Sandiges Gelände, durch das sich ein etwa ein bis zwei Meter breiter, verkrusteter Riss zieht. Ein Mann mit Hut schaut in den Graben hinunter.

Vulkane abseits ihrer Magmaquellen

An kontinentalen Grabenbrüchen, sogenannten Riftzonen, wie beispielsweise in Ostafrika oder dem Oberrheingraben, tritt häufig Vulkanismus auf. Geowissenschaftler stoßen dabei auf ein Problem: Während die Magmaquellen in der Tiefe unterhalb des Zentrums des Grabens liegen, treten die Aufstiegskanäle oft viele Kilometer außerhalb der Grabenschultern an die Oberfläche und bilden dort Vulkane. Ein Forscherteam um Francesco Maccaferri vom Deutschen Geoforschungszentrum konnte den zugrunde liegenden Mechanismus nun in Simulationen nachbilden: Wenn die Erdkruste innerhalb eines Grabens ausdünnt, wird das aufsteigende Magma in schräg abzweigende Gänge gesteuert, berichten die Forscher im Fachblatt „Nature Geoscience“.

Die Grafik zeigt eine ebenmäßige, dreigeteilte Erdoberfläche. Der mittlere Teil dieser Fläche ist leicht nach unten abgesenkt und stellt den Grabenbruch dar. An seinen Rändern ragen links und rechts mehrere Vulkane auf. Direkt unterhalb des Grabenbruchs befindet sich eine Magmaquelle, dargestellt durch farbige Striche. Das Magma steigt durch Kanäle auf, die links und rechts von der Magmaquelle abzweigen und schräg nach oben verlaufen. Zwei Pfeile stellen die Dehnung der Erdkruste dar, durch die der Grabenbruch entsteht.
Vulkane seitlich von Grabenbrüchen

Bislang war unbekannt, wie sich das Relief der Bruchzone auf die Bahn auswirkt, die das Magma bei seinem Aufstieg zur Erdoberfläche nimmt. Maccaferri und seine Kollegen haben die Bildung solcher Magmagänge nun in einem numerischen Modell nachgebildet und die Rechnungen mit realen Daten unterfüttert. Dabei konnten sie zeigen, dass sich das Spannungsmuster in der Erdkruste ändert, wenn die Erdkruste innerhalb eines Grabens ausdünnt und damit entlastet wird. Dadurch wird der Magmafluss in Gänge gelenkt, die schräg von den Magmaquellen abzweigen. Erst kilometerweit von der Achse des Grabenbruchs entfernt treten die Aufstiegskanäle des Magmas zutage.

„Unser Modell zeigt, dass Vulkanismus an Spreizungszonen auf zwei unterschiedliche Arten auftreten kann. Im Fall von flachen, breiten Grabenbrüchen tritt das Magma direkt oberhalb der tiefsitzenden Magmaquelle an der Erdoberfläche aus, während im Fall von tiefen, schmalen Grabenbrüchen das Magma außerhalb der Grabenschultern austritt“, erläutert Maccaferri. Da der Aufstiegsweg des Magmas im zweiten Fall anfänglich fast horizontal erfolgt, kann es im Extremfall bereits in der Kruste erstarren, ohne dass Vulkanismus an der Erdoberfläche sichtbar wird, wie Beobachtungen von Grabenbrüchen weltweit zeigen.

Dabei bleibt der Vorgang nicht statisch: „Falls die tektonische Beanspruchung durch die Dehnung der Kruste ausreichend lange anhält und die Spreizungszone ein gewisses Reifestadium erreicht, lagern sich die horizontalen Magma-Intrusionen schließlich auch in der flacheren Kruste ab. In diesem Fall sagt unser Modell richtigerweise voraus, dass sich weitere Magma-Intrusionen senkrecht orientieren und entlang der Spreizungsachse ausbreiten“, erklärt Koautorin Eleonora Rivalta vom Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam die Ergebnisse. Von Intrusion sprechen Geowissenschaftler, wenn Magma in verschieden tiefe Schichten der Erdkruste eindringt und dort zu Gestein erstarrt.

Grabenbrüche gehören zu den wichtigsten tektonischen Erscheinungen unseres Planeten. Sie bilden sich entweder durch Dehnung im Innern großer tektonischer Platten oder an Stellen, wo Platten auseinanderdriften. Die Oberfläche von Grabenbrüchen wird durch Bruchlinien und Absenkungen im Gelände bestimmt sowie durch Vulkane, die entweder direkt in der Bruchzone oder an deren Rändern entstehen. Dabei ist noch weitgehend unbekannt, welche Größen und Faktoren die räumliche Verteilung der Vulkane an der Oberfläche und das Verhältnis von Intrusionen zu Ausbrüchen steuern. Die jetzt vorgelegten Ergebnisse ermöglichen einen neuen Ansatz zur Erforschung von Riftzonen.