Auf der ganzen Welt brechen derzeit zwischen 40 und 50 Vulkane aus oder befinden sich in Unruhezuständen, und Hunderte Millionen Menschen sind von Gefahren bedroht, die von diesen potenziell aktiven Vulkanen ausgehen. Doch trotz der tiefgreifenden Gefahren, die Vulkanausbrüche für Menschenleben und Eigentum darstellen, kann die Menschheit sie immer noch nicht zuverlässig und genau vorhersagen, und selbst wenn Experten genaue Vorhersagen treffen, können sie den Menschen möglicherweise nicht genügend Zeit geben, um zu evakuieren und Notfallvorbereitungen zu treffen.
Genaue und zuverlässige Vorhersagen sind ein schwer fassbares Ziel geblieben, vor allem weil Vulkanologen die natürliche Dynamik und Prozesse des Magmas unter einem Vulkan nicht vollständig verstehen, bevor es seinen Weg an die Oberfläche findet. Jetzt könnten die Ergebnisse einer neuen Studie unter der Leitung des Vulkanologen Dan Rasmussen, einem Peter Buck Fellow am Smithsonian National Museum of Natural History, Experten der genauen Vorhersage von Vulkanausbrüchen einen Schritt näher bringen.
Die Studie, veröffentlicht heute, 10. März, in der Zeitschrift Wissenschaft, stellt fest, dass Magma mit höherem Wassergehalt beim weltweit häufigsten Vulkantyp tendenziell tiefer in der Erdkruste gespeichert wird. Der Befund identifiziert, was einige Wissenschaftler als den wichtigsten Faktor betrachten, der die Tiefe steuert, in der Magma gespeichert wird.
„Diese Studie verbindet die Tiefe, in der Magma gespeichert ist, mit Wasser, was signifikant ist, da Wasser Eruptionen weitgehend initiiert und antreibt“, sagte Rasmussen. Er erklärte, dass Wasser Eruptionen antreibt, ähnlich wie Kohlendioxid eine erschütterte Limonadenflasche zum Explodieren bringen kann.
„Bei Wasser, das in Magma gelöst ist, das unter einem Vulkan gespeichert ist, bilden sich bei einem plötzlichen Druckabfall, wie wenn der Deckel einer geschüttelten Sodaflasche plötzlich geöffnet wird, Gasblasen und diese bewirken, dass das Magma aufsteigt und den Vulkan ausstößt, ähnlich wenn eine Limonade aus einem Flaschenverschluss schießt“, sagte Rasmussen. „Mehr Wassergehalt im Magma bedeutet mehr Gasblasen und möglicherweise einen heftigeren Ausbruch.“
„Diese Ergebnisse bringen uns dem Verständnis der Physik und der Bedingungen der Magmaspeicherung unter Vulkanen näher, und das ist ein wesentlicher Bestandteil für die Art von detaillierten, auf Physik basierenden Modellen, die für eine genauere Vorhersage von Eruptionen erforderlich sind“, sagte Rasmussen.
Die Studie wurde durch neue Feldarbeiten und Laboranalysen sowie durch eine erneute Analyse bestehender Daten vervollständigt, die von vergangenen Vulkanausbrüchen gesammelt wurden, die vom Smithsonian Global Volcanism Program verfolgt wurden.
Rasmussen begann seine Forschung im Jahr 2015, als er am Lamont-Doherty Earth Observatory der Columbia University mit seinem Berater, dem Vulkanologen Terry Plank, promovierte diese Tiefe.
Zusammen mit einem Team, zu dem die Geophysikerin Diana Roman von der Carnegie Institution for Science gehörte, ging Rasmussen ins Feld, um vulkanisches Material von acht Vulkanen zu sammeln, die sich auf den zerklüfteten und abgelegenen Aleuten-Inseln Alaskas befinden.
Bei der Auswahl der Vulkane für diese Studie konzentrierten sich die Forscher auf eine bestimmte geologische Umgebung: sogenannte Bogenvulkane, die am Schnittpunkt zweier konvergierender tektonischer Platten entstehen. Bogenvulkane, wie sie auf den Aleuten zu finden sind, sind die zahlreichste Art von Vulkanen auf der Erde und umfassen die Gesamtheit des berüchtigten „Ring of Fire“, der die Pazifische Platte umgibt, was sie zum naheliegendsten Ziel für die Verbesserung der Vorhersagefähigkeit macht.
Mit Schiffen und Helikoptern sammelte das Team bei rauer See und auf der Insel Unimak, der Bedrohung durch riesige Braunbären, Teile der Vulkanasche von diesen acht Vulkanen. Vulkanasche war das primäre Ziel der Expedition, weil sie grüne Kristalle aus Olivin enthalten kann – jeder mit einem Durchmesser von etwa 1 Millimeter, etwa so dick wie ein Plastikausweis.
Unter der Erde fangen diese Olivinkristalle manchmal winzige Magmastücke ein, wenn sie sich bilden. Nachdem ein Ausbruch diese speziellen Olivinkristalle an die Erdoberfläche schickt, kühlt das Magma in ihnen ab und wird zu Glas. Durch die Analyse der chemischen Zusammensetzung dieser winzigen Stücke abgekühlter Magma aus dem Inneren eines Vulkans konnten die Forscher den Wassergehalt der Magma abschätzen.
Nach der Schätzung des Wassergehalts der eingeschlossenen Magmastücke, die von sechs der acht Aleuten-Vulkane gesammelt wurden, kombinierte das Team diese Daten mit anderen Schätzungen des magmatischen Wassergehalts aus der wissenschaftlichen Literatur für weitere 56 Vulkane aus der ganzen Welt. Die endgültige Liste des geschätzten magmatischen Wassergehalts umfasste 3.856 einzelne Proben von 62 Vulkanen.
Um die Beziehung zwischen dem geschätzten Wassergehalt dieser Magmareservoire und ihren jeweiligen Speichertiefen zu untersuchen, haben die Forscher die wissenschaftliche Literatur durchforstet und eine begleitende Liste mit 331 Tiefenschätzungen für 112 Vulkane erstellt.
Rasmussen sagte, die Datenbank des Smithsonian Global Volcanism Program „war der Schlüssel zur Zusammenstellung dieser Listen, weil sie eine wirklich gute Quelle für die Ausbruchsgeschichte ist und wir nur Vulkane berücksichtigen wollten, die kürzlich ausgebrochen waren.“ Rasmussen und das Forschungsteam konzentrierten sich auf die jüngsten Eruptionen, da sich Magmareservoire nach einem Ausbruch nicht viel zu bewegen scheinen, und daher haben alle Schätzungen der Tiefe oder des Wassergehalts, die mit kürzlich ausgebrochenem Material vorgenommen wurden, die höchste Wahrscheinlichkeit, den aktuellen Zustand genau widerzuspiegeln das Magma-Reservoir des Vulkans.
Nach jahrelanger Feldarbeit, geochemischer Analyse und Literaturrecherche war das Team in der Lage, die geschätzten Magmaspeichertiefen für 28 Vulkane aus der ganzen Welt mit ihren jeweiligen geschätzten magmatischen Wassergehalten zu vergleichen. Die Ergebnisse waren verblüffend eindeutig: Der Wassergehalt eines Magma-Reservoirs korrelierte stark mit seiner Speichertiefe. Mit anderen Worten, Magmen, die mehr Wasser enthielten, wurden tendenziell tiefer in der Erdkruste gespeichert.
Die Studie zeigt auch, dass der Wassergehalt eines Magmas für die Kontrolle seiner Tiefe verantwortlich ist und nicht nur mit ihr korreliert. Das Team zeigte diesen kausalen Zusammenhang, indem es das Vorhandensein chemischer Tracer nachwies, die mit der Bildung wasserhaltiger Magmen im Erdmantel in Verbindung stehen.
„Wenn die Speichertiefe den Wassergehalt im Magma bestimmen würde, könnte dies immer noch die von uns beobachtete Korrelation zwischen Wassergehalt und Tiefe herstellen, aber es würde nicht die chemischen Tracer des anfänglichen Wassergehalts des Magmas produzieren, die wir gefunden haben“, sagte Rasmussen.
Wie der Wassergehalt die Magmaspeichertiefe bestimmen könnte, argumentieren Rasmussen und seine Co-Autoren, dass dies mit einem als Entgasung bekannten Prozess zu tun hat, bei dem das mit dem Magma vermischte Wasser Gasblasen bildet. Wenn Magma, das durch die Erdkruste aufsteigt, zu entgasen beginnt, wird es viskoser, was den Forschern zufolge den Aufstieg des Magmas verlangsamt und zum Erliegen bringt.
Der Beweis, dass der Wassergehalt die Speichertiefe des Magmas weitgehend kontrolliert, widerlegt die heute am weitesten verbreitete Erklärung auf dem Gebiet, die behauptet, dass Magma durch Risse in der Erdkruste aufsteigt, weil das geschmolzene Gestein schwimmfähiger ist als die umgebende Kruste und sich in seiner Speichertiefe absetzt neutralen Auftrieb erreicht, wo Magma nicht schwimmfähiger ist als seine Umgebung.
Rasmussen sagte, der nächste Schritt für diese Forschung sei es zu sehen, ob diese Ergebnisse für Vulkane in anderen geologischen Umgebungen wie Hot-Spot-Vulkanen wie den Hawaii-Inseln oder Rift-Vulkanen wie denen in Ostafrika gelten. Über diese Erweiterung der Forschung hinaus, sagte Rasmussen, stelle sich eine noch größere Frage: „Wenn der Wassergehalt des Magmas die Speichertiefe des Magmas steuert, was steuert dann den Wassergehalt des Magmas?“
Daniel J. Rasmussen, Magmatischer Wassergehalt steuert die präeruptive Tiefe von Bogenmagmen, Wissenschaft (2022). DOI: 10.1126/science.abm5174. www.science.org/doi/10.1126/science.abm5174