Veränderungen der Magmatemperatur führen zu Unterschieden bei vulkanischen Explosionen

Warum weisen manche Vulkane, die sich äußerlich ähneln, ein sehr unterschiedliches Eruptionsverhalten auf? Die Antwort könnte laut einer neuen Studie unter der Leitung der Universität Manchester in den thermischen Prozessen im Magma liegen.

Die Ergebnisse tragen dazu bei, eine seit langem geführte Debatte darüber zu klären, wie sich die thermische Entwicklung des Magmas auf die Kristallisation vor und während von Eruptionen auswirkt.

Verzögerte Kristallbildung

Bei der Untersuchung des Magmas aus dem Tajogaite-Ausbruch von 2021 auf La Palma (Spanien) stellten Forscher fest, dass „Überhitzung“ die Kristallbildung erheblich verzögern kann, während das Magma zur Erdoberfläche aufsteigt.

Bei der Überhitzung wird das Magma auf eine Temperatur erhitzt, die über der Temperatur liegt, bei der Kristalle stabil sind. Die Studie zeigt, dass hohe Temperaturen bereits vorhandene kleine Kristallkeime auflösen können, die normalerweise die Kristallbildung in Gang setzen.

Durch die Überhitzung verändert sich auch die innere Struktur des Magmas. Es wird homogener und weniger anfällig für die Keimbildung bzw. das Wachstum neuer Kristalle. Dies beeinflusst, wie schnell das Magma aufsteigt und wie leicht vulkanische Gase entweichen können; beides spielt eine wichtige Rolle dabei, wie explosiv der Ausbruch ausfallen wird.

„Bislang haben wir die Dynamik des Kristallwachstums bei Magmen, denen kurz vor ihrem Aufstieg überhitzte Substanzen zugeführt wurden, nicht vollständig verstanden. Doch mithilfe unseres spannenden, neu entwickelten röntgendurchlässigen Druckbehälters in Kombination mit Synchrotron-Röntgenmikrotomographie können wir diese Prozesse nun tatsächlich ‚in situ‘ beobachten.“

Vulkanische Bedingungen im Labor

Im Labor haben Forscher mithilfe von Magma aus dem Tajogaite-Ausbruch vulkanische Bedingungen nachgestellt; dieses Magma könnte vor dem Ausbruch und während des Aufsteigens einer gewissen Überhitzung ausgesetzt gewesen sein.

Mithilfe der Synchrotron-Röntgenmikrotomographie bei Diamond Light Source konnten sie die Kristallisation in Echtzeit beobachten. In Kombination mit Daten aus Ex-situ-Experimenten in Prag, die längere Beobachtungszeiten ermöglichten, verfolgte das Team die Kristallisationsprozesse unter kontrollierten Bedingungen bei hohen Temperaturen und hohem Druck.

Experimente ergaben, dass Magma, das keiner Überhitzung ausgesetzt war, bereits nach etwa 20 Minuten zu kristallisieren begann. Bei überhitztem Magma setzte die Kristallisation erst nach mehr als acht Stunden ein.

Die Forscher haben die experimentell gemessenen Keimbildungsverzögerungen in numerische Modelle des Magmaaufstiegs einbezogen; diese Simulationen sagen voraus, wie sich Magma bewegt und entwickelt, während es durch die Erdkruste strömt.

Lange Kristallisationspausen können dazu führen, dass Magma schnell aufsteigt, während es noch relativ flüssig ist, was möglicherweise zu spektakulären Lavafontänen führen kann. Im Vergleich dazu ist Magma, das früher kristallisiert, zähflüssiger und steigt langsamer auf, wodurch den Gasen mehr Zeit zum Entweichen bleibt, was zu einem sanfteren effusiven Verhalten führt.

„Aktuelle Modelle zur vulkanischen Gefährdung konzentrieren sich in der Regel auf die Magmachemie, den Gasgehalt und Druckveränderungen“, sagt Dr. Margherita Polacci, Dozentin für Vulkanologie in Manchester.

„Diese Arbeit legt nahe, dass die thermische Entwicklung vor dem Ausbruch und die Kristallisationskinetik ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Steuerung des Magmaaufstiegs und des Eruptionsverhaltens spielen könnten, was Auswirkungen auf die Bewertung vulkanischer Gefahren hat.“