Supervulkane: Dichteunterschiede lösen Eruptionen aus

Eines der großen Rätsel der irdischen Supervulkane ist jetzt gelöst: Forscher haben herausgefunden, was ihre gewaltigen Eruptionen verursacht. Demnach reichen schon Dichteunterschiede im Magma der unterirdischen Kammer aus, um dem geschmolzenen Gestein so starken Auftrieb und Druck zu verleihen, dass es durch die darüber liegende Kruste bricht. Diese jetzt in „Nature Geoscience“ veröffentlichte Erkenntnis trägt dazu bei, schlafende Supervulkane und ihre Gefahr künftig besser einschätzen zu können.

Supervulkane bilden keine Feuerberge und brechen auch nicht einfach aus. Stattdessen explodieren sie und reißen dabei ein gewaltiges Loch in die Erdkruste – eine Caldera, deren Durchmesser bis zu hundert Kilometer betragen kann. Diese Eruptionen fördern in der Regel mindestens 450, nicht selten sogar mehrere 1.000 Kubikkilometer Gesteinsmaterial und Asche an die Oberfläche und in die Atmosphäre. Asche und Gesteinsfragmente können bei den explosionsartigen Ausbrüchen bis über 30 Kilometer hoch in die Atmosphäre steigen und verheerende Auswirkungen für Klima und Leben auf der Erde haben.

Auslöser unklar

Eine solche Katastrophe ist allerdings selten: Sie tritt im Schnitt nur alle 100.000 Jahre auf, in historischer Zeit war keiner der bekannten Supervulkane der Erde aktiv. Daher können sich Forscher nur anhand der überlieferten Asche- und Gesteinsschichten ein vages Bild von diesen Ereignissen machen. 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 Phlegräischen Felder bei Neapel zählen zu den rund 20 bisher bekannten Supervulkanen der Erde.

Dichtemessung mittels Röntgenstrahl © ESRF/Nigel Hawtin

Dass der Ausbruch von Supervulkanen – wie es auch bei konventionellen Vulkanen der Fall ist – nicht alleine durch Überdruck aufgrund nachfließenden Magmas in die Magmakammer ausgelöst 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 allein durch Magma-Nachschub ausreichend Überdruck zu erhalten. Damit das Magma das Krustengestein über der Magmakammer durchschlagen und sich einen Weg an die Oberfläche bahnen kann, braucht es einen Druck, der 100 bis 400 Mal höher ist als der Luftdruck. Über den Trigger einer Supereruption konnte bisher aber nur spekuliert werden.

Auftrieb durch Dichteunterschiede

Einen möglichen Mechanismus sah man darin, dass der Überdruck 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 Erstautor Wim Malfait von der ETH Zürich.

Dichteunterschiede zwischen Magma und dem umgebenden Gestein können einen Überdruck erzeugen, sodass in der Erdkruste Risse entstehen und sich das Magma seinen Weg an die Oberfläche bahnt. © Nigel Hawtin / ESRF

Um zu ermitteln, ob die Dichteunterschiede tatsächlich einen derart hohen Druck erzeugen können, haben er und seine Kollegen erstmals die Dichte des Magmas von Supervulkanen mit Hilfe von Röntgenstrahlen der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble untersucht. Sie analysierten künstlich hergestellte Magmaschmelzen bei unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen. Sowohl Schmelze als auch Druck und Temperatur entsprachen dabei den natürlichen Gegebenheiten eines Supervulkans. Zudem variierten die Forscher den Wassergehalt der Schmelze. Über die verschiedenen Parameter formulierten sie mathematische Gleichungen, mit denen es ihnen gelang, die Gegebenheiten in einem Supervulkan zu modellieren.

„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“, sagt Carmen Sanchez-Valle von der ETH. Mechanismen, die herkömmliche Vulkanausbrüche begünstigten, wie etwa Sättigung des Magmas mit Wasserdampf oder tektonische Spannungen, könnten zwar auch ihren Beitrag leisten, seien aber nicht erforderlich, um eine Supereruption in Gang zu setzen, betonen die Forscher. Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, schlafende Supervulkane besser einzuschätzen, etwa wie schnell ihr Magma die Erdkruste durchdringen und an die Oberfläche gelangen kann. (Nature Geoscience, 2014; doi: 10.1038/ngeo2042)

(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), 06.01.2014 – NPO)