Illustration eines ausbrechenden Vulkans
Mehr als 800 Millionen Menschen leben in der Nähe eines aktiven Vulkans. Einige von ihnen stellen die bestehenden Modelle immer noch in Frage, was eine 100%ige Vorhersage ihrer Eruption unmöglich macht. So ist es beim Colli Albani in Italien, der in der Vergangenheit große Explosionen verursachte, obwohl sein Magma normalerweise mit leichten effusiven Eruptionen in Verbindung gebracht wird.
Ein internationales Team unter der Leitung der Universität Genf (UNIGE) lüftet das Geheimnis dieses Phänomens mit einem innovativen Ansatz zur Analyse von Kristallen, die Spuren der letzten Eruption enthalten. Die im Journal of Petrology veröffentlichte Studie eröffnet neue Wege für Analysemethoden in der Vulkanologie und stärkt die Risikoprävention.
Die Überwachung von Vulkanen, um ihre potenziell verheerenden Auswirkungen vorherzusagen, erfordert ein tiefes Verständnis der Vorboten einer Eruption. Doch die Aufgabe wird schwieriger, wenn ein Vulkan die Vorhersagemodelle herausfordert, wie der Colli Albani, der nur 20 Kilometer von Rom entfernt liegt. Seine magmatische Zusammensetzung sollte theoretisch zu Eruptionen geringer Intensität führen. Doch seine vergangenen Ausbrüche zeigen das Gegenteil.
Der Colli Albani, der unter diesem See in 20 km Entfernung von Rom liegt, erlebte große Eruptionen. Die letzte vor 355.000 Jahren.
© Alessandro Musu
Dieser Ansatz ist innovativ in der Vulkanologie, insbesondere für die Untersuchung magmatischer Einschlüsse.
Magma enthält flüchtige Stoffe (hauptsächlich Wasser und Kohlendioxid). Ähnlich wie bei einer geöffneten Sodaflasche werden diese Stoffe freigesetzt, wenn das Magma an die Oberfläche steigt. Je zähflüssiger das Magma ist, desto schwerer kann das Gas entweichen. Diese Zurückhaltung führt zu einem allmählichen Druckanstieg, der schließlich zu gewaltsamen explosiven Eruptionen führt. Theoretisch birgt der Colli Albani dieses Risiko nicht: Sein Magma ist wenig zähflüssig. Dennoch hat er bereits heftige explosive Eruptionen verursacht, bei denen die letzte vor 355.000 Jahren bis zu 30 km³ glühender Asche und geschmolzenes Gestein in die Atmosphäre schleuderte.
Um mehr zu erfahren, analysierte ein Team der UNIGE "magmatische Einschlüsse", die in den Magmaablagerungen der letzten Eruption eingeschlossen waren. Diese winzigen Tröpfchen von einem Hundertstel Millimeter, die vor der Explosion in Kristallen eingeschlossen waren, enthalten wertvolle Hinweise auf die Chemie des Magmas, seinen Wasser- und Kohlendioxidgehalt – Schlüsselelemente seiner Explosivität – sowie auf seine Temperatur und seinen Druck. Insgesamt wurden 35 Kristalle mit 2.000 Einschlüssen untersucht.
Mikrofotografie eines Klinopyroxen-Kristalls. Dieses Mineral bildete sich in einer Magmakammer. Magmatische Einschlüsse (in Schwarz) sind in diesen Kristallen vorhanden.
© Corin Jorgenson
Ein innovativer Ansatz zur Erforschung des Magmas
Die Wissenschaftler der UNIGE arbeiteten mit mehreren Institutionen zusammen, darunter das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY), die Universitäten Roma Tre und Bristol sowie das Helmholtz-Zentrum. Mithilfe des Teilchenbeschleunigerrings PETRA III am DESY in Hamburg konnte das Team hochauflösende 3D-Bilder magmatischer Einschlüsse erstellen. PETRA III erzeugt intensive Röntgenstrahlen, um Materie auf der Nanometerskala an verschiedenen Experimentierstationen zu untersuchen, darunter auch die, an der das UNIGE-Experiment stattfand.
"Dieser Ansatz ist innovativ in der Vulkanologie, insbesondere für die Untersuchung magmatischer Einschlüsse. Er eröffnet neue Perspektiven in diesem Bereich", erklärt Corin Jorgenson, Erstautorin der Studie und damals Doktorandin am Departement für Erdwissenschaften der Naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE, heute Postdoktorandin am Department of Civil and Environmental Engineering der Universität Strathclyde in Schottland.
Wertvolle Ergebnisse für die Risikoprävention
Eine der wichtigsten Entdeckungen war die Präsenz zahlreicher großer Wasser- und Kohlendioxidblasen in den Einschlüssen. Dies deutet darauf hin, dass das Reservoir des Colli Albani zum Zeitpunkt ihrer Einschließung bereits große Mengen an Gas enthielt. "Der Gasüberschuss machte das Magma zu einer Art Schwamm, der sich zusammendrückte, als zusätzliches Magma im Reservoir anhäufte, und sich zu Beginn der Eruption schnell ausdehnte – zwei wesentliche Zutaten für die unerwartete und hoch explosive Eruption des Colli Albani", erklärt Luca Caricchi, ordentlicher Professor für Petrologie und Vulkanologie am Departement für Erdwissenschaften der Naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE, der die Forschung leitete.
Diese Ergebnisse beleuchten den Mechanismus der Eruptionen des Colli Albani und unterstreichen die Bedeutung modernster 3D-Bildgebungstechniken in der Vulkanologie. Dieser Ansatz, der auf andere Vulkane anwendbar ist, wird ein besseres Verständnis der Magmaspeicherung und -entgasung ermöglichen und gleichzeitig die Risikoprävention stärken. Die im Rahmen der Studie durchgeführte Klassifizierung magmatischer Einschlüsse in sechs verschiedene Typen wird zudem eine wertvolle Referenz für künftige Forschungen darstellen.