Es ist nicht ungewöhnlich, dass einem Vulkanausbruch ein Schwarm kleiner Erdbeben vorausgeht. Sie können so schnell aufeinander folgen, dass sie ein Signal erschaffen, welches als harmonischer Tremor bezeichnet wird. Es erinnert an Klänge, die von verschiedenen Musikinstrumenten erzeugt werden – wenn auch mit viel niedrigen Frequenzen als der Mensch wahrnehmen kann.
Eine neue Analyse einer Eruptionssequenz des Vulkans Redoubt in Alaska vom März 2009 zeigt, dass der harmonische Tremor in deutlich höhere Frequenzen überging und dann kurz vor sechs Eruptionen plötzlich stoppte, wobei fünf der Eruptionen nacheinander auftraten. „Die Frequenz dieses Tremors ist ungewöhnlich hoch für einen Vulkan und sie kann von vielen gängigen Theorien nicht leicht erklärt werden“, sagte Alicia Hotovec-Ellis, eine Doktorandin der Geo- und Weltraumwissenschaften an der University of Washington.
„Die Dokumentation der Aktivität gibt Anhaltspunkte über den Druckaufbau eines Vulkans kurz vor einer Explosion. Das könnte Wissenschaftlern helfen, die Modelle zu verfeinern und besser zu verstehen, was während der Eruptionszyklen in Vulkanen wie dem Redoubt abläuft“, sagte sie. Die Quelle der Erdbeben und des harmonischen Tremors ist nicht genau bekannt. Einige Vulkane emittieren Schallwellen, wenn Magma – ein Gemisch aus geschmolzenem Gestein, gelösten Feststoffen und Gasblasen – in Resonanz gerät, während es durch dünne Risse in der Erdkruste nach üben drückt wird.
Aber Hotovec-Ellis glaubt, dass die Erdbeben und der harmonische Tremor in diesem Fall entstehen, wenn Magma unter hohem Druck durch einen schmalen Kanal in das Herz des Berges gezwungen wird. Das zähflüssige Magma haftet an der Gesteinsoberfläche innerhalb des Kanals, bis der Druck groß genug ist, um es nach oben zu drücken, wo es wieder steckenbleibt, bis der Druck es erneut hochdrückt.
Jede dieser plötzlichen Bewegungen resultiere in einem kleinen Erdbeben mit Magnituden von 0,5 bis 1,5, sagte sie. Während sich der Druck aufbaut, werden die Erdbeben schwächer und treten in solch schneller Abfolge auf, dass sie in einen beständigen harmonischen Tremor übergehen. „Weil zwischen jedem Erdbeben weniger Zeit verbleibt, haben sie nicht genug Zeit, um genug Druck für ein stärkeres aufzubauen“, sagte Hotovec-Ellis. „Nachdem die Frequenz in eine enorm hohe Frequenz übergegangen ist, stoppt es und dann explodiert es.“
Hotovec-Ellis ist die leitende Autorin einer kommenden Abhandlung im Journal of Volcanology and Geothermal Research, die die Forschungsarbeit beschreibt. Die Co-Autoren sind John Vidale von der University of Washington, sowie Stephanie Prejean und Joan Gomberg vom U.S. Geological Survey. Hotovec-Ellis ist außerdem Co-Autorin einer zweiten Studie, die am 14. Juli 2013 online in Nature Geoscience veröffentlicht wurde. Diese Studie erläutert ein neues „Frictional-Faulting“-Modell (etwa: reibungsbedingter Bruch) als Instrument, um den 2009 beobachteten Tremor-Mechanismus des Vulkans Redoubt zu beurteilen. Die leitende Autorin dieser Studie ist Ksenia Dmitrieva von der Stanford University. Weitere Co-Autoren sind Stephanie Prejean und Eric Dunham von der Stanford University.
Die Pause beim Frequenzanstieg des harmonischen Tremors kurz vor der vulkanischen Explosion ist das Hauptthema der Studie in Nature Geoscience. „Wir denken, dass die Pause entsteht, wenn sogar die Erdbeben es nicht mehr aufhalten können und die beiden Seiten des Risses sich langsam aneinander entlang schieben“, sagte Hotovec-Ellis.
Sie dokumentierte die ansteigende Tremorfrequenz, die bei einem Hertz (oder Zyklus pro Sekunde) begann und dann auf etwa 30 Hertz anstieg. Für Menschen beginnt der hörbare Frequenzbereich bei ungefähr 20 Hertz, aber eine Person, die auf dem Boden direkt über dem Magmakanal liegt, könnte in der Lage sein, den harmonischen Tremor zu hören, wenn er seinen höchsten Punkt erreicht. Das ist aber kein Vorhaben, das sie empfehlen würde, weil dem Tremor kurz darauf eine Explosion folgt.
Wissenschaftler vom Alaska Volcano Observatory des USGS haben den harmonischen Tremor mit der höchsten Frequenz am Vulkan Redoubt als „The Screams“ („Die Schreie“) bezeichnet, weil sie vergleichen mit dem Startpunkt bei 1-5 Hertz eine so hohe Tonhöhe erreichen. Hotovec-Ellis machte zwei Aufnahmen der seismischen Aktivität: Eine 10-Sekunden-Aufnahme deckt etwa zehn Minuten der seismischen Klänge und des harmonischen Tremors ab, 60-fach schneller abgespielt. Eine einminütige Aufnahme umfasst ungefähr eine Stunde Aktivitäten mit mehr als 1.600 kleinen Erdbeben, die der ersten Explosion mit einem harmonischen Tremor vorausgingen.
http://soundcloud.com/uw-today/redoubtscream
10-sekündige Aufnahme des harmonischen Tremors. (University of Washington / Alicia Hotovec-Ellis)
http://soundcloud.com/uw-today/redoubtdrumbeats
Diese 1-minütige Aufnahme umfasst eine Stunde Aktivität. (University of Washington / Alicia Hotovec-Ellis)
Der ansteigende Tremor kurz vor einer vulkanischen Explosion wurde auch am Vulkan Arenal in Costa Rica und am Soufrière Hills auf der Karibikinstel Montserrat dokumentiert. „Redoubt ist einzigartig, weil er viel deutlicher zeigt, was in ihm abläuft“, sagte Hotovec-Ellis. „Ich glaube, der nächste Schritt wird sein zu verstehen, warum die Belastungen so hoch sind.“
Die Arbeit wurde teilweise vom USGS und der National Science Foundation finanziert.
(THK)
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