Reibungshitze entwässert Magma

Der Lavadom des guatemaltekischen Vulkans Santiaguito blubbert beständig vor sich hin: Aus einem System ringförmiger Risse stößt der Berg mehrmals am Tag kleine Aschewolken aus. Dabei bricht die Lavakruste an verschiedenen Stellen auf und es können mehrere Ascheringe entstehen, die sich gegenseitig überlappen. Vorangetrieben wird dieses stetige Puffen durch Reibungswärme, wie nun ein internationales Team gezeigt hat, an dem auch LMU-Wissenschaftler unter der Leitung von Professor Donald Dingwell, Direktor des Departments für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU, beteiligt waren. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature.

Der Schlot des Santiaguito wird von einer flachen Kruste bedeckt, die sich bei Eruptionen lokal aufwölbt und wieder kollabiert. Asche stößt der Vulkan nur aus, wenn dieser Prozess sehr schnell abläuft – dann hebt und senkt sich die Kruste innerhalb einer Sekunde um einen Meter. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass die dabei entstandenen Aschepartikel ungewöhnlich inhomogen sind und wie von Schlieren durchzogen wirken. „Ähnliche Unregelmäßigkeiten haben wir gefunden, wenn wir bei Laborexperimenten Magma durch Reibung schnell erhitzt haben“, sagt Dingwell.

Durch die Risse im Lavadom

Aus dieser Beobachtung schließen die Wissenschaftler, dass auch beim Aufstieg des Magma durch die Risse im Lavadom eine beträchtliche Reibungswärme entsteht, durch die das Material sehr schnell aufgeschmolzen wird. „Das Magma reibt sich bei seinem schnellen Aufstieg an der Umgebung. Dadurch kann sich lokal die Temperatur um mehrere Hundert Grad Celsius erhöhen“, sagt Dingwell. Dieser Fund eröffnet eine neue Sicht auf die treibenden Kräfte bei der Freisetzung von Gasen, vor allem von Wasserdampf, aus flüssigem Magma: Bisher ging man davon aus, dass die Löslichkeit der Gase und damit auch das Aufschäumen vor allem vom Umgebungsdruck gesteuert wird – je höher das Magma im Aufstiegskanal steigt, desto geringer ist der Druck und desto mehr Gase werden freigesetzt und entweichen als Bläschen, was die Gesteinsschmelze aufschäumen lässt.

„Aber die Löslichkeit von Wasserdampf in Magma hängt auch von der Temperatur ab – je heißer es wird, desto weniger Wasser wird gespeichert“, sagt Dingwell. Die Vulkanologen haben den Zusammenhang von Temperatur, Druck und Wasserlöslichkeit in Magma experimentell bestimmt und konnten so zeigen, dass die beim Aufstieg entstehende Reibungswärme oft der wesentliche Faktor für das Ausgasen des Wasserdampfs und damit das Aufschäumen der Magma ist, und weniger der sinkende Druck. „Durch das Aufschäumen bekommt die Magma zusätzlichen Auftrieb, aber die aufgeschäumte Magma ist auch weniger fest und bricht schneller, sodass Spannungen leichter gelöst werden“, sagt Dingwell. „Am Santiaguito ist das vermutlich der Grund dafür, dass es keine größeren Explosionen bei Ausbrüchen gibt. Die Magma steigt durch das Risssystem sehr schnell auf und erzeugt so viel Reibungswärme, dass sie aufschäumt und dabei so viel Spannung aus dem System nimmt, dass der Vulkan insgesamt stabil bleibt.“Nature 2015