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Explosiver Vulkanismus : Feuerberge unter Druck

  • -Aktualisiert am

Nur wenig nördlich der Großstadt Yogyakarta: Der knapp 3000 Meter hohe Vulkan Merapi. Bild: AFP

Schichtvulkane wie der Merapi auf Java sind wegen ihrer explosiven Ausbrüche gefürchtet. Ein Grund für die heftigen Eruptionen sind Gase, die poröses Gestein versiegeln und deshalb nicht mehr entweichen können.

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          Unter den zahlreichen Typen von Vulkanen gehören die Schichtvulkane zu den gefährlichsten. Diese Feuerberge liegen meist oberhalb von Subduktionszonen, in denen sich eine der riesigen Lithosphärenplatten der Erdoberfläche unter eine andere schiebt. Dieser geologische Vorgang führt zur Entstehung zähflüssiger, gasreicher Magma, die die Schicht- oder Stratovulkane speisen.

          Die Vulkane der Andenkette, die Feuerberge Japans und die meisten Vulkane Indonesiens gehören zu den Schichtvulkanen. Eine internationale Forschergruppe hat nun untersucht, warum diese Feuerberge mit einer solch explosiven Wucht ausbrechen und dabei oft große Schäden anrichten.

          Das Geologenteam um Michael Heap vom Institut de Physique de Globe in Straßburg, zu dem auch Mitarbeiter der Technischen Universität München und des Geoforschungszentrums in Potsdam gehören, konzentrierte sich bei seinen Untersuchungen auf Lavaproben des knapp 3000 Meter hohen Vulkans Merapi im zentralen Teil der indonesischen Hauptinsel Java. Der Berg liegt nur wenig nördlich der Großstadt Yogyakarta, in deren Umfeld mehr als vier Millionen Menschen leben. Beim letzten schweren explosiven Ausbruch des Vulkans im Jahre 1930 kamen mehr als 1400 Menschen ums Leben.

          Bilderstrecke
          Explosive Schichtvulkane : Drei Phasen des Merapi, Mai 2018

          Der Merapi zeigt bei seinen Eruptionen ein zyklisches Verhalten. Nach einem heftigen Ausbruch wächst im Bereich des Gipfelkraters im Laufe von Monaten allmählich ein Lavadom. Aus dessen Gestein treten zunächst große Mengen an Wasserdampf und Gasen aus, die ursprünglich aus dem unter dem Vulkan ruhenden Magma stammen. Im Laufe der Zeit nimmt diese Austrittsrate aber immer mehr ab, bis der Vulkan schließlich kaum noch Gase zutage fördert. Einige Monate später kommt es abermals zu einer explosiven Eruption, und der Vorgang wiederholt sich. Auch an anderen Vulkanen, beispielsweise am Galeras in Kolumbien oder am Poas in Costa Rica, sind ähnliche Zyklen beobachtet worden.

          Wenn der Gesteinsdruck das Limit übersteigt

          Die Forscher um Heap sind nun der Frage nachgegangen, welche Vorgänge zu der erheblichen Verlangsamung und dem schließlichen Stopp des Gasaustritts führen. Dabei haben sie Gesteinsproben untersucht, die von verschiedenen Wachstumsphasen eines Lavadoms im Krater des Merapi stammen. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature Communications“ schreiben, zeigte sich, dass sich die Porosität des Gesteins im Laufe eines Eruptionszyklus um mehr als den Faktor Zehntausend verringert.

          Poröses Gestein hat viele kleine Risse und winzige Hohlräume, durch die Gas strömen und entweichen kann. Nimmt die Porosität aber ab, versiegt der Gasfluss, und das kontinuierlich aus dem Magma strömende Gas beginnt sich innerhalb und unterhalb des Lavapfropfens zu stauen und Druck aufzubauen. Elektronenmikroskopische Aufnahmen von Gesteinsproben zeigen auch die Ursache für das Abnehmen der Porosität.

          Die kleinen Risse und Hohlräume setzen sich nämlich im Laufe der Zeit mit Alaunstein und Gips zu. Diese Kalium- und Natriumaluminiumsulfate versiegeln schließlich die Gesteinsporen vollständig und machten so einen Gasfluss unmöglich. Die Sulfate waren ursprünglich im vulkanischen Wasserdampf gelöst und lagerten ähnlich wie bei einer Arterienverkalkung in den Poren des Gesteins ab. Die Versiegelung des Lavadoms führt, so die Forscher um Heap, zur Entstehung einer Staukuppe im Vulkankrater, unter der der Gasdruck im Laufe der Zeit immer weiter zunimmt. Übersteigt der Druck die Festigkeit des Gesteins, wird die Kuppe weggesprengt, und es kommt zu einem explosiven Ausbruch.

          Vulkane werden mit Spektrometern überwacht

          Diese Erkenntnisse ermöglicht eine bessere Überwachung von Stratovulkanen. Veränderungen in der Gesteinsporosität lassen sich nämlich auf mehreren Wegen messen. Viele Feuerberge werden schon jetzt aus der Ferne mit Spektrometern überwacht, welche die Zusammensetzung und die Menge der aus ihnen austretenden Gasen erfassen. Diese Messungen könnten künftig mit der Erfassung der geoelektrischen Leitfähigkeit des Gesteins im Lavadom ergänzt werden. Die Leitfähigkeit ist nämlich unter anderem von der Porosität des Gesteins abhängig.

          Bei einer anderen Methode werden Myonen aus der kosmischen Strahlung genutzt. Mit ihnen lassen sich Hohlräume im Gestein aufspüren, wie der amerikanische Nobelpreisträger Luis Alvarez schon vor Jahrzehnten an den ägyptischen Pyramiden demonstrierte. Italienische Vulkanologen haben inzwischen in vereinzelten Experimenten mit der sogenannten Myonen-Tomographie die Porosität von Vesuv, Ätna und Stromboli untersucht. Zur kontinuierlichen Vulkanüberwachung müssten diese experimentellen Verfahren allerdings noch zu einem alltagstauglichen Netzwerk weiterentwickelt werden.

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