoms im östlichen Maar. Der Sprengtrichter füllte sich mit Wasser und ein klassischer Maarsee entstand. Der Verlauf der Eruption verdeutlicht die Differenzierung des Magmas. Zunächst wurde ein Olivin reiches Basaltmagma gefördert, während sich Dome normalerweise aus saueren Magmen bilden. Viele Maare sind, wie die Schlackenkegel auch, monogenetisch und brechen an einer Stelle nur einmal aus. Die beiden Maare in Alaska bildeten sich zwar über einer Störungszone, auf der es weitere Vulkane gibt, doch genau an dieser Stelle gab es zuvor noch keinen Vulkanausbruch. Das nächste Vulkanfeld liegt 3 km entfernt.

In Bezug zur Eifel, liegt daher die Vermutung nahe, dass es zwar in der Nähe zu den alten Maaren und Schlackenkegel wieder zu Eruptionen kommen könnte, das aber nicht unbedingt wieder die alten Maare aktiv werden müssen. Dieser Umstand erschwert natürlich eine gezielte Beobachtung der Vulkane, da es eigentlich im gesamten Gebiet der Vulkanfelder der Eifel zu Ausbrüchen kommen könnte. Wichtig wäre also eine Beobachtung sämtlicher Störungszonen, an denen Magma aufsteigen kann.