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Pfannkuchen aus Magma - Unterirdische Quellen von Mega-Eruptionen

31.10.2014

Wo kommen die gewaltigen Mengen an Material her, die bei extremen Eruptionen aus Vulkangebieten herausgeschleudert werden und riesige Krater (Calderas) hinterlassen?

Die gewaltigen Mengen an Lava, die bei extrem großen vulkanischen Eruptionen zutage gefördert und in die Atmosphäre geschleudert werden, lagern sich zuvor im Laufe von Jahrmillionen in der Erdkruste an. Solche Intrusivlager bestehen aus Magma, das in die Kruste einwandert und sich in einer Vielzahl horizontaler Magmakammern ablagert. Diese liegen wie ein Pfannkuchenstapel übereinander.


Blick vom Kraterrand auf die Toba-Caldera, Indonesien (Foto: Trond Ryberg, GFZ)


Horizontale Magmakammern unterhalb der Toba-Caldera,Indonesien (Abb. Ivan Koulakov)

Ein Team von Geoforschern aus Novosibirsk, Paris und Potsdam stellt dieses Ergebnis in der aktuellen Ausgabe von Science (31.10.2014) vor. Die Wissenschaftler beschäftigten sich mit der Frage, wo die gewaltigen Mengen an Material herkommen, die bei extremen Eruptionen aus Vulkangebieten herausgeschleudert werden und riesige Krater (Calderas) hinterlassen. Hier ist nicht die Rede von Vulkanausbrüchen der Größenordnung von Pinatubo oder Mount St. Helens, sondern es geht um Extremereignisse: Die Toba-Caldera in der Subduktionszone von Sumatra in Indonesien entstand bei einer der größten Vulkaneruptionen in der jüngeren Erdgeschichte. Vor circa 74000 Jahren wurde hier die gewaltige Menge von 2800 Kubikkilometern vulkanischen Materials in die Luft geschleudert, mit dramatischen globalen Folgen für Klima und Umwelt. Dabei bildete sich der 80 Kilometer lange Toba-See.

Die Geowissenschaftler wollten wissen: Wie konnten sich diese gigantischen Massen eruptionsfähigen Materials, die für die Bildung eines solchen Super-Vulkans erforderlich sind, in der Erdkruste ansammeln? War dies ein einzelnes Ereignis vor Tausenden Jahren oder kann sich so etwas wiederholen?

Die Forscher des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ installierten zur Untersuchung dieser Fragen im Gebiet der Toba-Caldera ein Seismometernetzwerk und stellten diese Daten über das GFZ-Datenarchiv GEOFON den beteiligten Wissenschaftlern zur Verfügung. GFZ-Wissenschaftler Christoph Sens-Schönfelder, einer der Autoren der Studie erklärt: „Mit einer neuen seismischen Methode konnten wir die interne Struktur des Magmareservoirs unterhalb der Toba-Caldera zu untersuchen. Wir konnten feststellen, dass die mittlere Erdkruste unter dem Toba-Supervulkan einen horizontalschichtigen Aufbau hat.“ Die Antwort liegt also in der Struktur des Magmareservoirs. Hier lagern in einer Tiefe unterhalb von 7 Kilometern über ein großes Raumvolumen verteilt magmatische Intrusivkörper in denen sich teilweise noch geschmolzenes Material befindet.

Neues seismologisches Verfahren
Es wurde bereits vermutet, dass die grossen Magmavolumen, die bei Super-Eruptionen gefördert werden, im Laufe von Millionen Jahren in Form von nacheinander gefüllten Intrusivlagern langsam akkumuliert werden. Das konnte jetzt durch die Ergebnisse des Feldexperiments bestätigt werden. Die Wissenschaftler unter Beteiligung des GFZ nutzten dazu ein neues seismologisches Verfahren. Sechs Monate lang zeichneten sie das seismische Rauschen auf, also die natürliche seismische Unruhe, die sonst eher als Störung gilt. Mit statistisch-stochastischen Verfahren werteten sie diese Daten aus und stellten fest, dass die Geschwindigkeit der seismischen Wellen von der Richtung abhängt, in der die Erdkruste deformiert wird. Oberhalb von sieben Kilometern Tiefe wurde durch die Ablagerungen während der letzten Eruption eine Zone niedriger Geschwindigkeiten gebildet. Unterhalb dieser Tiefe wird die seismische Anisotropie durch horizontale Magmenkörper verursacht, die das Magmareservoir wie einen Stapel Pfannkuchen aufbauen. Das bildet sich in den seismischen Daten ab.

Supereruptionen
Nicht nur in Indonesien, sondern auch in anderen Teilen der Welt gibt es solche Super-Vulkane, die zwar nur alle paar Hunderttausend Jahre ausbrechen, dafür aber gigantische Eruptionen mit sich bringen. Aufgrund der Größe ihrer Ausbrüche bilden diese Vulkane keine Berge, sondern zeigen sich durch den riesigen Einsturzkrater, der nach einer Eruption entsteht - der Caldera. Dazu gehören das Areal des Yellow-Stone-Parks, einige Andenvulkane und die Caldera des Lake Taupo in Neuseeland. Die vorgestellte Studie hilft, die Prozesse besser zu verstehen, die zu solchen Super-Eruptionen führen.

K. Jaxybulatov, N.M. Shapiro, I. Koulakov, A. Mordret, M. Landès, C. Sens-Schönfelder (2014): “A large magmatic sill complex beneath the Toba caldera”, Science Nr. 6209. Vol. 346, pp. 617-619, 31.10.2014; DOI: 10.1126/science.1258582

Kontakt:

Dr. Christoph Sens-Schönfelder

Tel. +49-331-288-28705,

email: sens-schoenfelder@gfz-potsdam.de

http://www.gfz-potsdam.de

Franz Ossing | GFZ Potsdam

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