Entstehung eines riesigen Unterwasser-Vulkans vor den Komoren

Dr. Simone Cesca arbeitet in der Sektion 2.1: Erdbeben- und Vulkanphysik an der Modellierung der Magmenbewegung. Foto: Privat

Vor der Insel Mayotte im indischen Ozean ist 2018 ein neuer submariner Vulkan entstanden. Das hat eine ozeanographische Kampagne im Mai 2019 gezeigt. Jetzt beleuchtet ein internationales Team unter der Leitung des Wissenschaftlers Simone Cesca vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ die Prozesse tief im Erdinnern vor und während der Bildung des neuen Vulkans.

Es ist, als hätten die Forschenden einen neuen Typ von Signalen aus dem Erdinnern entschlüsselt, die auf eine dramatische Bewegung geschmolzener Gesteine vor dem Ausbruch hinweisen.

Mit ihren eigens dafür entwickelten seismologischen Methoden rekonstruieren die Forschenden die Teilentleerung eines der tiefsten und größten jemals entdeckten, aktiven Magma-Reservoirs im oberen Erdmantel. Die Studie wird in der Zeitschrift „Nature Geoscience“ veröffentlicht.

Seit Mai 2018 wurde vor der Insel Mayotte im Komoren-Archipel zwischen Afrika und Madagaskar eine ungewöhnliche Folge von Erdbeben registriert. Die seismische Aktivität begann mit einem Schwarm tausender scheinbar tektonischer Erdbeben, der mit einem Beben der Magnitude 5.9 im Mai 2018 seinen Höhepunkt erreichte.

Insbesondere seit Juni 2018 war allerdings eine ganz neue Form von Erdbebensignalen aufgetreten, die so stark waren, dass sie in bis zu tausend Kilometern Entfernung aufgezeichnet werden konnten.

Diese 20 bis 30 Minuten langen Signale zeichnen sich durch besonders harmonische, tiefe Frequenzen aus, nahezu monochromatisch, ähnlich wie bei einer großen Glocke oder einem Kontrabass, und werden Very Long Period (VLP) Signale bezeichnet. Obgleich das Zentrum der seismischen Aktivität fast 35 Kilometer vor der Küste im Osten der Insel lag, hatte zeitgleich mit dem Einsatz der massiven Schwärme von VLP-Ereignissen eine kontinuierliche Absenkung und Ostverschiebung des Erdbodens auf Mayotte begonnen, die sich bis heute auf fast 20 cm aufsummiert hat.

Obwohl sich im Epizentrum der seismischen Aktivität keine Hinweise auf früheren Vulkanismus ergaben, hatten die Wissenschaftler des GFZ von Anfang an magmatische Prozesse vermutet, da Bebenschwärme in der oberen Erdkruste oft als Reaktion auf den Aufstieg von Magma entstehen und VLPs in früheren Jahren im Zusammenhang mit dem Kollaps von großen Caldera-Vulkanen einhergingen. Der spezielle Frequenzgehalt der VLP Signale entsteht dabei durch die Resonanzschwingung der vergrabenen Magmakammer. Je tiefer die Schwingungen sind, desto größer ist das Magmareservoir. Allerdings lagen die Bebenschwärme unter dem Ozeanboden viel tiefer als bei anderen Vulkanen und die Resonanztöne der VLPs waren ungewöhnlich tief und stark.

Ein internationales Team unter der Leitung des GFZ-Wissenschaftlers Simone Cesca analysierte seismologische und geodätische Daten aus der Region, um diese Beobachtungen und ihre zeitliche Entwicklung zu untersuchen. Die Untersuchungen waren allerdings dadurch erschwert, dass es am Ozeanboden kein seismisches Messnetz gab und damit nur Messungen in großen Entfernungen auf Mayotte, Madagaskar und in Afrika vorlagen. „Wir haben versucht, die ungünstige Ausgangssituation über die Entwicklung von speziellen, neuen Analysemethoden wie Cluster- und Richtstrahlverfahren zu verbessern“, sagt Cesca.

Das Team identifizierte verschiedene Aktivitätsphasen innerhalb der Sequenz von Ereignissen seit Mai 2018 bis heute. Die anfängliche Schwarmbebenphase signalisierte eine schnelle, nach oben gerichtete Bewegung von Magma aus einem tiefen Mantelreservoir mehr als 30 Kilometer unter der Erdoberfläche. Sobald sich ein offener Kanal vom Erdmantel bis zum Meeresboden gebildet hatte, begann das Magma, ungehindert auszufließen und einen neuen Unterwasservulkan zu bilden. Eine französische ozeanographische Kampagne bestätigte kürzlich die Geburt des submarinen Vulkans, dessen Standort mit dem rekonstruierten Magmaaufstieg übereinstimmt.

In dieser Phase nahm die scheinbar tektonische Erdbebenaktivität wieder ab, während jedoch die Absenkung des Erdbodens auf der Insel Mayotte einsetzte. Ebenso setzen jetzt die monofrequenten und langanhaltenden VLP Signale ein.

„Wir interpretieren das als ein Zeichen des Zusammenbruchs der tiefen Magmakammer vor der Küste Mayottes“, erklärt Eleonora Rivalta als Ko-Autorin des Teams von Forschenden. „Es handelt sich um das bis heute tiefste (rund dreißig Kilometer) und größte Magmareservoir im oberen Erdmantel (mehr als 3,4 Kubikkilometer), das sich abrupt zu entleeren beginnt“.

„Da der Meeresboden etwa drei Kilometer unter der Wasseroberfläche liegt, hat von dem enormen Ausbruch fast niemand etwas mitbekommen. Allerdings gibt es bis heute auch mögliche Gefahren für die Insel Mayotte, da die Erdkruste über dem tief liegenden Reservoir weiter einbrechen und dabei stärkere Erdbeben auslösen könnte“ sagt Torsten Dahm, Leiter der Sektion Erdbeben und Vulkanphysik am GFZ.

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG gefördert.

Dr. Simone Cesca
Simone.Cesca@gfz-potsdam.de

Dr. Eleonora Rivalta
Eleonora.Rivalta@gfz-potsdam.de

Prof. Dr. Torsten Dahm
torsten.dahm@gfz-potsdam.de

Cesca, S., et al.: Drainage of a deep magma reservoir near Mayotte inferred from seismicity and deformation. In: Nature Geoscience 2020. DOI: 10.1038/s41561-019-0505-5

https://www.nature.com/articles/s41561-019-0505-5 (Link zur Originalstudie; erst aktiv nach Ende des Embargos)

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