Warum manche Vulkane nicht explodieren

Wie explosiv ein Vulkan ausbricht, h?ngt davon ab, wie viele Gasblasen sich im Magma bilden ¨C und wann. Bisher galt: Gasblasen entstehen vor allem dann, wenn beim Aufstieg des Magmas der Umgebungsdruck sinkt. Gase, die auf Grund des hohen Drucks in tieferen Erdschichten im Magma gel?st waren, entweichen bei geringerem Druck und bilden Blasen. Je mehr Gasblasen sich im Magma befinden, desto leichter wird es und desto schneller steigt es nach oben. Dadurch kann das Magma auseinandergerissen werden, was zu einem explosiven Ausbruch f¨¹hren kann.

Dieser Vorgang l?sst sich mit einer Sektflasche vergleichen: Solange diese geschlossen und damit unter Druck ist, ist das Kohlendioxid gel?st. ?ffnet man nun den Korken der Flasche, sinkt der Druck und das Kohlendioxid bildet Blasen. Diese ziehen die Fl¨¹ssigkeit nach oben und lassen sie explosiv aus der Flasche spritzen. 

Doch diese Erkl?rung ist unvollst?ndig: Denn manche Vulkane wie der Mount St. Helens im US-Bundesstaat Washington oder der chilenische Vulkan Quizapu sind trotz hochexplosivem Magma mit hohem Gasanteil manchmal auch ruhig ausgeflossen. F¨¹r dieses R?tsel, das Vulkanolog:innen seit Langem besch?ftigt, liefert ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung der ETH Z¨¹rich nun eine neue Erkl?rung. 

Scherung als neuer Faktor

In einem k¨¹rzlich in der Fachzeitschrift externe Seite Science erschienenen Artikel zeigen die Forschenden, dass sich Gasblasen im aufsteigenden Magma nicht nur durch Druckabfall, sondern auch durch Scherkr?fte bilden k?nnen. Wenn diese Gasblasen tief im Vulkanschlot wachsen, k?nnen sie sich miteinander verbinden, wodurch Entl¨¹ftungskan?le entstehen. Gas kann dann schon fr¨¹hzeitig entweichen, und das Magma fliesst beim Ausbruch ruhig aus. 

Man kann sich die Scherkr?fte im Magma wie das R¨¹hren in einem Glas Honig vorstellen: Der Honig bewegt sich dort schneller, wo man mit dem L?ffel r¨¹hrt. Am Rand des Glases, wo die Reibung h?her ist, bewegt er sich langsamer. Im Vulkanschlot passiert etwas ?hnliches: Das Magma bewegt sich am Rande des Schlots, wo die Reibung am gr?ssten ist, langsamer als im Inneren. Dadurch wird die Gesteinsschmelze regelrecht geknetet, wodurch Glasblasen entstehen.

?Wir konnten experimentell nachweisen, dass die durch Scherkr?fte erzeugte Bewegung im Magma ausreicht, um Gasblasen zu bilden ¨C selbst ohne Druckabfall?, erkl?rt Olivier Bachmann, ETH-Professor f¨¹r Vulkanologie und magmatische Petrologie und einer der Autoren der Studie. Die Experimente der Forschenden zeigen, dass Blasen vor allem in der N?he der R?nder eines Vulkanschlots entstehen, wo die Scherkr?fte am st?rksten sind. Bereits vorhandene Blasen verst?rken diesen Effekt zus?tzlich. ?Je mehr Gas im Magma enthalten ist, desto weniger Scherkraft ist f¨¹r die Blasenbildung und das Blasenwachstum erforderlich?, sagt Bachmann.

Warum explosive Vulkane doch nicht explodieren

Gem?ss den neuen Erkenntnissen k?nnte ein Magma mit geringem Gasgehalt, das scheinbar nicht explosiv ist, dennoch zu einer heftigen Eruption f¨¹hren, wenn sich durch eine starke Scherung viele Blasen bilden und das Magma dadurch schnell nach oben schiesst. 

Umgekehrt k?nnen Scherkr?fte aber auch dazu f¨¹hren, dass sich Blasen in einem gasreichen und potenziell explosiven Magma fr¨¹hzeitig bilden und miteinander verbinden. Dadurch entstehen im Magma Entl¨¹ftungskan?le, die den Gasdruck senken. ?Damit k?nnen wir erkl?ren, warum manche z?hfl¨¹ssige Magmen trotz ihres hohen Gasgehalts ruhig ausfliessen, anstatt zu explodieren ¨C ein R?tsel, das uns seit Langem besch?ftigt?, sagt ETH-Professor Bachmann. 

Ein Beispiel daf¨¹r ist der Ausbruch des Mount St. Helens im Jahr 1980. Obwohl das Magma reich an Gas und damit potenziell explosiv war, begann dieser mit der Bildung eines sehr langsamen Lavastroms innerhalb des Vulkankegels. Die starken Scherkr?fte, die auf das Magma wirkten, erzeugten zus?tzliche Gasblasen, die anf?nglich eine Entl¨¹ftung erm?glichten. Erst als ein Erdrutsch den Vulkanschlot weiter ?ffnete und es zu einem rapiden Druckabfall kam, explodierte der Vulkan. Die Ergebnisse der Studie legen nahe, dass viele Vulkane mit z?hfl¨¹ssigen Magmen Gase effizienter entweichen lassen als bisher gedacht. 

Spezielles Laborexperiment durchgef¨¹hrt

Um die Prozesse im Inneren eines Vulkans sichtbar zu machen, entwickelten die Forschenden ein spezielles Experiment: Sie verwendeten eine z?he Fl¨¹ssigkeit, die geschmolzenem Gestein gleicht, und s?ttigten sie mit dem Gas Kohlendioxid. 

Anschliessend beobachteten sie, was passiert, wenn die lava?hnliche Fl¨¹ssigkeit durch Scherung in Bewegung gesetzt wird. Sobald die Scherkr?fte einen bestimmten Schwellenwert ¨¹berschritten, entstanden in der Fl¨¹ssigkeit pl?tzlich Gasblasen. Je h?her die anf?ngliche Gas¨¹bers?ttigung, desto geringer war die ben?tigte Scherung, um weitere Gasblasen zu bilden. Die Forschenden stellten ausserdem fest, dass die Anwesenheit bereits vorhandener Blasen die Bildung weiterer Blasen in ihrer unmittelbaren Umgebung beg¨¹nstigte.

Die Forschenden kombinierten diese Beobachtungen mit Computersimulationen von Vulkanausbr¨¹chen. So konnten sie zeigen, dass dieser Effekt besonders in jenen Bereichen auftreten d¨¹rfte, in denen z?hfl¨¹ssige Magma an den W?nden eines Vulkanschlots entlangfliesst und dabei stark geschert wird.

Mit ihrer Arbeit liefern die Forschenden einen neuen Schl¨¹ssel, um Prozesse im Inneren aktiver Vulkane besser zu verstehen und pr?ziser einsch?tzen zu k?nnen, wie Vulkane ausbrechen. ?Um zu besseren Vorhersagen ¨¹ber das Gefahrenpotenzial von Vulkanen zu gelangen, m¨¹ssen wir unsere Vulkanmodelle aktualisieren und Scherkr?fte ber¨¹cksichtigen?, sagt Olivier Bachmann, Professor f¨¹r Vulkanologie an der ETH Z¨¹rich und Mitautor der Studie.