Tief im Inneren begraben: Hinweise auf vulkanische Aktivität könnten Eruptionsvorhersagen verbessern
Wenn man tiefer unter der Erdoberfläche gräbt, erhält man Hinweise auf die vulkanische Aktivität und kann besser vorhersagen, wann ein Ausbruch stattfinden könnte.
Vulkanausbrüche sind unvorhersehbar und stellen eine erhebliche Gefahr für die Anwohner und die Umgebung dar. Obwohl es einige Warnzeichen gibt, ist es immer noch schwierig zu wissen, wann ein Vulkan ausbrechen könnte.
Vorhersagen beruhen auf der Aktivität des Vulkans selbst und den oberen paar Kilometern der Kruste, die das geschmolzene Gestein enthält. Neue Forschungsergebnisse deuten jedoch darauf hin, dass ein tieferes Graben, etwa 20 km unter der Erdoberfläche, die Vorhersage vulkanischer Aktivitäten verbessern und dazu beitragen könnte, Leben zu retten.
Tief graben
Die Forschung zeigt, wie wichtig es ist, tief in der Erdkruste nach Hinweisen zu suchen, an dem Punkt, an dem Gestein zuerst zu Magma schmilzt, bevor es in Kammern aufsteigt, die näher an der Oberfläche liegen. Forscher des Imperial College London und der University of Bristol haben Daten von 60 der explosivsten Vulkanausbrüche aus neun Ländern ausgewertet: den Vereinigten Staaten, Neuseeland, Japan, Russland, Argentinien, Chile, Nicaragua, El Salvador und Indonesien.
"Wir haben uns Vulkane auf der ganzen Welt angesehen und tiefer gegraben als frühere Studien, die sich auf flache unterirdische Kammern konzentrierten, in denen Magma vor Eruptionen gelagert wird", erklärt Dr. Catherine Booth, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Department of Earth Science and Engineering am Imperial. "Wir haben uns darauf konzentriert, die Magmaquellen tief unter unseren Füßen zu verstehen, wo extreme Hitze feste Gesteine in einer Tiefe von 10 bis 20 Kilometern zu Magma schmilzt."
Indem sie reale Daten mit fortschrittlichen Computermodellen kombinierten, untersuchten die Forscher die Zusammensetzung, Struktur und Geschichte von Gesteinen tief unter der Erdkruste und Daten von aktiven Vulkanen, um zu verstehen, wie sich Magma tief unter der Erde aufbaut und verhält, bevor es durch die Erdkruste zu Vulkanen aufsteigt. Computersimulationen ahmten die Komplexität des Magmaflusses und der Magmaspeicherung tief im Erdinneren nach und boten neue Einblicke in die Ursachen von Vulkanausbrüchen.
"Im Gegensatz zu früheren Annahmen deutet unsere Studie darauf hin, dass der Auftrieb des Magmas und nicht das Verhältnis von festem und geschmolzenem Gestein die Eruptionen antreibt", sagt Booth. "Der Auftrieb des Magmas wird durch seine Temperatur und seine chemische Zusammensetzung im Vergleich zum umgebenden Gestein gesteuert. Wenn sich das Magma ansammelt, ändert sich seine Zusammensetzung, so dass es weniger dicht wird, wodurch es mehr Auftrieb erhält und aufsteigen kann. Sobald das Magma genug Auftrieb hat, um zu schweben, steigt es auf und erzeugt Risse im darüber liegenden festen Gestein – durch diese Risse fließt es dann sehr schnell und verursacht eine Eruption."
Das Verhalten des Magmas
Die Forscher untersuchten auch, wie sich das Magma verhält, wenn es einmal flachere unterirdische Kammern erreicht hat, kurz bevor es ausbricht. Dabei spielte es eine Rolle, wie lange das Magma gelagert wurde. Je länger es gelagert wurde, desto kleiner war die Eruption. Die Größe des Reservoirs ist auch der Schlüssel zur genauen Vorhersage des Ausmaßes einer Eruption: Anstatt explosive Eruptionen anzuheizen, zerstreuen große Reservoirs die Wärme und verlangsamen die Magmaproduktion.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Eruptionen selten isoliert sind und in Wirklichkeit Teil eines sich wiederholenden Zyklus sind. In den untersuchten Vulkanen war das Magma außerdem reich an Siliziumdioxid, einer natürlichen Verbindung, von der bekannt ist, dass sie eine Rolle bei der Bestimmung der Viskosität und Explosivität von Magma spielt; Magma mit hohem Siliziumdioxidgehalt ist tendenziell zähflüssiger und explosiver.
"Unsere Studie verbessert unser Verständnis der Prozesse, die hinter vulkanischer Aktivität stehen, und liefert Modelle, die Licht auf die Faktoren werfen, die Eruptionen kontrollieren. Damit ist unsere Studie ein entscheidender Schritt hin zu einer besseren Überwachung und Vorhersage dieser gewaltigen geologischen Ereignisse", sagt Professor Matt Jackson, Inhaber des Lehrstuhls für Geological Fluid Dynamics im Department of Earth Science and Engineering am Imperial College London.
Aber es gab einige Einschränkungen in der Studie, fügt Jackson hinzu: "Unser Modell konzentrierte sich darauf, wie Magma nach oben fließt, und die Quellreservoirs in unserem Modell enthielten nur geschmolzenes Gestein und Kristalle. Es gibt jedoch Hinweise darauf, dass auch andere Flüssigkeiten wie Wasser und Kohlendioxid in diesen Quellreservoiren vorkommen und dass Magma strudeln und seitwärts fließen kann."
Die Verfeinerung der Modelle, um dreidimensionale Strömungen und unterschiedliche Flüssigkeitszusammensetzungen einzubeziehen, wird den Forschern helfen, die für Vulkanausbrüche verantwortlichen Prozesse zu bestimmen und so die Vorhersagen zu verbessern, die Bevölkerung zu schützen und Umweltrisiken zu mindern.
Quelle:
Catherine A. Booth, Matthew D. Jackson, R. Stephen J. Sparks, and Alison C. Rust (2024), Source reservoir controls on the size, frequency, and composition of large-scale volcanic eruptions, Science Advances.