Magmakammern haben Schwammstruktur

Supervulkane sind in allen Belangen ¨C super. Die Eruption des Toba-Vulkans vor rund 74'000 Jahren im heutigen Indonesien war so gewaltig, dass sich das Klima weltweit abk¨¹hlte und m?glicherweise die Menschheit stark dezimierte. Beim ersten von drei Ausbr¨¹chen des Yellowstone-Supervulkans in den USA vor rund 2,1 Millionen Jahren entstand ein Krater von einer Ausdehnung von 50 mal 80 Kilometern. Rund 2800 Kubikkilometer Material wurden dabei ausgeworfen ¨C rund 10-20 Mal mehr als bei der Eruption des Tambora in Indonesien im Jahr 1815. Und nur schon diese Eruption, welche als die gr?sste in j¨¹ngerer Zeit gilt, hatte weltweit sp¨¹rbare Folgen.

Noch immer aber geben Supervulkane der Forschung R?tsel auf, da sie schwierig zu untersuchen sind. So ist sich die Wissenschaft einig, dass es in einigen Kilometern Tiefe in der Erdkruste eine Magmakammer geben muss, deren Material bei einem Ausbruch austritt. Welche Form und Konsistenz ein solches Reservoir, dar¨¹ber sind sich die Experten nicht einig.

Swimmingpool vs. erstarrter Block

So gehen die einen Geologen davon aus, dass unterhalb der Caldera, wie Krater von Supervulkanen auch genannt werden, eingebettet in der oberen Erdkruste, ein gigantisches Reservoir an fl¨¹ssiger Magma liegt. Der Erdmantel speist dieses Reservoir mit Material und W?rme, und ein solcher Supervulkan kann jederzeit explosiv ausbrechen.

Andere halten es f¨¹r plausibler, dass die Magmakammer komplett ausgek¨¹hlt und erstarrt ist und nur durch massiven W?rmezustrom aus dem Erdmantel verfl¨¹ssigt wird. Erst dann kann sich eine Eruption ereignen.

?Beides ist wohl nicht richtig?, sagt nun Olivier Bachmann, Professor f¨¹r Vulkanologie der ETH Z¨¹rich. Er und seine Gruppe zeigen in zwei Publikationen in der Fachzeitschrift ?Nature Geoscience? auf, dass die Wahrheit irgendwo zwischen diesen beiden Extremen liegen d¨¹rfte.

Wahrheit in der Mitte?

?Die Magmakammer eines Supervulkans entspricht nicht einer kochenden Suppe, die jederzeit und beim geringsten Anlass ¨¹berkochen kann?, erkl?rt Bachmann weiter. Auch d¨¹rfe man nicht von einem erkalteten und vollkommen erstarrten Magmak?rper ausgehen, da in k¨¹rzester Zeit ein enormer W?rmeeintrag n?tig w?re, um einen solchen zu reaktivieren. Beim Ausk¨¹hlen und Erstarren w¨¹rden ausserdem fl¨¹chtige Stoffe wie Wasser und CO₂ aus dem K?rper entweichen. Diese Stoffe sind jedoch f¨¹r eine Eruption n?tig, da sie den entsprechenden Druck in der Magmakammer aufbauen.

Wie die Untersuchungen von Bachmanns Doktoranden Dawid Szymanowski am Beispiel der Supervulkaneruption des Kneeling Nun Tuffs in New Mexico aufzeigen, ist die Magmakammer eines Supervulkans eine Mischung aus kristalliner, also fest gewordener Magma, und fl¨¹ssiger Gesteinsschmelze. Mehr als 40 bis 50 Prozent des Reservoirs liegt in kristalliner Form vor. Die Kammer d¨¹rfte nach Ansicht der ETH-Forscher schwammartig aufgebaut sein und eine Netzstruktur aus auskristallisiertem Gestein aufweisen, in deren Poren Schmelze sitzt ¨C Kristallbrei, wie Szymanowski sie nennt.

Seltene Minerale als Datenlogger

Dieser Brei d¨¹rfte sehr lange in der Magmakammer verweilen, ehe er an die Oberfl?che geschleudert wird. Dies schliesst Szymanowski aus der Analyse von Zirkon und Titanit, zwei Spurenminerale die in dem Magma vorkommen. Zirkon ist das kristalline Material der ?ltesten bekannten Gesteinsproben der Erde. Einige Kristalle, die in Australien gefunden wurden, sind circa 4,4 Milliarden Jahre alt.

Zirkon- und Titanitkristalle speichern einerseits den Zeitpunkt, an dem sie gebildet werden, andererseits die Temperatur, die w?hrend ihrer Entstehung herrschte, da der Einbau von chemischen Elementen in das Kristallgitter von dieser Temperatur abh?ngt. Nach der Kristallbildung ver?ndert sich die chemische Zusammensetzung dieser Minerale in einer Magmakammer kaum mehr, selbst wenn sich die Bedingungen in der Magmakammer markant ?ndern.

Indem die Forscher das Alter und die chemische Zusammensetzung von Zirkonen und Titaniten aus unterschiedlichen Gesteinen im Labor analysieren, erhalten sie Auskunft ¨¹ber den Temperaturverlauf einer Magmakammer ¨¹ber die Zeit. Bei einem Ausbruch gelangen diese beiden Mineralien an die Oberfl?che, wo sie in entsprechenden Gesteinsschichten gefunden werden k?nnen.

Aus diesen Untersuchungen schlossen die ETH-Vulkanologen, dass die Temperatur in der Magmakammer, welche die Kneeling Nun Tuff-Eruption speiste, ¨¹ber eine halbe Million Jahre zwischen 680 und 730 Grad gelegen haben muss. Die Mineralien zeigten den Forschern auf, dass der Supervulkan sehr lange gebraucht hat, bis er voll ?aufgeladen? war und ausbrechen konnte.

Computermodell st¨¹tzt Mineralanalysen

Die Mineralanalysen st¨¹tzen auch ein Computermodell, das Ozge Karakas, eine Post-Doktorandin in Bachmanns Gruppe, erstellt hat. Dieses Modell wurde im Juni ebenfalls in der Fachzeitschrift ?Nature Geoscience? ver?ffentlicht. Es beschreibt ein System einer Magmakammer in der oberen Erdkruste, die mit weiteren Kammern in der unteren Kruste in Verbindung steht.

Heisse, urspr¨¹ngliche Magma bildet sich im Erdmantel. Sie ist bei der Entstehung etwa 1200 Grad heiss und steigt ¨¹ber Risse und Kamine in die obere Erdkruste auf. Dort bildet sie ein Reservoir, welches ausk¨¹hlt, und teilweise kristallisiert, aber hunderttausende von Jahren als Kristallbrei ¨¹berdauern kann.

Mithilfe dieses Modells konnten die Wissenschaftler zeigen, dass es keine gigantischen Mengen an Material in kurzer Zeit aus dem Mantel braucht, um ein dauerhaftes Reservoir in der oberen Kruste zu bilden. ?Die Bedingungen in der oberen Kruste eignen sich nicht um in k¨¹rzester Zeit so viel Material aufzunehmen und zu lagern?, sagt Karakas. Allerdings brauche es eine Verbindung zu Magma in der unteren, um den W?rmetransport zu gew?hrleisten. Bisher h?tten Forscher die untere Kruste nicht in ihre ?berlegungen einbezogen, betont die Geologin. ?Aber ohne sie gibt es keine Supervulkane.?

Sehr seltene Ereignisse

Sowohl Modell als auch Mineralienanalyse weisen daher in die Richtung, dass Supervulkane ¨¹ber sehr lange Zeit entstehen, reifen und nur im Abstand von zehntausenden von Jahren ausbrechen k?nnen. ?Die Magma wird haupts?chlich als kristalline Schwammstruktur konserviert. Und sie muss auf jeden Fall durch W?rmezufuhr reaktiviert werden, ehe sie ausbrechen kann?, fasst Olivier Bachmann die Erkenntnisse zusammen.

Eine Voraussage, wann der n?chste Supervulkanausbruch bevorsteht, lassen die neuen Erkenntnisse nicht zu. Dazu ist das System noch zu wenig verstanden. Wie solch gigantische Magmareservoirs wachsen und reaktiviert werden, ist nun aber klarer geworden. Diese Erkenntnisse k?nnten k¨¹nftig dabei helfen, Anzeichen f¨¹r eine Reaktivierung eines solchen Vulkansystems besser einzusch?tzen.

So explosiv, wie Supervulkane aber gelegentlich dargestellt werden, sind sie wohl nicht. ?Die Eruption eines Supervulkans ist ¨C zum Gl¨¹ck f¨¹r uns ¨C in jedem Fall ein sehr seltenes Ereignis?, sagt Bachmann.