Countdown bis zum Ausbruch

Tief unter einem Vulkan ist das Magma ständig in Bewegung. Wenn dabei Gesteinsschmelzen mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung aufeinandertreffen, entsteht eine explosive Mischung: Das Magma schäumt heftig auf, der Ausbruch beginnt. Ein Team um Professor Donald Dingwell, Direktor des Departments für Geo- und Umweltwissenschaften der LMU, und Professor Diego Perugini von der Universität Perugia (Italien) hat nun ein Modell entwickelt, mit dem sich erstmals abschätzen lässt, wieviel Zeit zwischen dem ersten Vermischen des Gesteins und der Eruption vergeht. Diese Information kann wichtige Hinweise für die Vorhersage von Vulkanausbrüchen liefern, wie die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Nature Scientific Reports zeigen.

Ursache für das „Aufschäumen“ ist die Übersättigung des Gemischs verschiedener Magmen mit bestimmten Stoffen, die als Gase freigesetzt werden – so bekommt das Magma den nötigen Auftrieb für eine Eruption. „Wir wissen, dass zwischen dem Aufeinandertreffen der Gesteinsschmelzen und dem tatsächlichen Ausbruch oft nicht genug Zeit für eine vollständige Durchmischung bleibt“, sagt Dingwell. „Das ausgeworfene Material ist also immer noch heterogen. Diese Eigenschaft haben wir genutzt, um den zeitlichen Ablauf des Mischungsprozesses zu modellieren.“

Simulation im Labor Dingwells Labor bietet weltweit einzigartige Möglichkeiten, mithilfe von Hochtemperatur- und Hochdruckexperimenten die Verhältnisse im Inneren eines Vulkans zu simulieren. Für ihre Analysen verwendeten die Wissenschaftler zwei unterschiedliche Gesteine von den Phlegräischen Feldern in Italien, einem der aktivsten vulkanischen Gebiete Europas, und untersuchten deren Mischungsverhalten und chemische Zusammensetzung. Es zeigte sich, dass sich unterschiedliche Komponenten der Gesteine unterschiedlich schnell mischen: Während beispielsweise Wasser sehr schnell gleichmäßig in der Mischung verteilt ist, dauert dies für andere chemische Komponenten deutlich länger. „Daraus, wie bestimmte Gesteinsbestandteile im Eruptionsmaterial verteilt sind, können wir rückschließen, wieviel Zeit zwischen dem Beginn der Mischung und dem Ausbruch vergangen ist“, erklärt Dingwell.

Nur wenig Zeit bis zur Eruption Die ersten Resultate der Wissenschaftler deuten für die Phlegräischen Felder darauf hin, dass die Zeitspanne von der Mischung bis zum Ausbruch weniger als eine Stunde beträgt – während man bisher davon ausging, dass dieser Prozess Tage in Anspruch nimmt. „Je mehr derartige Untersuchungen wir auch an anderen vulkanischen Systemen machen, desto eher sollten wir in der Lage sein, den zeitlichen Vorlauf einer Eruption an einer Art vulkanischer Uhr abschätzen zu können“, sagt Dingwell.

Die neue Methode kann dazu beitragen, das Monitoring aktiver Vulkane zu verbessern: Wenn bekannt ist, welcher Zeitraum zwischen der Gesteinsmischung und einer Eruption liegt, kann rückblickend analysiert werden, welche Signale bestehender Überwachungssysteme Vorboten des Ausbruchs waren. „So könnte es möglicherweise künftig einfacher werden, aus der Vielzahl der Überwachungssignale bereits im Vorfeld eines Ausbruchs diejenigen herauszufiltern, die dafür entscheidend sind“, sagt Dingwell. „Unser Modell könnte damit dazu beitragen, die Vorwarnzeit realistisch einzuschätzen – eine Voraussetzung, um angemessene Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung ergreifen zu können.“Nature Scientific Reports 2015