Üppige, sanfte Hügel wiegen das stille Wasser des rumänischen St.-Anna-Sees, der in einem alten Krater aus dem Ausbruch des Vulkans Ciomadul ruht. Der Gipfel hat zuletzt vor etwa 30.000 Jahren seine Spitze gesprengt, und seine lange Ruhe hat viele zu der Annahme veranlasst, dass der Vulkan wahrscheinlich nicht wieder ausbrechen würde.
Aber wie sich herausstellt, können die Felsen Meilen unter dieser ruhigen Szene mit einer überraschenden Menge an Hitze schmoren. Eine kürzlich in Earth and Planetary Science Letters veröffentlichte Studie legt nahe, dass das System wahrscheinlich zwischen fünf und 14 Kubikmeilen Magma beherbergt, ein maximales Volumen von mehr als dem von 20.000 Großen Pyramiden von Gizeh.
Um klar zu sein, bedeutet dies nicht, dass ein Ausbruch notwendigerweise in der Zukunft des Vulkans liegt. Aber die Arbeit macht auf die potenziellen Gefahren von oft übersehenen Vulkanen aufmerksam, die seit Zehntausenden von Jahren leise köcheln.
„Wir betrachten bevorzugt aktive Vulkane — offensichtlich, weil sie Hinweise auf ein echtes Risiko zeigen“, sagt Studienautor Mickael Laumonier von der Université Clermont Auvergne, Frankreich. „Aber wir sollten andere relativ junge Vulkane nicht vergessen, denn sie könnten ein Risiko darstellen, das wir abschätzen sollten.“
Durch die Kombination von geophysikalischen und geochemischen Analysen mit numerischen Simulationen gibt die Studie den Forschern einen atemberaubenden Einblick in das, was sich unter Ciomandul zusammenbraut — und sie verspricht den Wissenschaftlern zu helfen, besser zu verstehen, wie sich ähnliche vulkanische Systeme im Laufe der Zeit entwickeln. (Erkunde die vulkanischen Titanen des Feuerrings.)
„All dies ist großartige Arbeit“, sagt Janine Krippner, Vulkanologin am Smithsonian Global Volcanism Program, die nicht an der Studie beteiligt war. Sie warnt jedoch davor, dass es eine unglaublich schwierige Aufgabe ist, die genauen Bedingungen meilenweit unter der Oberfläche auseinanderzuhalten.
„Wir sagen immer noch nicht, dass das der Fall ist“, sagt sie. „Es heißt, wir haben viele Daten, die zeigen, dass es das ist, was es sein könnte.“
Ewige Vulkanflammen
Zu jeder Zeit brechen mindestens 20 Vulkane auf der ganzen Welt aus. Aber es gibt noch viel mehr, die möglicherweise aktiv sein können – das Problem besteht darin, herauszufinden, welche. (Lesen Sie, wie Vulkane entstehen und der tödlichste Ausbruch in der Geschichte.)
Vulkane wie Ciomadul, die in den letzten 10.000 Jahren nicht ausgebrochen sind, werden oft als inaktiv bezeichnet. Diese Trennlinie sei jedoch etwas willkürlich, sagt Krippner.
Wenn es um Vulkane geht, „ist“erloschen“ein sehr zweifelhaftes Wort“, sagt sie. Einige Vulkane, wie der berüchtigte Yellowstone-Supervulkan, können zwischen den Eruptionen Hunderttausende von Jahren ruhen. (Finden Sie heraus, warum Yellowstone in einer Liste der gefährlichsten US-Vulkane nur auf Platz 21 steht.)
Ein Zeichen dafür, dass ein scheinbar ruhiger Vulkan das Potenzial für zukünftige Eruptionen hat, ist, wenn Volumen von geschmolzenem Gestein darunter verweilen, und frühere Studien in Ciomadul hatten angedeutet, dass dies der Fall sein könnte. Durch die Untersuchung der Art und Weise, wie seismische Wellen durch den Boden abprallen, entdeckten frühere Forscher einige Hinweise auf ein Magmareservoir. Untersuchungen der elektrischen Leitfähigkeit des Untergrunds — eine Eigenschaft, die von Bedingungen wie der Temperatur und dem Wassergehalt der Gesteine beeinflusst wird – deuteten ebenfalls darauf hin, dass die Zone zwischen drei und 17 Meilen tiefer mehr Brei als fest sein könnte.
Es war jedoch noch unklar, ob das Gestein wirklich geschmolzen war und wenn ja, wie viel Magma es geben könnte.
Beratung von Kristallrekordhaltern
Um diese Fragen zu beantworten, wandten sich Laumonier und seine Kollegen zunächst Gesteinen vergangener Vulkanausbrüche zu. Wenn Magma unter einem Vulkan sitzt, kühlt es sich langsam ab und bildet Kristalle, von denen einige als winzige mineralogische Aufzeichnungen fungieren und die Bedingungen, unter denen sie sich gebildet haben, aufzeichnen.
Zum Beispiel ändert eine Klasse von Mineralien, die als Amphibole bekannt sind, die Chemie in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck während der Kristallisation. Die Suche nach diesen Kristallen im ausgebrochenen Gestein hilft den Forschern, die Bedingungen dieses alten magmatischen Systems kennenzulernen.
Das Team kombinierte diese geochemischen Daten mit dem, was sie über die Dimensionen des Systems wussten, und führte numerische Simulationen durch, um zu bestimmen, wie schnell es im Laufe der Zeit abgekühlt sein könnte, und um zu sehen, wie die vulkanischen Rohrleitungen heute aussehen könnten. Das Ergebnis: Die Gesteine in der oberen Kruste unter dem Vulkan sind im Durchschnitt zu 15 Prozent geschmolzen, in einigen Regionen sogar zu 45 Prozent.
Das Team verifizierte dieses Ergebnis, indem es ein Modell erstellte, das auf Messungen der elektrischen Leitfähigkeit für zuvor ausgebrochene Gesteine bei unterschiedlichen Temperaturen, Drücken und Wassergehalten basierte. Dies half ihnen zu interpretieren, was zuvor in den elektrischen Leitfähigkeitsmessungen unter Ciomadul gesehen wurde.
Dieser zweite Ansatz ergab ein ähnliches Ergebnis, was darauf hindeutet, dass die Zone unter dem Vulkan tatsächlich zwischen 20 und 58 Prozent geschmolzen ist. Während dies ein großer Bereich für die Menge an Magma ist, die in den unterirdischen Rohren von Ciomadul verbleiben könnte, ergeben alle möglichen unterirdischen Bedingungen eine signifikante Menge an Schmelze für Ciomadul.
„Wir haben keine anderen Möglichkeiten, die geophysikalische Anomalie zu erklären“, sagt Laumonier.
Forscher glauben, dass ein Ausbruch möglich ist, wenn ein Vulkan mehr als etwa 45 Prozent geschmolzenes Gestein enthält. Darunter ist das „System alles von Kristallen eingeschlossen, und es kann nicht ausbrechen“, sagt Michael Ackerson, Kurator für Gesteine und Erze am Smithsonian National Museum of Natural History in Washington, DC.
Diese neueste Analyse legt nahe, dass ein Ausbruch in Ciomadul möglich sein könnte — aber das bedeutet nicht, dass es unvermeidlich ist.
Mushy plumbing
Wichtig ist, dass diese Studie auch der Frage nachgeht, wie solche Systeme tief im Inneren der Erde tatsächlich aussehen.
„Die traditionelle Trope einer Magmakammer ist dieser große, gigantisch bedrohlich aussehende, glühende Magmablock, der in der Kruste sitzt und ausbrechen und uns alle töten wird“, sagt Ackerson.
Aber die Forschung deutet zunehmend darauf hin, dass dies wahrscheinlich nicht der Fall ist. Stattdessen verbringen Magmareservoirs den größten Teil ihres Lebens damit, leise in der Kruste zu schmoren. Sie sind oft zumindest teilweise kristallisiert und bilden eine matschige, steinige Suppe mit unterschiedlichen Anteilen von Kristallen, die im gesamten System schmelzen. Dieses Verhältnis kann sich in der magmatischen Verteilung eines Vulkans zum nächsten drastisch unterscheiden.
Für Ciomadul glauben die Forscher, dass sich das geschmolzene Gestein in zwei Breizonen ansammelt: einer oberen Region zwischen drei und 11 Meilen Tiefe und einem unteren, heißeren Reservoir, das etwa 18,5 Meilen tiefer beginnt. Jede dieser Zonen besteht wahrscheinlich aus überlappenden Taschen aus geschmolzenem Material mit leicht unterschiedlicher Temperatur und Zusammensetzung. Im Moment ist unklar, wie sich die beiden Zonen genau verbinden, aber die neue magmatische Kartierung liefert immer noch wertvolle Informationen über das Innenleben dieses Vulkans.
„Dies ist ein neuer Datenpunkt in der Geschichte der globalen Magmen“, sagt Ackerson. „Dies ist ein spezifischer Vulkan zu einem bestimmten Zeitpunkt, und das wird uns helfen, ein viel breiteres, nuancierteres Bild davon zu bekommen, wie sich Magmen bilden und entwickeln.“