Supervulkane können mehrere hundert Mal mehr Magma freisetzen, als während der Eruption des Mount St. Helens im Jahr 1980 ausgestoßen wurde. Sie befinden sich auch in bewohnten Gebieten auf der ganzen Welt, darunter im Westen der Vereinigten Staaten. Eine neue Studie gibt Einblicke in das, was geschehen könnte, wenn einer dieser kolossalen Vulkane explodiert.
Die Forschungsarbeit konzentriert sich auf die Silver Creek Caldera, die im Grenzgebiet von Kalifornien, Nevada und Arizona liegt. Als dieser Supervulkan vor 18,8 Millionen Jahren ausbrach, überflutete er Teile aller drei Bundesstaaten mit flussähnlichen Strömen aus heißer Asche und Gas, die als pyroklastische Ströme bezeichnet werden. Diese Ströme aus vulkanischem Material legten riesige Entfernungen zurück – mehr als 160 Kilometer. Die neue Studie lässt darauf schließen, dass die pyroklastischen Ströme der urzeitlichen Eruption in Form langsamer, dichter Ströme abliefen und nicht die Form schneller Jets, wie einige Experten bisher annahmen.
Die Forschung kombiniert neue Laborexperimente mit Felddaten aus den 1980er Jahren (einige davon auf farbenfrohen Kodachrome-Dias festgehalten), um zu zeigen, dass die Ströme aus Asche und Gas, welche von der Silver Creek Caldera ausgingen, wahrscheinlich mit mäßigen Geschwindigkeiten zwischen 16 und 72 Kilometern pro Stunde flossen. „Intuitiv würden die meisten von uns denken, dass die pyroklastischen Ströme mit sehr hohen Geschwindigkeiten begonnen haben müssen, um so weite Distanzen zurückzulegen“, sagte Co-Autor Olivier Roche. „Aber das stimmt nicht mit dem überein, was wir fanden.“
Die Studie wurde am 7. März 2016 im Journal Nature Communications veröffentlicht und von Roche (Blaise Pascal University, Frankreich), David C. Buesch (United States Geological Survey) und Greg A. Valentine (University at Buffalo, New York) durchgeführt. Forschungen über pyroklastische Ströme seien wichtig, weil sie bei der Vorbereitung auf Katastrophen helfen können, sagte Valentine, ein Professor für Geologie und Direktor des Center for GeoHazard Studies am College of Arts and Sciences.
„Wir wollen diese pyroklastischen Ströme verstehen, so dass wir ihr Verhalten gut vorhersagen können, wenn ein Vulkan ausbricht“, sagte er. „Die Eigenschaften und Geschwindigkeit der Ströme werden beeinflussen, wie viel Zeit man hat, um sich aus ihrer Bahn zu entfernen, obwohl die einzig wirklich sichere Möglichkeit eine Evakuierung vor Beginn eines Stroms ist.“
Neue und alte Daten erzählen die Geschichte eines Supervulkans
Die neue Studie favorisiert eine von zwei konkurrierenden Theorien darüber, wie pyroklastische Ströme lange Distanzen zurücklegen können. Eine Lehrmeinung besagt, dass die Ströme turbulenten, heißen, schnellen Sandstürmen gleichen sollten, die hauptsächlich aus Gas und nur aus wenigen Partikeln bestehen. Der anderen Theorie zufolge sollten die Ströme dicht und ähnlich einer Flüssigkeit sein, mit verdichtetem Gas zwischen den Ascheteilchen. Die neue Arbeit unterstützt das letztere Modell, das für viele pyroklastische Ströme anhaltende Emissionen von Vulkanen erfordert.
Die Erkenntnisse basieren auf zwei Datensätzen: Zum einen auf Ergebnissen aus neuen Laborexperimenten, die Roche durchführte, um das Verhalten pyroklastischer Ströme zu simulieren. Zum anderen auf Informationen, die Buesch und Valentine in den 1980er Jahren vor Ort an der Silver Creek Caldera sammelten, als sie Doktoranden an der University of California in Santa Barbara waren. Ergänzt wurden die Daten durch kürzliche Feldforschung.
„Ich sage Studenten immer, dass sie sich während der Feldarbeit gute Aufzeichnungen machen sollen, weil man nie weiß, wann sie nützlich sein könnten“, sagte Valentine. Er besitzt einen dicken Ordner voller Kodachrome-Dias, die er an der Silver Creek Caldera machte. Die von ihm und Buesch gesammelten Daten umfassten Fotos und Aufzeichnungen, die die Größe, Art und Position von Steinen dokumentierten, welche durch pyroklastische Ströme während der Eruption vom Boden angehoben und über kurze Distanzen transportiert wurden.
Viele der von den beiden Forschern untersuchten Steine waren relativ groß – zu groß, um von sandsturmähnlichen pyroklastischen Strömen bewegt worden zu sein, die schwere Objekte nicht einfach anheben können. Wahrscheinlich sind für die von Buesch und Valentine beobachteten Gesteinsmuster dichtere Ströme verantwortlich, die große Steine leichter bewegen können. Um festzustellen, wie schnell sich diese dichten Ströme fortbewegt haben könnten, als die Silver Creek Caldera vor 18,8 Millionen Jahren ausbrach, stützte sich das Team auf ein Modell, das von Roche im Rahmen seiner Experimente entwickelt wurde.
In seinen Experimenten untersuchte Roche, was geschieht, wenn ein Gemisch aus Gas und Partikeln, das einen dichten pyroklastischen Strom darstellt, über einen Boden aus Kügelchen fließt. Er stellte fest, dass schnellere Ströme in der Lage waren, schwerere Kügelchen anzuheben und zu bewegen und dass es einen Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit eines Stroms und dem Gewicht der durch ihn bewegbaren Kügelchen gab.
Ausgehend von Roches Modell bestimmten die Wissenschaftler, dass die urzeitlichen pyroklastischen Ströme des Supervulkans mit Geschwindigkeiten zwischen fünf und 20 Metern pro Sekunde (ca. 16-72km/h) hätten fließen müssen, um Steine aufzunehmen, die so schwer wie die von Buesch und Valentine dokumentierten Exemplare waren. Es sei unwahrscheinlich, dass die Ströme viel schneller flossen, weil größere Steine in der Landschaft unbewegt blieben, sagte Valentine.
Die Ergebnisse könnten laut Valentine breite Anwendbarkeit finden, wenn es zu Supereruptionen kommt. Er betonte, dass die Muster der Gesteinsablagerungen um einige andere Supervulkane stark jenen an der Silver Creek Caldera gleichen.
(THK)
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