8 Minuten
Wissenschaftler haben einen überraschenden neuen Auslöser innerhalb von vulkanischen Schloten entdeckt: Scherkräfte, die das Magma "kneten" und bereits lange vor einem Druckabfall Gasblasen erzeugen. Dieser Mechanismus hilft zu erklären, warum manche gasreiche Eruptionen ruhig verlaufen, während andere explosionsartig ausbrechen. Im folgenden Artikel wird erläutert, welche Bedeutung diese Entdeckung für unser Verständnis vulkanischer Gefahren hat und wie Forschende den Prozess im Labor und am Computer nachgebildet haben.
Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass vulkanisches Magma Gasblasen nicht nur durch Druckabfall während des Aufstiegs bilden kann, sondern auch durch interne Scherkräfte, die das geschmolzene Gestein sozusagen „kneten“. Diese durch Scherung induzierten Blasen können entweder eine explosive Beschleunigung einleiten oder Fluchtwege für Gase öffnen, die eine ansonsten gewaltsame Eruption dämpfen.
Rethinking bubble formation: more than a pressure story
Jahrzehntelang konzentrierte sich die Standarderklärung der Blasenbildung in Magma auf Dekompression. Wenn Magma zur Oberfläche aufsteigt, sinkt der umgebende Druck, gelöste Gase entmischen sich – ähnlich wie Kohlendioxid, das aus einer geöffneten Champagnerflasche entweicht. Bilden sich viele Blasen, wird das Magma auftriebskräftiger, beschleunigt nach oben und kann fragmentieren, was zu explosiven Eruptionen führt.
Feldbeobachtungen zeigen jedoch seit Langem Ausnahmen von diesem Modell. Einige Vulkane mit gasreichem, zähflüssigem Magma – Bedingungen, die normalerweise mit gewaltsamen Ausbrüchen assoziiert werden – haben stattdessen langsame, zähflüssige Lavaflüsse freigesetzt. Beispiele wie Mount St. Helens (USA) und der chilenische Vulkan Quizapu demonstrieren, dass der Gasgehalt allein nicht das vollständige Bild liefert.
Die neue Forschung ergänzt dieses Bild um eine entscheidende Komponente: Scherung. Fließt Magma durch einen Schlot, bewegt sich die zentrale Strömung meist schneller als entlang der Wände, wodurch Geschwindigkeitsschwankungen entstehen. Diese Gradienten erzeugen Scherkräfte im geschmolzenen Gestein, und wie die Forschenden nun zeigen können, führen sie direkt zur Keimbildung und zum Wachstum von Blasen.
Lab experiments and numerical models: watching bubbles form under shear
Um diesen Effekt sichtbar zu machen und zu quantifizieren, bauten die Autoren der Studie ein kontrolliertes Laboranalogon auf. Sie verwendeten eine viskose Flüssigkeit, die silikatischen Schmelzen ähnelt, und sättigten sie mit Kohlendioxid. Anschließend erzeugten sie Scherung, indem sie die Flüssigkeit relativ zu festen Begrenzungsflächen bewegten, um das Gleiten von Magma entlang der Schlotwände zu simulieren.
Als die Scherung einen bestimmten Schwellenwert überschritt, traten die Blasen abrupt auf – ohne jede Druckänderung. Die Blasen bildeten sich bevorzugt in der Nähe der Begrenzungen, wo die Scherraten am höchsten waren. Zudem wirkten bereits vorhandene Blasen katalytisch: die lokale Störung von Strömung und Druckfeld um eine Blase herum erleichtert weitere Keimbildung in der unmittelbaren Umgebung.
Numerische Simulationen verbanden die Laborskala mit natürlichen Schloten. Die Modelle zeigten, dass scherverursachte Blasennukleation besonders effizient dort ist, wo zähes Magma gegen die Schlotwände fließt und eine geschichtete Anordnung aus Blasen und Gaswegen entstehen lässt. Koaleszieren diese Blasen, können sie durchgehende Kanäle bilden, die Gas ableiten, bevor das Magma die Erdoberfläche erreicht.
Olivier Bachmann, Professor für Vulkanologie und magmatische Petrologie an der ETH Zürich und Koautor der Studie, fasst den Paradigmenwechsel knapp zusammen: Scherung kann Blasen erzeugen, selbst wenn keine Dekompression stattfindet. Diese Erkenntnis verändert die zeitliche Einordnung der Entgasung und damit die Interpretation von Eruptionsdynamiken.
Why shear can make an eruption calm—or suddenly violent
Der neue Mechanismus erklärt zwei scheinbar widersprüchliche Verhaltensweisen.
- Frühzeitige Entgasung und sanftere Eruptionen: Bei gasreichen Magmen kann Scherung das Wachstum und die Koaleszenz von Blasen bereits tief im Schlot auslösen. Diese Blasen können sich zu miteinander verbundenen Fluchtwegen – sogenannten Entgasungskanälen – vernetzen, die Gase schrittweise ableiten. Dadurch wird der Druck vor einem schnellen Aufstieg vermindert, sodass Lava effusiv austreten kann, anstatt zu detonieren. Dieser Prozess erklärt Beobachtungen von ruhigen Lavastromphasen an Vulkanen mit ansonsten explosivem Potenzial.
- Schergetriebene explosive Beschleunigung: Andererseits kann ein Magma, das zunächst wenig Gas zu enthalten scheint, dennoch explosiv ausbrechen, wenn starke Scherung plötzlich eine Vielzahl von Blasen bildet. Ein rasches Anwachsen des Blasenvolumens reduziert die Dichte des Magmas und kann eine plötzliche Beschleunigung nach oben auslösen, wodurch das Material fragmentiert und eine explosive Eruption entsteht.
Historische Fälle illustrieren beide Entwicklungspfade. Bei der Eruption des Mount St. Helens 1980 erlaubte die anfängliche langsame Einbringung zähflüssiger Lava in den Krater dem System, lokal zu entgasen. Erst als ein Erdrutsch die Öffnung des Schlots rasch vergrößerte und damit eine abrupte Dekompression erzeugte, wandelte sich die Eruption zur katastrophalen Explosion.
Ähnlich zeigten Untersuchungen an anderen Vulkanen, dass lokale Scherungszonen, tektonische Veränderungen am Schlot und Variationen in der Magmaviskosität entscheidend dafür sein können, ob ein Gasauftrieb graduell durch Entgasung gemildert wird oder ob die Dynamik in eine explosive Phase kippt. Das Zusammenspiel von Scherkräften, Viskosität und Gasgehalt bestimmt somit maßgeblich die Eruptionsart.
Implications for monitoring and hazard assessment
Die Integration scherverursachter Blasendynamik in vulkanische Modelle könnte die Vorhersage von Eruptionsstil und -zeitpunkt verbessern. Traditionelle Überwachung konzentriert sich auf Gasflussmessungen, Seismizität, Bodenverformungen und andere Indikatoren für dekompressionsgetriebene Entgasung. Scherung hängt jedoch zusätzlich von der Schlotgeometrie, der Magmaviskosität und der Flussrate ab – Parameter, die sich schnell ändern können und nicht immer durch die aktuellen Messgrößen vollständig erfasst werden.
Die Aktualisierung numerischer Eruptionssimulationen um scherverursachte Nukleation hilft dabei, einzuschätzen, ob ein bestimmter Vulkan eher dazu neigt, Gas still zu entlassen, oder ob er eine Beschleunigung Richtung Explosion durchlaufen könnte. Das hat direkte praktische Konsequenzen für Evakuierungsplanung, Luftfahrtsicherheit (Ascheausbreitung und Aschewolken) und langfristige Gefahrenkartierungen.
Für Gefahrenmanager und Überwachungsagenturen bedeutet dies, dass die Interpretation von Gasemissionen und seismischen Signalen in Verbindung mit Informationen über Schlotgeometrie, Magmenachse und Fließprofil erfolgen sollte. Werkzeuge zur Echtzeitanalyse von Scherzuständen könnten die Signalinterpretation verfeinern und helfen, trügerische Ruhephasen von tatsächlich entlasteten Systemen zu unterscheiden.
Technology and future studies
Zukünftige Arbeiten sollen Laborrheologie-Experimente mit hochauflösender Schlotbildgebung und verbesserter Echtzeitüberwachung koppeln. Fortschritte in der Fernerkundung (satellitengestützte Thermalinfrarotmessungen, Interferometrie), Infraschallanalysen und in Glasfaser-gestützten Dehnungsmessern (fiber-optic strain meters) könnten Strömungsregime detektieren, bei denen scherverursachte Entgasung wahrscheinlich ist. Ebenso werden Laborversuche mit natürlichen Schmelzzusammensetzungen und anderen Volatilen neben CO2 (z. B. H2O, SO2) die Schwellenwerte für Blasenbildung unter Scherung präzisieren.
Parallel dazu sollten numerische Modelle verfeinert werden, um nichtlineare Wechselwirkungen zwischen Viskosität, Temperatur, Kristallgehalt und Gaslöslichkeit abzubilden. Multiphysikalische Simulationen, die Fluiddynamik, Thermodynamik und Bruchmechanik kombinieren, ermöglichen eine realistischere Darstellung, wie sich Blasenkanäle bilden, stabil bleiben oder kollabieren. Solche Modelle sind entscheidend, um Prognosen in Echtzeit zu unterstützen und Unsicherheiten quantifizierbar zu machen.
Außerdem sind Feldstudien essentiell: Messkampagnen an aktiven Vulkanen, die Bohrungen, Temperaturprofile, Probenahmen und direkte Strömungsmessungen im Schlotbereich kombinieren, liefern die Validierung für Labor- und Modellarbeiten. Ferner könnten Experimente mit variabler Schlotform und heterogenen Begrenzungsflächen helfen zu verstehen, wie natürliche Unregelmäßigkeiten im Schlotverlauf die Scherfeldverteilung beeinflussen.
Expert Insight
„Diese Entdeckung schließt eine blinde Stelle in unserer Interpretation vulkanischen Verhaltens“, sagt Dr. Maya Reynolds, eine Vulkanologin, die mit Überwachungsagenturen zusammenarbeitet. „Scherung verändert den Zeitpunkt und den Ort des Blasenwachstums innerhalb eines Schlots. Das kann den Unterschied ausmachen zwischen einem Lavastrom, der Menschen Aufenthalte in der Nähe des Vulkans erlaubt, und einer überraschenden, explosiven Eruption, die Massenevakuierungen erzwingt. Die Einbeziehung von Scherung in prädiktive Modelle könnte Frühwarnungen verlässlicher machen.“
Über die Verbesserung von Gefahrenmodellen hinaus erinnert der Befund daran, dass interne Prozesse der Erde oft durch das Zusammenspiel von chemischer Physik und Fluidmechanik bestimmt werden. Eine scheinbar subtile Verschiebung in der Art, wie Schmelzen strömen, kann Kaskaden von Veränderungen in der Eruptionsdynamik auslösen.
Wenn Forschungsteams ihre Laborexperimente ausweiten, Simulationen verfeinern und Ergebnisse mit Feldmessungen koppeln, wird die Vulkanwissenschaft über ein reichhaltigeres Instrumentarium verfügen, um die nächste Eruption besser einzuschätzen. Die Kernbotschaft ist derzeit klar: Druck ist nicht der alleinige Schiedsrichter der Blasenbildung – die innere Bewegung des Magmas spielt mindestens eine ebenso wichtige Rolle.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das neu identifizierte Phänomen der scherverursachten Blasenbildung die gängigen Modelle der Magmadegasung ergänzt und erweitert. Für die Praxis bedeutet das, dass Überwachungskonzepte und Gefahrenanalysen um Parameter ergänzt werden sollten, die Strömungsprofile und Schlotgeometrien quantifizieren. Durch ein kombiniertes Vorgehen aus Beobachtung, Experiment und Simulation lässt sich das Risiko plötzlicher Eruptionswechsel besser einschätzen – zugunsten von Sicherheit, Vorsorgeplanung und wissenschaftlichem Verständnis.
Quelle: scitechdaily
Kommentar hinterlassen