Supereruptionen werden durch Auftriebskraft ausgelöst
Wie Supervulkane aktiv werden, war bis anhin nicht gekl?rt. Wissenschaftler haben nun gezeigt, dass alleine der durch Dichteunterschiede zwischen Magma und dem umgebenden Gestein erzeugte Druck ausreichen kann, um derartige Giganten zum Ausbruch zu bringen.
Supervulkane sind keine Vulkane wie man sie kennt. Indem sie nicht ?ausbrechen?, sondern richtiggehend explodieren, hinterlassen sie anstatt eines Vulkankegels ein riesiges Loch in der Erdkruste, eine Caldera, deren Durchmesser bis zu hundert Kilometer betragen kann. Im Schnitt sind Supervulkane seltener als alle 100'000 Jahre aktiv; in historischer Zeit war keiner aktiv. Daher k?nnen sich Forscher nur anhand der überlieferten Asche- und Gesteinsschichten ein vages Bild von diesen Ereignissen machen.
Ein Forscherteam unter Leitung der ETH-Professorin Carmen Sanchez-Valle hat nun einen Ausl?ser für Supereruptionen identifiziert. Es bestimmte experimentell die Dichte des Magmas von Supervulkanen. So konnte es nachweisen, dass der durch Dichteunterschiede in der Magmakammer verursachte ?berdruck eine Supereruption ausl?sen kann. Die Magmakammer ist die mit Magma gefüllte Kammer in der Erdkruste unterhalb des Vulkans. Die neuen Erkenntnisse k?nnten helfen, ?schlafende? Supervulkane besser einzusch?tzen, etwa wie schnell ihr Magma die Erdkruste durchdringen und an die Oberfl?che gelangen kann.
Zu grosse Magmakammer
Bekannte Supervulkane sind die Yellowstone-Caldera in den USA, der Toba-See in Indonesien und der Taupo-See in Neuseeland. Aber auch die im Vergleich eher kleinen Phlegr?ischen Felder bei Neapel z?hlen zu den rund 20 bisher bekannten Supervulkanen der Erde.
Dass der Ausbruch von Supervulkanen – wie es auch bei konventionellen Vulkanen der Fall ist – nicht alleine durch ?berdruck aufgrund nachfliessenden Magmas in die Magmakammer ausgel?st wird, war schon seit Langem klar. Die Magmakammer eines Supervulkans kann mehrere Kilometer dick und bis zu hundert Kilometer breit sein. Sie ist deshalb viel zu gross, um durch Magma-Nachschub ausreichend ?berdruck zu erhalten.
?Vergleichbar mit einem Fussball unter Wasser?
?ber den Trigger einer Supereruption konnte bis anhin nur spekuliert werden. Einen m?glichen Mechanismus sah man darin, dass der ?berdruck in der Magmakammer durch Dichteunterschiede zwischen dem weniger dichten geschmolzenen Magma und dem vergleichsweise dichteren festen Gestein in der Umgebung erzeugt wird. ?Der Effekt ist vergleichbar mit dem Auftrieb eines mit Luft gefüllten Fussball unter Wasser, der durch das schwerere umgebende Wasser nach oben gedrückt wird?, sagt Wim Malfait, Erstautor der Studie, bis vor kurzem noch an der ETH Zürich und nun Forscher an der Empa.
Damit das Magma das Krustengestein über der Magmakammer durchschlagen und sich einen Weg an die Oberfl?che bahnen kann, braucht es einen Druck, der 100 bis 400 Mal h?her ist als der Luftdruck (10 bis 40 Megapascal). Um zu ermitteln, ob die Dichteunterschiede einen derart hohen Druck erzeugen k?nnen, müssen die Dichte der Magmaschmelze und des umgebenden Gesteins bekannt sein. Die der Magmaschmelze konnte bis anhin jedoch nicht direkt gemessen werden.
Erstmals Dichte des Magmas bestimmt
Den Forschern um Malfait gelang nun erstmals die Dichtebestimmung des Magmas von Supervulkanen mit Hilfe von R?ntgenstrahlen der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble. Mit ihnen untersuchten sie künstlich hergestellte Magmaschmelzen bei unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen. Sowohl Schmelze als auch Druck und Temperatur entsprachen laut den Wissenschaftlern den natürlichen Gegebenheiten eines Supervulkans. Zudem variierten die Forscher den Wassergehalt der Schmelze. ?ber die verschiedenen Parameter formulierten sie mathematische Gleichungen, mit denen es ihnen gelang, die Gegebenheiten in einem Supervulkan zu modellieren.
?Unsere Ergebnisse zeigen, dass bei einer ausreichenden Gr?sse der Magmakammer alleine der durch Dichteunterschiede verursachte ?berdruck genügt, um die darüber liegende Kruste zu durchbrechen und eine Eruption in Gang zu setzen?, sagt Sanchez-Valle. Mechanismen, die herk?mmliche Vulkanausbrüche begünstigten, wie etwa S?ttigung des Magmas mit Wasserdampf oder tektonische Spannungen, k?nnten zwar auch ihren Beitrag leisten, seien aber nicht erforderlich, um eine Supereruption in Gang zu setzen, betonen die Forscher in einer Studie, die in der Fachzeitschrift ?Nature Geoscience? publiziert wurde. In derselben Ausgabe der Zeitschrift erschien eine weitere, unabh?ngige Studie, in der Forscher der Universit?t Genf und weiterer Institutionen aus Computermodellrechnungen schliessen, dass der Auftrieb des Magmas tats?chlich der Schlüssel zum Ausbruch von Supervulkanen ist.
Supervulkane gelten als eine ernsthafte wenn auch seltene Bedrohung. Da sie durch ihr untypisches Aussehen nicht leicht zu erkennen sind, werden auch heute noch neue entdeckt. Supervulkan-Eruptionen f?rdern in der Regel mindestens 450, nicht selten sogar mehrere 1000 Kubikkilometer Gesteinsmaterial und Asche an die Oberfl?che und in die Atmosph?re. Asche und Gesteinsfragmente mit ihren umweltsch?digenden chemischen Bestandteilen k?nnen bei den explosionsartigen Ausbrüchen bis über 30 Kilometer hoch in die Atmosph?re steigen und verheerende Auswirkungen für Klima und Leben auf der Erde haben. Die spektakul?ren und folgenschweren Ausbrüche des Krakatau (1883) und Tambora (1815), beides konventionelle Vulkane im heutigen Indonesien, sind vergleichsweise ?harmlos? und ihre Auswurfsmassen betragen nur wenige Prozent einer Supereruption.
Literaturhinweis
Malfait WJ, Seifert R, Petitgirard S, Perrillat JP, Mezouar M, Ota T, Nakamura E, Lerch P, Sanchez-Valle C: Supervolcano eruptions driven by melt buoyancy in large silicic magma chambers. Nature Geoscience, Onlinepublikation 5. Januar 2014, doi: externe Seite 10.1038/ngeo2042
Caricchi L, Annen C, Blundy J, Simpson G, Pinel V: Frequency and magnitude of volcanic eruptions controlled by magma injection and buoyancy. Nature Geoscience, Onlinepublikation 5. Januar 2014, doi: doi: externe Seite 10.1038/ngeo2041