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Magma aus der Ferne

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 03.11.2016 17:28

An der nordamerikanischen Westküste zieht sich wie auf einer Schnur aufgereiht eine Kette von Vulkanen, die vom US-Bundesstaat Oregon bis in die kanadische Provinz British Columbia reicht. Der bekannteste ist der Mount St. Helens, der am 18. Mai 1980 katastrophal ausbrach. Gerade er gab den Geologen bislang Rätsel auf, denn er tanzt aus der geographischen Vulkanreihe, weil er um 50 Kilometer nach Westen versetzt ist. In „Nature Communications“ liefern Geowissenschaftler aus New Mexico jetzt eine Erklärung.

Mount St. Helens ist den Geologen ein Rätsel – und das, obwohl sie ihn seit seinem katastrophalen Ausbruch im Mai 1980 so intensiv untersucht haben wie kaum einen anderen Vulkan der Erde. „Wenn man sich die Vulkankette des Kaskadengebirges im Nordosten der USA ansieht, verläuft sie ziemlich genau in Nord-Süd-Richtung und immer in weitgehend gleichem Abstand zur Subduktionszone“, sagt Brandon Schmandt, „nur der Mount St. Helens ist um 50 Kilometer nach Westen versetzt.“ Schmandt ist Professor an der Abteilung für Erd- und Planetenwissenschaften der Universität von New Mexico in Albuquerque und hat jetzt in „Nature Communications“ eine Erklärung für die ungewöhnliche Position des Vulkans geliefert: Der Vulkan bezieht sein Magma aus einer ein paar Dutzend Kilometer weiter östlich gelegenen Quellregion im Erdmantel.

Ein Blick auf Mount St. Helens mit einem Lahar (Schlammstrom) von 1980 im Mittelgrund. (Bild: Steven Hansen/UNM)Die gesamte Vulkankette der Kaskaden ist eine Folgeerscheinung der Plattenkollision, die sich unter dem Nordwesten der USA und Kanadas abspielt. Direkt vor der Küste tauchen mehrere ozeanische Krustenplatten unter der Nordamerikanischen Kontinentalplatte hinab ins Erdinnere. Bei diesem Tauchvorgang heizt sich das mit Wasser vollgesogene Plattengestein immer stärker auf. Das Wasser senkt die Schmelztemperatur, Magma entsteht, das aufsteigt. Der Mechanismus ist an allen Subduktionszonen aktiv, weshalb überall in gebührendem Abstand auch Vulkanketten zu finden sind. Nach gängiger Theorie ist der Mount St. Helens viel zu weit von der Hauptlinie der Vulkane entfernt „Wir würden erwarten, dass die Gesteine dort viel zu kalt sind, um zu schmelzen“, sagt Schmandt.

Steven Hansen (rechts) und seine Kollegen Tyler Grambling und Samantha Cafferkey am Mount St. Helens. (Bild: Steven Hansen/UNM)Schmandt hat mit seiner Arbeitsgruppe 2014 an iMUSH teilgenommen, einem aufwendigen seismologischen Experiment zur Durchleuchtung des berüchtigten Vulkans.  „Wir hatten ein ungewöhnlich dichtes seismologisches Messnetz aufgebaut, die Stationen waren im Durchschnitt nur ein paar hundert Meter voneinander entfernt“, erzählt der Wissenschaftler. Mit 25 Explosionen erzeugten die Teilnehmer des Großprojektes künstliche Erdbebenwellen, die durch den Vulkan liefen und von der Grenzschicht zwischen Erdmantel und Erdkruste reflektiert wurden. Die rund 1000 Seismometer des Netzwerks erstellten aus diesen Reflexionen ein bis in 80 Kilometer Tiefe hinabreichendes Bild des Vulkans. Aus diesen Daten haben Schmandt und seine Kollegen jetzt ihre Erklärung entwickelt.

Gipfel des Mount St. Helens im Jahr 2014. (Bild: Steven Hansen/UNM)Die Forscher konnten zwar keine direkten Temperaturangaben ableiten, doch die Intensität, mit der die künstlichen Erdbebenwellen zurückgestrahlt wurden, sagte ihnen genug. „Wir haben direkt unter dem Vulkan eine scharfe Änderung in unseren Daten beobachtet“, erläuterte Steven Hansen, Post-Doc in Brandon Schmandts Arbeitsgruppe und Hauptautor der Studie, „im Osten wurde viel Energie zurückgestrahlt, im Westen wenig.“ Für die Geologen ist das ein Zeichen dafür, dass sich direkt unterhalb des Vulkankegels die Zusammensetzung des Mantels ändert. Sie gehen davon aus, dass sich das Mantelmaterial im Westen von Peridotit in Serpentinit geändert hat. Peridotit ist das Hauptmineral des Erdmantels, es wandelt sich in Serpentinit um, wenn Wasser ins Spiel kommt.

Blick von Norden in den Krater des Mount St. Helens. (Bild: Steven Hansen/UNM)Genau das zeigt nach Meinung von Schmandt und Hansen der scharfe Wechsel unterhalb des Mount St. Helens. „Serpentinit verringert die Reflexion seismischer Wellen, wie wir es dort sehen“, erklärte Hansen, „er ist aber nur stabil bei Temperaturen unterhalb von 700 Grad.“ Etwas muss dort also Mantelgestein nach unten zum viel heißeren Erdmantel hin isolieren, so dass die Temperaturschwelle nicht erreicht wird. Die Erklärung: Die abtauchende Juan-de-Fuca-Platte hat einen Keil aus Mantelmaterial abgetrennt, in den Wasser aus der sich aufheizenden Platte aufsteigt. Das immer noch vergleichsweise kalte Krustengestein der ozeanischen Platte sorgt dafür, dass in dem Mantelkeil nur gemäßigte Temperaturen herrschen, so dass das wassergetränkte Material nicht schmilzt, sondern sich in Serpentinit umwandelt. Direkt unterhalb des Vulkankegels jedoch wird die Temperaturschwelle überschritten, bis zu der Serpentinit stabil ist, und schlagartig steigt die Rückstrahlung der seismischen Energie wieder an. „Es ist überraschend, wie scharf diese Grenze ist“, sagt Schmandt, „die Übergangszone ist nur fünf Kilometer dick.“

Wegen des nur 700 Grad warmen Mantelkeils direkt unter dem Kegel kann Magma nicht direkt aus dem Erdmantel in den Mount St. Helens aufsteigen, denn dafür sind die Temperaturen an der Mantel-Krustengrenze zu niedrig. Stattdessen bezieht der Vulkan sein Magma aus einer Quelle, die zwischen 20 und 50 Kilometer weiter östlich und damit genau in der Vulkanlinie liegt, die die Subduktionszone an der amerikanischen Westküste begleitet. „Es sieht so aus, als ob die Quellregion des Magmas irgendwo in der Nähe des Mount Adams liegt, einem 50 Kilometer östlich gelegenen Vulkan“, sagt Schmandt. Die Quellregion befindet sich tief im Erdinneren, in der Grenzregion zwischen Erdmantel und Erdkruste. Von dort fließt das Magma in Richtung des Mount St. Helens, wo es sich in einer zweiten Magmakammer in etwa drei bis zwölf Kilometer Tiefe direkt unter dem Vulkankegel sammelt. „Wir sind nicht sicher, was den Magmafluss steuert, aber es könnten Grenzen zwischen verschiedenen Stücken der kontinentalen Kruste sein“, so Schmandt. Über diese Gänge könnte ein im geologischen Maßstab regelmäßiger Nachschub an heißem Magma in ein Gebiet gelangen, das aufgrund der seismischen Daten für Vulkanismus viel zu kalt ist.