Eruptionshäufigkeit von Vulkanen Macht der Vesuv noch länger Siesta?

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Der Vesuv ist einer der bekanntesten Vulkane der Erde. Zuletzt war er 1944 ausgebrochen und schlummert seitdem tief. Neue Analysen von Vulkangestein geben nun Anhaltspunkte, ob dieser Zustand noch einige Jahrhunderte so bleibt.

Der Vesuv ist einer der gefährlichsten Vulkane Europas. Mehr als drei Millionen Menschen wohnen in seiner unmittelbaren Nähe, obwohl es in historischer und prähistorischer Zeit hin und wieder zu explosiven Ausbrüchen kam, welche ganze Siedlungen und Städte in der Nähe zerstörten. Die drängende Frage ist deshalb: Wann bricht der Vesuv wieder aus und wie stark könnte die Eruption sein?

Eine Forschergruppe der ETH Zürich hat dazu in Zusammenarbeit mit einem Team aus Italien die vier größten Ausbrüche des Vesuvs in den vergangenen 10.000 Jahren unter die Lupe genommen, um besser abschätzen zu können, ob sich in absehbarer Zeit ein gefährliches Ereignis anbahnen könnte.

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Granate im Vulkangestein untersuchen

In ihrer Studie bestimmten die Forscher um Erstautor Jörn-Frederik Wotzlaw und ETH-Professor Olivier Bachmann, das Alter von Granatkristallen, die in vulkanischen Ablagerungen zu finden sind. Dieses Mineral entsteht in der Gesteinsschmelze, die in der Magmakammer in der oberen Kruste unter dem Vesuv lagert. Kennt man das Alter dieses Halbedelsteins, kann man darauf schließen, wie lange Magma in diesem Reservoir verweilte, ehe sie vom Vulkan ausgespuckt wurde.

Granate sind für die Altersbestimmung von vulkanischem Auswurf ungewöhnlich und bisher kaum genutzt. Normalerweise verwenden Forscher Zirkone, die als winzige Begleitmineralien in vielen Magmagesteinen vorkommen. Magmen aus dem Vesuv jedoch sind zu basisch für die Auskristallisierung von Zirkonen. Sie enthalten dafür Granat, das zu einem ihrer Hauptbestandteile zählt.

Ursache plötzlicher Eruptionen

Explosionsartige Vulkanausbrüche durch winzige Kristalle

Um das Alter der Granatkristalle zu bestimmen, nutzten die Vulkanologen die radioaktiven Elemente Uran und Thorium. Beide werden in kleinen, jedoch nachweisbaren Mengen in das Kristallgitter von Granat eingebaut, wobei Uran bevorzugt wird. Über das Verhältnis der Isotope Uran-238 zu Thorium-230 können sie berechnen, wann die Mineralien auskristallisiert sind.

Die Granate für diese Untersuchung stammen alle aus Material, das die ETH-Forscher mithilfe von Kollegen der Universitäten Mailand und Bari vor Ort sammelten. Dazu suchten sie entsprechende Fundstellen auf, wo die Ablagerungen der vier erwähnten Eruptionen (s ergänzendes zu Thema) an der Oberfläche liegen und für die Probennahme gut zugänglich sind.

Tausendjähriger Schlaf des Vesuv

Anhand der Granat-Altersbestimmungen haben die Forscher gezeigt, dass die explosivsten Magmatypen des Vesuvs (so genannte phonolithische Magma), mehrere Tausend Jahre in einem Reservoir in der oberen Kruste verweilen, ehe der Einstrom von ursprünglicherer, heißerer Magma aus der unteren Kruste eine Eruption auslöst. Bei den zwei untersuchten prähistorischen Ausbrüchen gehen die Vulkanologen davon aus, dass die explosionsgefährliche phonolithische Magma rund 5.000 Jahre in der Kammer verweilte, vor den Eruptionen der historischen Zeit nur noch rund 1.000 Jahre.

Für alle Ausbrüche gilt: Die Verweildauer der phonolithischen Magma im Reservoir der oberen Kruste deckt sich mit den Ruhephasen des Vesuvs. „Wir halten es für wahrscheinlich, dass ein großer Körper aus phonolitischer Magma in der oberen Kruste das Aufsteigen von ursprünglicherer, heißerer Schmelze aus tiefer gelegenen Reservoiren blockiert hat“, sagt Studienleiter Bachmann.

Was einen Vulkan zum Ausbrechen bringt

Unter dem Vesuv liegen gleich mehrere Magmakammern, die miteinander verbunden sind. Die oberste Kammer ist allerdings die entscheidende für Eruptionen: Sie füllt sich in relativ kurzer Zeit mit Magma aus einer der unteren Kammern, beginnt auszukühlen und zu kristallieren. Das führt zu chemischen Veränderungen der Restschmelze.

Fachleute nennen diesen Reifungsprozess „magmatische Differenzierung“, und die differenzierte Magma des Vesuvs wird als phonolithisch bezeichnet. Irgendwann (möglicherweise in etwa gleichen zeitlichen Abständen) strömt primitivere, so genannt mafische Magma aus größerer Tiefe in die obere Kammer ein. Dadurch steigt dort der Druck stark an. Das zwingt den Phonolithen dazu aufzusteigen, gelegentlich bis an die Oberfläche – der Vulkan bricht aus.

Ein Reservoir für phonolithische Magma unterhalb des Vesuvs hat möglicherweise in den vergangenen 10.000 Jahren schon immer bestanden. Die Frage ist aber: Gibt es heute Magma-Reservoir, das eine gefährliche Eruption speisen könnte, wie sie vor 3.950 Jahren oder vor 1.940 Jahren bei Pompeij (79 n. Chr.) passiert ist?

Steht der nächste große Ausbruch bevor?

Aus seismischen Untersuchungen geht hervor, dass unterhalb des Vesuvs in sechs bis acht Kilometern Tiefe tatsächlich ein Reservoir vorhanden ist. Ob die darin enthaltene Magma aber aus mehr mafischer oder phonolithischer Magma zusammengesetzt ist, lässt sich mithilfe der Seismik nicht herausfinden. Da der Vesuv seit 1631 allerdings v. a. die primitivere, mafische Magma zu Tage gefördert hat, halten es die Forscher für unwahrscheinlich, dass sich derzeit ein differenzierter Phonolith staut und einen neuen Ausbruch vorbereitet.

„Der letzte große Ausbruch von 1944 war vor fast 80 Jahren, was der Beginn einer längeren Ruhephase sein könnte, während der sich differenzierte Magma ansammeln kann“, sagt Erstautor Wotzlaw. „Eine gefährliche Eruption, vergleichbar mit der von 79 n. Chr., braucht vermutlich eine deutlich längere Ruhephase“.

Tritt in den kommenden Jahrzehnten vorwiegend mafische Magma aus, könnte das ein weiterer Hinweis darauf sein, dass der festgestellte Magmakörper nicht aus differenzierter Magma besteht und dass derzeit kein solcher „Pfropfen“ unter dem Vesuv schlummert. „Wir halten es deshalb für wahrscheinlicher, dass eine große, explosive Eruption des Vesuvs erst nach einer Ruhephase von mehreren hundert Jahren auftreten würde“, sagt der Vulkanexperte Bachmann. „Zu kleineren, aber trotzdem sehr gefährlichen Ausbrüchen wie der von 1944 oder sogar der von 1631 kann es jedoch schon nach kürzeren Ruhephasen kommen“ ergänzt Wotzlaw. „Eine genaue Prognose der Größe und Art von Vulkanausbrüchen ist bis jetzt nicht möglich. Aber es ist möglich, das Wiedererwachen von Magmareservoiren unterhalb von Vulkanen durch Überwachung zu erkennen.“

Streng überwachter Schläfer

Um böse Überraschungen zu vermeiden, überwacht der italienische vulkanologische Dienst den Vesuv und seine Aktivitäten sowie die noch gefährlicheren Phlegräischen Felder westlich davon rund um die Uhr. So messen die Fachleute jedes Erdbeben rund um den Vulkan, analysieren die Gase, die aus Fumarolen austreten, und beobachten Bodenverformungen, die auf Aktivität im Untergrund hinweisen. Auch besteht ein Notfallplan, wie der Großraum Neapel zu evakuieren wäre, sollte das Monitoring ergeben, dass ein Ausbruch bevorsteht.

Originalpublikation: Wotzlaw J-F, Bastian L, Guillong M, et al. Garnet petrochronology reveals the lifetime and dynamics of phonolitic magma chambers at Somma-Vesuvius. Science Advances, 12 Jan 2022, Vol 8, Issue 2, DOI: 10.1126/sciadv.abk2184

* P. Rüegg, ETH Zürich, 8092 Zürich/Schweiz

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