ROTTnROCK
Die Vulkan-Wächter
Ein interdisziplinäres Team um den Vulkanologe Thomas Walter vom Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ untersucht auf neuartige Weise, wie die Hänge von Vulkanen ins Rutschen geraten können oder es zu plötzlichen Eruptionen kommt. Eine wichtige Rolle spielen dabei chemische Abbauprozesse im Gestein. Die Forschenden hoffen, dass sich auf dieser Basis sogar ein effizientes Frühwarnsystem entwickeln lässt.
Als Mitte November 2023 auf Island der Ausbruch eines Vulkans unmittelbar bevorzustehen schien, fieberten in Deutschland unzählige „Tagesschau“-Zuschauerinnen und Zuschauer vor dem Bildschirm mit. Die 4000 Einwohner von Grindavík wurden evakuiert und unweit des Orts floßen bald darauf gewaltige Lavamassen aus der Erde. Allerdings sind die Gefahren durch solche Eruptionen nicht nur auf Island enorm. „Über 800 Millionen Menschen leben im Umfeld von aktiven Vulkanen“, sagt der Vulkanologe Thomas Walter vom Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ.
Der Stratovulkan Lastarria ist 5.697 Meter hoch und liegt der an der Grenze zwischen Chile und Argentinien. Foto: GFZ/ Thomas Walter
Mitte des 19. Jahrhunderts begannen Forschende, Vulkane genauer zu untersuchen. In erster Linie wollten sie erkunden, wie sich Eruptionen und andere Gefahren ankündigen. Doch trotz aller Fortschritte in Wissenschaft und Technik kommt es da bis heute oft zu bösen Überraschungen: Allein in den vergangenen zehn Jahren führten von Vulkanen ausgelöste Naturkatastrophen weltweit zu Schäden von rund 4,5 Milliarden Euro. Im Rahmen des interdisziplinären Forschungsprojekts „ROTTnROCK“ wollen Fachleute um den GFZ-Wissenschaftler Thomas Walter nun entschlüsseln, wodurch Eruptionen ausgelöst werden, die Hänge von Vulkanen ins Rutschen geraten oder Verwerfungen plötzlich aktiv werden.
Früher ging man davon aus, dass Druckveränderungen im Inneren von Vulkanen dahinter stecken. Nun aber rückt ein anderer Faktor in den Fokus. „Wir haben festgestellt, dass hydrothermale Alteration die Festigkeit von Gesteinen und ihre Durchlässigkeit für Flüssigkeiten verändert“, erklärt Walter. „Solche schleichenden Prozesse im Inneren von Vulkanen wurden lange kaum beachtet. Sie können jedoch eine der wesentlichen Ursachen für unerwartete Gefahren sein.“ Gemeinsam mit führenden Fachleuten aus Irland, Schweden und Frankreich geht Teamleiter Walter diesem Phänomen nun auf den Grund. Die EU fördert das Projekt mit einem ERC-Grant über zehn Millionen Euro.
Tatio-Geysir. Foto: GFZ/ Walter Thomas
Der Name „ROTTnROCK“ („verfaulter Fels“) hört sich kraftvoll und dynamisch an – nach Rock‘n‘Roll. Aber kann Gestein überhaupt verfaulen? „In gewisser Weise ja“, sagt der Vulkanologe. Ähnlich wie eine überreife Tomate durch die Einwirkung von Mikroorganismen faulig werde, greife die sogenannte hydrothermale Alteration vulkanisches Gestein an: Heiße, säurehaltige Fluide verätzen Gesteine und ganze Vulkane werden „von innen zersetzt“, so Walter. Verrottende Vulkane wiederum können so brüchig werden, dass es leicht zu Einstürzen und Ausbrüchen komme.
Doch wann erreicht die innere Verrottung eines Vulkans den Kipppunkt? Und woran ließe sich das vorab erkennen? Das Forschungsprojekt „ROTTnROCK“, das Thomas Walter leitet, will die Antwort auf solche Fragen interdisziplinär herausarbeiten. Ansätze aus so unterschiedlichen Wissenschaftszweigen wie Geochemie, Gesteinsphysik, Fernerkundung, Mineralogie, Felsmechanik und computergestützte Modellierung sollen einander ergänzen.
Wie eine Tomate, die faul wird (mechanisch schwach) und ihr Aussehen verändert, verändert die hydrothermale Veränderung das Aussehen des Vulkans und den physikalischen und chemischen Zustand des Gesteins, wodurch ein "fauler" Vulkan mit einem erhöhten Potenzial für explosive Eruptionen und Einsturzgefahr entsteht. Grafik: GFZ/ Thomas Walter
Die Untersuchung älterer Vulkane, bei denen durch Erosion Teile des Inneren aufgeschlossen sind, ist dabei ein wichtiger Ansatz. Die Fachleute vermessen aber auch die Topografie noch aktiver Vulkane mit Hilfe von Drohnen und Satellitenradar und beobachten mittels Hyperspektral-Kameras chemische Veränderungen an deren Oberfläche. Zudem entnehmen sie bei Expeditionen in die überwachten Vulkangebiete in Europa und Asien regelmäßig Gesteinsproben und untersuchen diese im Labor. Um abzuklären, wie schnell die „Verrottung“ von Vulkangestein erfolgt, setzen sie die Proben im Labor auch Fluiden mit sehr niedrigen ph-Werten aus – zum Beispiel dem stark säurehaltigen Wasser aus Kraterseen – und beobachten die dadurch ausgelösten Veränderungen. Bei der computergestützten Feinanalyse der chemisch-physikalischen Prozesse in den Gesteinsstrukturen kommt Künstliche Intelligenz (KI) zum Einsatz.
Herausfinden will das Team zudem, wie stark hydrothermale Alteration die Stabilität des Gesteins beeinflusst: Eine robuste, mehrere Meter hohe, dreiachsige Kompressionsmaschine aus säureresistenten Werkstoffen wird zu diesem Zweck eigens für das Projekt gebaut.
Prof. Dr. Thomas Walter, Arbeitsgruppenleiter in Sektion 2.1 „Erdbeben- und Vulkanphysik“ des GFZ und Professor an der Universität Potsdam. Foto: privat
„Nicht zuletzt erstellen wir ein digitales Abbild aller von uns untersuchten Vulkane. Das verbessern wir ständig weiter durch Daten, die mit Hilfe von Satelliten wie dem Hyperspektralsatellinten EnMAP sowie Drohnen aus der Luft oder durch chemische und mechanische Messungen im Labor gewonnen werden“, sagt Thomas Walter. Die „digitalen Zwillinge“ der beobachteten Vulkane werden als wichtige Grundlage für künftige Vorhersagemodellierungen dienen. Das Fernziel: Die gewonnenen Erkenntnisse sollen auch für die Überwachung aller anderen Vulkane dieser Welt nutzbar gemacht werden.
Noch sind verlässliche Prognosen von Vulkaneruptionen eine Vision. Doch Thomas Walter sprüht vor Optimismus. „ROTTnROCK wird unser Verständnis der hydrothermalen Alteration und ihrer Auswirkungen verändern und dabei helfen, deutliche präzisere Vorhersagen zu ermöglichen“, sagt er. Dann ließen sich Siedlungen im Umkreis instabil gewordener Vulkane im Fall der Fälle rechtzeitig evakuieren oder umsiedeln – und so manche Katastrophe verhindern.
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