Die überraschende musikalische Dynamik eines Lavasees auf dem Vulkan Kīlauea

Ein Lavasee in einem Krater von Kīlauea verbrachte zehn Jahre damit, zu schwappen und zu brodeln, bevor der Vulkan einen größeren Rülpser von sich gab.

Kīlauea brach 2018 dramatisch aus. Erdbeben, Aschewolken und Lavaströme störten das Leben auf Hawaiis Big Island und veränderten die Topographie des Vulkans. Aber Kīlauea brach vor seinem großen Ausbruch ein Jahrzehnt lang sanfter aus. Ein herausragendes Merkmal dieser sich langsam bewegenden Eruption: Ein hartnäckiger Lavasee, der sich im Krater Halema’uma’u auf dem Gipfel von Kīlauea gebildet hat.

Neue Forschungsergebnisse von Geowissenschaftlern der University of Oregon zeigen, wie die Dynamik dieses Lavasees zusammen mit der Verformung des Bodens um ihn herum die Signatur von wandernden Vulkangasen und sich ändernden Magmatemperaturen im flachen Rohrleitungssystem des Vulkans kodiert.

„Es ist ein neuer Einblick in die Dynamik eines wirklich beliebten Vulkans“, sagt Leif Karlstrom, Geowissenschaftler bei UO, der die Arbeit leitete. „Die Leute konnten am Rand des Lavasees stehen und die austretenden Lavaströme besuchen. Aber unter der Oberfläche war noch viel mehr los.“ Karlstrom und Josh Crozier, ein ehemaliger UO Ph.D. Student jetzt am USGS California Volcano Observatory, berichten ihre Ergebnisse am 1. Juni in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.

Der Lavasee von Kīlauea wurde von einer unterirdischen Magmakammer gespeist, die durch einen Durchgang mit der Oberfläche verbunden war. Da Lava ziemlich schnell abkühlt und sich verfestigt, erfordert die Aufrechterhaltung eines beständigen Lavasees ein bemerkenswertes Gleichgewicht: einen stetigen Zufluss neuer Lava aus der Tiefe, wobei genügend Lava zurückbleibt, um zu verhindern, dass sich zu viel Druck aufbaut.

Um mehr über die tiefere Dynamik des Vulkans zu erfahren, analysierten die Forscher Daten, die von 2008 bis 2018 vom Hawaiian Volcano Observatory gesammelt wurden. Eine Reihe von Sensoren, die rund um den Vulkan positioniert sind, zeichnen Vibrationen und andere Störungen auf. „Sobald etwas die Magmakammer oder den Lavasee physisch stört, schwappt es herum, und wir können das mit Seismometern messen“, sagt Josh Crozier, ein ehemaliger Doktorand in Karlstroms Labor. „Während dieser jahrzehntelangen Eruption haben wir Zehntausende solcher Ereignisse entdeckt. Wir kombinieren diese Daten mit einem physikalisch basierten Modell von Prozessen, die diese Signale erzeugen.“

So wie sich das Geräusch einer Gabel, die auf ein Trinkglas klopft, je nach Flüssigkeitsmenge im Glas oder das Geräusch einer Trommel je nach Form ändert, kodieren die seismischen Signale, die um den Kīlauea-Gipfel herum beobachtet werden, die Resonanz von Magma, das in und schwappt aus der seichten Magmakammer. Die Eigenschaften dieser Resonanz werden im Gegensatz zu einfacheren Musikinstrumenten sowohl von der Form als auch von den Eigenschaften des Magmas wie Temperatur und Gasgehalt bestimmt. Durch sorgfältige Untersuchung der Resonanzsignale während des gesamten Ausbruchs konnten die Forscher ableiten, was im Inneren des Vulkans geschah, ohne die gefährliche und extreme Umgebung direkt zu untersuchen.

„Wir können tatsächlich ohne direkte Messungen sehen, wie sich im Laufe der Zeit Gas ansammelt und wie sich die Temperatur ändert“, sagt Crozier.

Ein einfaches Modell für effusive Vulkanausbrüche wie bei Kīlauea besagt, dass Magma aus der Tiefe nach oben gedrückt wird und aus dem Vulkan spritzt, wie Zahnpasta, die aus einer Tube gepresst wird. Aber im Fall des Ausbruchs von Kīlauea im Jahr 2018 „sehen wir keine Anzeichen dafür, dass ein großer Magmaeinstrom vor dem Ausbruch stattgefunden hat“, sagt Crozier. Stattdessen unterstützt die neue Analyse die Idee, dass flache Prozesse im Zusammenhang mit der Entwässerung der Magmakammer des Gipfels in der östlichen Riftzone des Vulkans zur Formung des großen Ausbruchs beigetragen haben.

Es ist noch zu früh, diese Informationen zu verwenden, um das zukünftige Eruptionsverhalten vorherzusagen, betont Karlstrom. Aber letztendlich könnte es Wissenschaftlern helfen, die seismischen Signale des Vulkans fundierter zu interpretieren. „Das ist der nächste Schritt – die Identifizierung der Auswirkungen dieser Variationen, die wir auf die Dynamik und die menschlichen Gefahren des Vulkans gefunden haben.“