Wie von Menschenhand gemacht: Wenn Basaltlava erstarrt, bilden sich manchmal Ansammlungen sechseckiger Säulen, wie beim Giant’s Causeway in Nordirland oder einigen Vulkangebieten Deutschlands. Unter welchen Bedingungen diese verblüffend geometrischen Formen entstehen, haben nun Forscher in einem Experiment aufgeklärt. Demnach begintn der Prozess bei einer bestimmten Temperatur – und das erst deutlich nach Erstarren der Lava.
Basaltsäulen gehören zu den faszinierendsten geologischen Phänomenen der Erde. An vielen Orten bilden diese sechseckigen Steingebilde ganze Formationen aus verblüffend regelmäßig angeordneten, nahezu gleichgroßen Säulen. Diese Ordnung erstaunte schon früher Menschen so sehr, dass sie diese Säulen für das Werk von Riesen oder anderen Fabelwesen hielten – beispielsweise beim Giant’s Causeway in Nordirland.
Temperaturfenster ungeklärt
Doch selbst heute geben diese beeindruckenden Säulenformationen den Geologen Rätsel auf. „Ihre regelmäßige Geometrie ist eine Herausforderung für unser Verständnis der Musterbildung bei der thermischen Kontraktion“, erklären Yan Lavallée von der University of Liverpool und seine Kollegen. Das Problem: Weil die meisten Basaltsäulen schon Jahrmillionen alt sind, können ihre Entstehungsbedingungen nicht direkt beobachtet werden.
Es war daher bisher strittig, wie heiß die Lava ist, wenn sie sich zu dieser typisch sechseckigen Säulenform zusammenzieht. Bisher gab es zudem keine Experimente, die diesen Prozess adäquat nachvollziehen konnten. „Ich habe mehr als ein Jahrzehnt darüber gegrübelt, wie man das richtige Experiment konstruieren könnte, um diese Frage zu beantworten“, sagt Lavallée.
Island-Lava in der Presse
Jetzt jedoch ist es den Forschern endlich gelungen. Für ihr Experiment nutzten sie Proben erstarrter Lava des isländischen Vulkans Eyjafjallajökull -auch er hat Basaltsäulen gebildet. „Diese Lava zeigt quasi-hexagonale Rissmuster und formt Säulen von 30 bis 130 Zentimeter Durchmesser“, berichten die Wissenschaftler.
Im Labor gaben die Forscher Bohrkerne von 17 Zentimeter Länge und 1,6 Zentimetern Durchmesser in eine mit Sensoren ausgestattete Presse. In dieser wurde der Lavazylinder bis auf über 980 Grad aufgeheizt – dem Schmelzpunkt dieser Basalte. Die nun zähflüssige Lava wurde an den Kopfseiten der Presse eingespannt, um die Bedingungen im Gestein zu simulieren. Nun kühlten die Wissenschaftler die Lavaproben unterschiedlich schnell auf verschieden Temperaturen ab.
Heiß, aber schon erstarrt
Es zeigte sich: Wenn die Basaltlava ab rund 980 Grad erstarrt, geschieht zunächst wenig. Sie zieht sich zusammen, ohne dass Risse entstehen. Doch bei einer Temperatur von 840 bis 890 Grad hat sich im Gestein so viel Spannung aufgestaut, dass seine Struktur versagt. „Dies resultiert in der Bildung von durchgehenden Rissen und einem Abfall der Spannung“, berichten Lavallée und seine Kollegen. Mit weiterer Abkühlung weiten sich die Risse auf und die Säulen und ihre Zwischenräume entstehen.
„Damit demonstrieren wir, dass die Trennung der Säulen im bereits erstarrten Zustand der Lava beginnt“, konstatieren die Forscher. Das Temperaturfenster für die Säulenbildung liegt demnach zwischen 840 und 890 Grad – und es ist unabhängig vom Anfangsdruck, dem Abkühlungstempo und den Details der Basaltzusammensetzung. „Das zeigt die Kraft und Bedeutung der thermischen Kontraktion auf die Entwicklung sich abkühlender Gesteine und ihre Rissbildung“, sagt Lavallée.
Hilfreich auch für Vulkanforscher
Die neuen Erkenntnisse erlauben es nun, die Entstehung des Giant’s Causeway und anderer Basaltsäulen-Formationen nachzuvollziehen. Geologen können sich nun ein genaueres Bild darüber machen, wie heiß die Lava dort war und wann sie wie stark abkühlte.
Gleichzeitig hilft da neue Wissen aber auch dabei, überraschende Phänomene bei der Erforschung aktiver Vulkane zu verstehen. „Die Ergebnisse erklären den rätselhaften Verlust von Kühlflüssigkeit, den isländische Ingenieure bei Bohrungen in mehr als 800 Grad heißem Vulkangestein erlebten“, berichtet Lavallée. „Unser Experiment spricht dafür, dass in diesem Gestein bereits ausgedehnte Kühlungsrisse präsent waren, durch die die Bohrflüssigkeit versickerte.“ (Nature Communications, 2018; doi: 10.1038/s41467-018-03842-4)
(University of Liverpool, 13.04.2018 – NPO)
