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Vulkankristalle sind „Blackboxen“ für den Weg des Magmas zur Oberfläche
Geologische Flugschreiber: Kristalle aus drei Eruptionen auf La Palma zeigen, dass ein wichtiger Teil der Ausbruchsvorbereitung tief im oberen Erdmantel abläuft. Ein kühler, kristallreicher Magmabrei in 18 bis 25 Kilometern Tiefe wird demnach von heißem, basanitischem Magma mobilisiert. Dieser Nachschub setzt mindestens eine Woche vor dem Ausbruch ein, ist aber wohl nicht der unmittelbare Auslöser.
St. Lucia (Australien). Vulkanausbrüche kündigen sich häufig durch Erdbeben, Bodenverformungen und veränderte Gasemissionen an. Solche Signale spiegeln jedoch vor allem Prozesse wider, die geophysikalische Messnetze erfassen können. Was tief im Erdmantel geschieht, kann dagegen lange verborgen bleiben, obwohl dort bereits entscheidende Schritte der Ausbruchsvorbereitung ablaufen.
Einen Blick in diese Tiefe liefern Kristalle, die mit der Lava an die Oberfläche gelangen. Besonders Klinopyroxen wächst über einen großen Tiefenbereich und bewahrt chemisch unterschiedliche Zonen. Ähnlich wie Jahresringe können Kristallkern, innere Randzone und äußerer Rand deshalb nacheinander Temperatur, Druck und Zusammensetzung des Magmas festhalten.
Forscher der University of Iceland (UI) um Alberto Caracciolo haben nun Klinopyroxene aus den La-Palma-Eruptionen von El Charco 1712, Teneguía 1971 und Tajogaite 2021 verglichen. Das Team kombinierte hochauflösende Karten von Spurenelementen mit Thermobarometrie, also der Rekonstruktion von Druck und Temperatur aus Mineralzusammensetzungen, sowie einer statistischen Gruppenanalyse der Kristalle. So ließ sich für alle drei Ereignisse eine Abfolge der Magmawege rekonstruieren.
Die Kristallkerne verweisen auf einen tiefen Speicher im oberen Erdmantel, etwa 18 bis 25 Kilometer unter der Oberfläche. Dort lag vor den Ausbrüchen ein entwickelter, phonolithischer Kristallbrei bei vergleichsweise kühlen 1.000 bis 1.025 Grad Celsius. Solcher Magmabrei besteht nicht aus einer einheitlichen Flüssigkeit, sondern aus Schmelze und vielen bereits gebildeten Kristallen.
An den inneren Kristallrändern änderte sich das Bild deutlich. Sie dokumentieren heißeren basanitischen Nachschub von etwa 1.100 bis 1.150 Grad Celsius, der den tiefen Kristallbrei aufwühlte, teilweise wieder auflöste und mobilisierte. Aus der Dicke dieser Zonen leiten die Forscher für das Kristallwachstum eine Mindestzeit von ungefähr vier bis sieben Tagen ab. Die Studie fasst den Beginn dieses Nachschubs als mindestens eine Woche vor dem Ausbruch zusammen. Ein Teil des Magmas könnte danach kurzzeitig in etwa fünf bis zehn Kilometern Tiefe verweilt haben.
Damit erscheint der heiße Nachschub als wichtiger Schritt beim Reaktivieren des tiefen Systems. Er brachte frisches, ursprünglicheres Magma in den Kristallbrei und half, zuvor gespeichertes Material wieder in Bewegung zu setzen. Auffällig ist, dass dieses Muster in den untersuchten Eruptionen über mehr als 300 Jahre hinweg wiederkehrt.
Den unmittelbaren Startschuss für eine Eruption lieferte der Nachschub nach den Daten jedoch wahrscheinlich nicht. Gerade die früh ausgestoßenen, stärker entwickelten Laven zeigen, dass nach der tiefen Einspeisung noch Abkühlung und weitere Kristallisation folgten. Das Team diskutiert deshalb eine fortschreitende Druckentwicklung im Reservoir als möglichen späteren Auslöser. Diese Interpretation trennt die länger laufende Vorbereitung vom eigentlichen Beginn des Ausbruchs.
Die äußersten Kristallränder zeichnen schließlich den letzten Aufstieg nach. Ihre Drucksignaturen reichen von geringer Tiefe bis etwa sieben Kilometer, und aus den Wachstumsraten ergeben sich ungefähr ein bis drei Tage für diese letzte Phase unmittelbar vor der Eruption. Die Kristalle speichern damit mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Etappen, vom tiefen Reservoir über möglichen kurzen Aufenthalt in der Kruste bis zum raschen Weg an die Oberfläche.
Bemerkenswert ist die Ähnlichkeit der Kristalle aus 1712, 1971 und 2021. Trotz der großen Zeitabstände folgt ihr chemischer Aufbau demselben Grundmu