LMU-Wissenschaftler rekonstruieren erstmals direkt die Bedingungen in aktivem Magmareservoir
Münchener Vulkanologen analysieren erstarrtes Magma aus isländischer Bohrung und entdecken überraschende Entgasungsprozesse.
Ein internationales Forschungsteam der Ludwig-Maximilians-Universität München hat einen bedeutenden Durchbruch in der Vulkanforschung erzielt. Erstmals konnten Wissenschaftler die Bedingungen in einer aktiven Magmakammer direkt rekonstruieren und dabei aufzeigen, wie sich glühende Gesteinsschmelze auf Bohrungen reagiert. Die bahnbrechenden Erkenntnisse wurden im renommierten Fachmagazin Nature veröffentlicht.
Der wissenschaftliche Erfolg geht auf einen glücklichen Zufall zurück: 2009 stieß eine Bohrung des Iceland Deep Drilling Project 1 (IDDP-1) im Krafla-Vulkanfeld in Nordost-Island unerwartet auf ein Magmareservoir in nur etwa zwei Kilometern Tiefe. Ursprünglich sollte die Bohrung das geothermische Potenzial der Region für das Krafla-Geothermiekraftwerk erschließen.
"Als die Bohrung auf das Magma traf, kam ein Teil der Schmelze mit kalter Bohrflüssigkeit in Berührung und erstarrte sofort zu Glassplittern", erklärt Dr. Janine Birnbaum, die federführende Vulkanologin des LMU-Forschungsteams. Diese ungewöhnlichen Proben ermöglichten es den Wissenschaftlern, erstmals einen direkten Blick in die Prozesse einer aktiven Magmakammer zu werfen.
Bei der Analyse der Glassplitter stießen die Forscher auf ein unerwartetes Phänomen: Obwohl das erstarrte Material viele kleine Blasen enthielt, war der Gehalt an gelösten Gasen deutlich geringer als unter den erwarteten Temperatur- und Druckbedingungen des Magmareservoirs zu erwarten gewesen wäre.
"Es war wie ein verwischtes Bild", beschreibt Birnbaum die anfängliche Verwirrung. "Doch wenn wir wissen, wie sich das System mit der Zeit verändert, können wir zurückrechnen, wie es ursprünglich aussah." Diese Erkenntnis führte zur Entwicklung eines völlig neuen numerischen Modells, das die dynamischen Prozesse während der Bohrung simuliert.
Das von den Forschern entwickelte Modell offenbarte einen faszinierenden Prozess: Das Magma reagierte auf die Bohrung und begann sofort zu entgasen, noch bevor es vollständig zu Glas erstarrte. Frühere Messungen hatten bereits gezeigt, dass es mehrere Minuten dauert, bis das Magma von seiner ursprünglichen Temperatur von etwa 900 Grad Celsius auf etwa 520 Grad Celsius abkühlt.
In dieser kritischen Zeitspanne von weniger als fünf Minuten entwich das Gas aus der Schmelze und bildete die charakteristischen Blasen im späteren Glas. "Das fehlende Gas war während dieser wenigen Minuten Bohrzeit entwichen", fasst Birnbaum die Erkenntnisse zusammen.
Die Forschungsergebnisse liefern wichtige Einblicke in die fundamentalen Prozesse vulkanischer Systeme. Magma wandert langsam aus den Tiefen der Erde an die Oberfläche und kommt in der Erdkruste oft vorübergehend zum Stillstand. Dort kann es Jahre, Jahrzehnte oder sogar Jahrtausende verweilen.
Während dieser Zeit durchläuft das Magma kontinuierliche Veränderungen: Es kühlt ab, kristallisiert, nimmt Gestein aus der umgebenden Erdkruste auf und verliert oder gewinnt gelöste Gase – vor allem Wasser und Kohlendioxid. Diese Gase sind die eigentlichen Antreiber vulkanischer Eruptionen.
Zur Eruption kommt es schließlich, wenn das Magmasystem gestört wird – etwa durch Wärmezufuhr, neues Magma aus der Tiefe oder die Bildung von Gasblasen. Der Vergleich mit einer überhitzten Getränkedose verdeutlicht den Prozess: Das System bläht sich auf und platzt schließlich.
Die neuen Erkenntnisse haben weitreichende Implikationen für die Vulkanologie. Um vulkanische Aktivität genau vorherzusagen, ist es entscheidend, das Magma zu charakterisieren, bevor ein Ausbruch unmittelbar bevorsteht. Detaillierte Informationen über Temperatur, Druck und Gasgehalt des Magmas in der Erdkruste sind dabei von zentraler Bedeutung.
Das Problem: Magma liegt meist tief unter der Erdoberfläche und ist für direkte Messungen nicht zugänglich. Die isländische Bohrung bietet daher eine einzigartige Gelegenheit, die Prozesse in Magmakammern direkt zu untersuchen und zu verstehen.
Die Forschungsergebnisse haben auch praktische Anwendungen jenseits der reinen Wissenschaft. Nach Überzeugung der Forscher können die Erkenntnisse dazu beitragen, zukünftige Arbeiten in geothermischen Feldern auf aktiven Vulkanen sicherer zu gestalten.
Gleichzeitig ebnen sie den Weg für gezielte Bohrungen in Magma – sowohl zur Überwachung vulkanischer Aktivität als auch zur Energiegewinnung. Island ist bereits heute Vorreiter bei der Nutzung geothermischer Energie und deckt einen Großteil seines Energiebedarfs aus dieser nachhaltigen Quelle.
Das Krafla-Vulkanfeld in Nordost-Island erweist sich als ideales natürliches Labor für vulkanologische Forschung. Die Region ist bekannt für ihre intensive geothermische Aktivität und die ungewöhnlich oberflächennahe Lage von Magmareservoiren.
Die besondere geologische Situation Islands, wo die Kontinentalplatten auseinanderdriften und neue Erdkruste entsteht, schafft einzigartige Bedingungen für die Erforschung vulkanischer Prozesse. Die Insel liegt direkt auf dem Mittelatlantischen Rücken und ist geprägt von einer Vielzahl aktiver Vulkansysteme.
Die Studie der LMU-Forscher markiert einen wichtigen Meilenstein in der Vulkanforschung, wirft aber gleichzeitig neue Fragen auf. Die Wissenschaftler planen weitere Untersuchungen, um ihre Modelle zu verfeinern und die Erkenntnisse auf andere vulkanische Systeme zu übertragen.
Besonders interessant ist die Möglichkeit, die entwickelten Methoden für die kontinuierliche Überwachung von Vulkanen einzusetzen. Dies könnte die Vorhersage vulkanischer Aktivität erheblich verbessern und damit zum Schutz der Bevölkerung in vulkanisch aktiven Gebieten beitragen.
Die internationale Zusammenarbeit bei dieser Forschung zeigt auch, wie wichtig der wissenschaftliche Austausch für das Verständnis globaler geologischer Prozesse ist. Die Erkenntnisse aus Island könnten Anwendung bei Vulkanen weltweit finden – von den Anden über den Pazifischen Feuerring bis hin zu den Vulkanen des Mittelmeerraums.