Vulkan sprüht Lava am Meer

Was einen Supervulkan zum Explodieren bringt

Wie Supervulkane aktiv werden, war bislang nicht vollständig geklärt. Ein Forscherteam berichtet nun im Fachmagazin „Nature Geoscience“, dass allein der durch Dichteunterschiede zwischen Magma und dem umgebenden Gestein erzeugte Druck ausreichen kann, um diese Vulkane zum Ausbruch zu bringen. Die neuen Erkenntnisse könnten helfen, sogenannte „schlafende“ Supervulkane besser einzuschätzen – etwa wie schnell ihr Magma die Erdkruste durchdringen und an die Oberfläche gelangen kann.

Vulkanausbrüche werden unter anderem durch einen Überdruck in der Magmakammer ausgelöst, die sich in der Erdkruste unterhalb des Vulkans befindet. Damit das Magma das Krustengestein durchschlagen und sich einen Weg an die Oberfläche bahnen kann, braucht es einen Druck, der hundert- bis vierhundertmal höher ist als der Luftdruck. Dieser Überdruck ist jedoch zu hoch, als dass er allein durch nachfließendes Magma entstehen kann. Das gilt insbesondere für Supervulkane, deren Magmakammer mehrere Kilometer tief und bis zu hundert Kilometer breit sein kann. Darum spekulieren Geologen schon länger über einen möglichen Auslöser für Supereruptionen: den Dichteunterschied zwischen dem weniger dichten, geschmolzenen Magma und dem vergleichsweise dichteren, festen Gestein in der Umgebung. Bislang konnte die Dichte der Magmaschmelze jedoch nicht direkt gemessen werden.

„Der Effekt ist vergleichbar mit dem Auftrieb eines mit Luft gefüllten Fussballs unter Wasser, der durch das schwerere umgebende Wasser nach oben gedrückt wird“, erläutert Wim Malfait von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, kurz Empa. Dem Wissenschaftler und seinen Kollegen gelang es nun erstmals, die Dichte des Magmas von Supervulkanen mithilfe von Röntgenstrahlen der European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble zu bestimmen. Dazu stellten sie künstliche Magmaschmelzen mit unterschiedlichen Druck- und Temperaturbedingungen her, die den natürlichen Gegebenheiten eines Supervulkans entsprachen. Zudem variierten die Forscher den Wassergehalt der Schmelze. Über die verschiedenen Parameter formulierten sie mathematische Gleichungen, mit denen es ihnen gelang, das Innere eines Supervulkans zu modellieren.

Die Illustration zeigt die kilometerbreite Magmakammer eines Supervulkans in der Erdkruste. Das Magma darin besteht aus zwei Phasen: geschmolzen und teilweise geschmolzen. Der Dichteunterschied zum umgebenden Gesteinsmaterial ist durch Pfeile an den Rändern der Kammer dargestellt. Ein Teil des Magmas hat den oberen Rand der Kammer durchbrochen und bahnt sich seinen Weg durch die Erdkruste nach oben.
Magmakammer eines Supervulkans

„Die Ergebnisse zeigen, dass bei einer ausreichenden Größe der Magmakammer allein der durch Dichteunterschiede verursachte Überdruck genügt, um die darüber liegende Kruste zu durchbrechen und eine Eruption in Gang zu setzen“, erklärt Koautorin Carmen Sanchez-Valle von der ETH Zürich. Mechanismen, die herkömmliche Vulkanausbrüche begünstigten, wie etwa Sättigung des Magmas mit Wasserdampf oder tektonische Spannungen, könnten zwar auch ihren Beitrag leisten, seien aber nicht erforderlich, um eine Supereruption in Gang zu setzen, betonen die Forscher in ihrer Studie.

Supervulkane sind keine gewöhnlichen Vulkane. Indem sie nicht nur ausbrechen, sondern richtiggehend explodieren, hinterlassen sie anstelle eines Vulkankegels ein riesiges Loch in der Erdkruste, eine Caldera, deren Durchmesser bis zu hundert Kilometer betragen kann. Ihre Eruptionen fördern in der Regel mindestens 450, nicht selten sogar mehrere Tausend Kubikkilometer Gesteinsmaterial und Asche an die Oberfläche und in die Atmosphäre. Daher gelten sie als eine Bedrohung für Klima und Leben auf der Erde. Da sie seltener als alle 100 000 Jahre aktiv sind, können sich Forscher nur anhand der überlieferten Asche- und Gesteinsschichten ein Bild von ihren verheerenden Supereruptionen machen. Bekannte Calderen von Supervulkanen sind die Yellowstone-Caldera in den USA, der Toba-See in Indonesien und der Taupo-See in Neuseeland.