Einblick in den Maschinenraum eines Inselvulkans

Das Leben auf oder an aktiven Vulkanen hat, das wird man wohl kaum bestreiten, einige Schattenseiten. Dennoch haben Menschen schon seit jeher auch die Nähe der Feuerberge gesucht, weil sie oft auch ganz handfeste Vorteile boten. Da wäre sicher zuerst der fruchtbare Boden, der sich aus vulkanischen Gesteinen entwickelt.

Das gilt auch für vulkanische Inseln, wobei hier noch als zusätzliche Erschwernis hinzukommt, dass man einem drohenden Ausbruch nicht beliebig ausweichen kann. Darum ist es umso wichtiger, die aktiven Feuerberge großflächig zu überwachen, um bei einem Erwachen rechtzeitig Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung ergreifen zu können. Ein gutes Beispiel sind hier die Kanarischen Inseln mit dem Pico del Teide auf Teneriffa.

Die Kanarischen Inseln

Die Kanarischen Inseln sind ein vulkanischer Archipel im Atlantischen Ozean vor der Küste Nordwestafrikas, der aus sieben Hauptinseln und mehreren kleineren Inseln besteht. Die Geologie der Kanarischen Inseln ist komplex und vielfältig und spiegelt ihre lange und dynamische vulkanische Geschichte wider.

Die Geologie der Kanarischen Inseln ist geprägt von einer Vielzahl vulkanischer Gesteine, darunter Basalt, Phonolith und Trachyt. Sie bestehen aus einer Reihe von Schildvulkanen, die im Laufe der Zeit durch aufeinanderfolgende Lavaströme und pyroklastische Eruptionen aufgebaut wurden. Die vulkanische Aktivität hat auch eine Vielzahl geologischer Merkmale geschaffen, wie Calderas, Krater und Lavaröhren.

Jüngere Ausbrüche

Der Vulkanismus der Kanarischen Inseln stellt durchaus eine Gefahr sowohl für die Gebäude und die Infrastruktur auf den Inseln als auch für die Bewohner selber dar. Deutlich wurde das in der jüngeren Zeit vor allem durch den Vulkanausbruch auf La Palma vom September bis in den Dezember 2021. Hier gab es zwar keine Todesopfer, aber es wurden neben hunderten von Gebäuden auch viele Straßen und weite landwirtschaftliche Flächen zerstört.

Ein weiteres Beispiel war der untermeerische Ausbruch bei El Hierro, der im Zeitraum 2011 bis 2012 die Inselbewohner in Atem hielt. Wegen der fortgesetzten seismischen Aktivität um den vor der Südspitze der Insel liegenden Vulkan wurde die an der Südspitze gelegene Ortschaft La Restinga evakuiert.

Nicht nur diese jüngeren vulkanischen Aktivitäten erinnern an das Gefahrenpotential. Auf den Inseln lassen sich vielfach stumme Zeugen heftiger Ausbrüche in der Vergangenheit finden.

Spuren alter Katastrophen

So finden sich auf einigen Inseln große Calderen. Diese stellen die Spuren großer und explosiver Vulkanausbrüche dar. Weiterhin finden sich auch die Narben großer Erdrutsche, die mit diesen heftigen Ausbrüchen in Verbindung gebracht werden. Es gab also durchaus Zeiten, in denen heftige, explosive Eruptionen Erdrutsche ausgelöst haben. Diese Erdrutsche stehen ihrerseits im Verdacht, für große Tsunamis verantwortlich zu sein. Der Vulkanismus auf den Kanarischen Inseln hat demnach nicht nur unmittelbare Auswirkungen auf die Inseln und ihre Bewohner selber, sondern kann darüber hinaus die Bewohner an den Küsten des Atlantischen Ozeans betreffen. Wenn man dieses weitreichende Gefahrenpotential im Hinterkopf hat, ist es sicher keine ganz schlechte Idee, die Vulkane der Inseln gut und möglichst engmaschig zu überwachen, um so auf mögliche Gefahren rechtzeitig reagieren zu können.

Teneriffa

Teneriffa ist die größte der Kanarischen Inseln und beherbergt auch den höchsten Berg Spaniens und den höchsten Inselvulkan Europas (wenn man die Kanaren geografisch zu Europa zählen möchte), den 3718 m hohen Pico del Teide. Der Vulkan gilt als aktiv, sein letzter Ausbruch fand 1909 statt.

Der Teide befindet sich im Zentrum der Insel und ist von einem großen Kessel oder Caldera umgeben. Diese Caldera ist das Ergebnis eines früheren Vulkanausbruchs, der vor etwa 200.000 Jahren stattfand.

Die Geologie Teneriffas ist auch durch andere vulkanische Formationen gekennzeichnet, wie z.B. die Roques de Garcia und die Montañas Negras. Diese Gebilde bestehen aus bizarren Felsformationen und Basaltgipfeln, die durch vulkanische Aktivitäten und Erosion geformt wurden.

Eine Insel wird geboren

Der genaue Grund für den Vulkanismus an dieser Stelle des Atlantik ist noch nicht abschließend geklärt. Als mögliche Ursache gelten ein Hotspot oder Mantle Plume [Canas et al. 1998] oder eine Aufwölbung der Asthenosphäre durch die mechanische Biegung der Atlantischen Lithosphäre durch die Afrikanische Platte [Anguita & Hernan 2000].

Die Entstehungsgeschichte des Teide ist komplex und lief in mehreren Stufen ab. Sie fing vor rund 20 Millionen Jahren mit der Entstehung eines mächtigen untermeerischen Schildvulkans an, der bis zu 100 Kilometer im Durchmesser groß war [Carracedo & Perez-Torrado 2013].

Die ersten Inseln erhoben sich erst später über den Meeresspiegel. Vor rund 12 bis 3,3 Millionen Jahren bildeten sich drei getrennte Inseln, deren Überreste heute im nordwestlichen, nordöstlichen und südlichen Bereich der Insel als Teno, Anaga und Roquee del Condo zu finden sind [Ancochea et al. 1990]. Ausgedehnte Spaltenausbrüche ließen diese drei Inselvulkane vor rund 3,3 Millionen Jahre zusammenwachsen und eine einzelne Insel bilden. Dabei entstanden auch drei Rücken in NW-SE, NE-SW und S-N Ausrichtung. Im Zentrum dieser drei Bergrücken entstand durch verstärkt vulkanische Aktivität der Cañadas Vulkan. Dieser bildete den höchsten Punkt der Insel mit einer Höhe von rund 2 500 m [Carracedo & Troll 2013].

Dieser Vulkan hatte auch Phasen, in denen es zu massiven explosiven Ausbrüchen kam. Diese extremem Ausbrüche führten vor rund 800 000 Jahren neben der Bildung von Calderen auch zu zwei gigantischen Bergrutschen, deren Narben heute die Täler von Orotava und Güimar bilden [Hürlimann et al. 1999].

Das Gebiet des heutigen Teide wird durch die große Las Cañadas Caldera dominiert, die eine Ausdehnung von 16 mal 9 Kilometern hat. Begrenzt wird die Caldera durch einen rund 500 m hohen Kraterrand im Süden, der die zentrale vulkanische Ebene wie ein Amphitheater umrandet. Die Entstehung dieser Struktur war lange Zeit durchaus umstritten. Es gab Stimmen, die hier die Spuren eines enormen Erdrutsches vermuteten und nicht die Hinterlassenschaften eines explosiven Vulkanausbruches [Ancochea et al. 1999][Cantagrel et al. 1999]. Auf der anderen Seite ähnelte die Struktur so sehr bekannten Einbruchstrukturen, dass hier schon früh eine Caldera gesehen wurde [Marti & Gudmundsson 2000]. Letzteres wird dadurch gestützt, dass sich größere Ignimbrit und Bimsablagerungen aus der infrage kommenden Zeit nachweisen lassen [Brown & Branney 2004].

Im Inneren der Caldera befindet sich der Zentrale Vulkankomplex. Hierzu gehören die Vulkane Pico Viejo, Pico del Teide sowie Montaña Blanca und Monte Rajada. Der Stratovulkan Teide befindet sich dabei im Schnittpunkt zweier Störungszonen. Seine Entstehung begann vor rund 175 000 Jahren mit einer Serie von phonolitischen und basaltisch bis trachybasaltischen Laven [Ablay & Marti 2000]. Seine heutige Höhe beträgt 3715 m, damit ist er einer der höchsten Inselvulkane.

Insgesamt wurde die Insel durch zwei Varianten vulkanischer Aktivität geprägt. Zum einen die ruhige effusive Förderung meist basaltischer Laven entlang vulkanischer Spalten. Die Zweite Variante sind explosive Eruptionen phonolithischer Laven, die überwiegend im zentralen Inselbereich stattfanden. Inwieweit für diese unterschiedlichen Laven auch unterschiedliche Reservoire verantwortlich sind, ist wohl noch nicht ganz geklärt, siehe z.B. [Marti & Gudmundsson 2000].

Petrologischen Studien zufolge befinden sich die Magmakammern der beiden Vulkane Teide und Pico Viejo in einer Tiefe von 4 bis 5 km, die Magmakammer der Vulkane Montaña Blanca und Roques Blancos liegt dagegen nur rund 1 – 2 km tief [Andújar & Scaillet 2012][Andújar et al. 2013].

Historische Ausbrüche

In der Datenbank des Global Volcanism Programm sind etliche der historischen Ausbrüche der letzten 7000 Jahre verzeichnet. Darunter auch ein VEI 4 Ausbruch am Montaña Blanca und Pico Viejo vor rund 2000 Jahren. Der Zeitpunkt wurde durch 14C Datierung bestimmt [Ablay et al. 1995].

Aus historischer Zeit sind mindestens 5 Ausbrüche mit Lavaströmen bekannt. So im Jahr 1492 an der NE gerichteten Riftzone am Montaña Boca Cangrejo.

Im Zeitradium vom 31. Dezember 1704 bis 13. Juni 1706 ereigneten sich eine Reihe von VEI 2 Ausbrüchen entlang der NW Riftzone bei Siete Fuentes, Fasnia, Güímar und Garpachio. Dabei wurde die Stadt und der Hafen von Garachico durch einen der Lavaströme zerstört.

Der vermutlich größte Ausbruch in historischer Zeit, der auch direkt beobachtet wurde, fand zwischen dem 9. Juni und 14. September 1798 statt und hatte eine Stärke von VEI 3.

Der letzte Ausbruch auf Teneriffa ereignete sich vom 18. bis 27. November 1909 am El Chinyero Krater an der NW Riftzone statt und hatte die Stärke VEI 2.

Seither ist es zu keinen Ausbrüchen mehr gekommen, aber der Teide zeig ausgedehnte Fumarolentätigkeit. Auch in anderen Bereichen der Cañadas Caldera, wie etwa am Montaña Blanca findet man hydrothermale Aktivitäten. In den Gasen der Fumarolen finden sich Hinweise auf die Beteiligung sowohl von Grundwasser als auch magmatischen Wässern [Melián et al. 2012].

Seismische Unruhe

Der Teide und seine benachbarten Vulkane werden durchgehend seismisch überwacht. Das Netzwerk der seismischen Stationen zeigt meist eine sehr niedrige Hintergrundaktivität. In ruhigen Zeiten ereignen sich oft nicht mehr als 10 leichte Beben pro Monat (danke, Uwe für den Hinweis, hatte ich glatt den Zeitraum unterschlagen), von denen sich die meisten wohl als tektonische Beben herausstellen.

In jüngerer Zeit wurden aber auch einige Bebenschwärme festgestellt, die mit magmatischen Bewegungen im Untergrund in Verbindung zu stehen scheinen. Ein besonders bemerkenswertes Ereignis fand im April bis Mai 2004 statt, als mehr als 200 Kleinbeben mit einer Magnitude zwischen 1 und 3 registriert wurden [Almendros et al. 2007].

Auch im Jahr 2005 war die seismische Aktivität höher als im langjährigen Mittel. Im Oktober 2016 begann ein weiterer Erdbebenschwarm, bei dem innerhalb von 5 Stunden mehr als 700 einzelne Ereignisse registriert wurden. Die meisten von ihnen ereigneten sich in rund 8 km Tiefe unter dem südlichen Rand der Cañadas Caldera. Die seismische Unruhe dauerte auch 2017 an, bewegte sich aber in Richtung unter den heutigen Teide. Da diese Bebenschwärme von keiner Deformation des Bodens begleitet wurden, nimmt man an, dass hier magmatische Fluide in ein hydrothermales System eingedrungen sind [D’Auria et al. 2019].

In Folge dieser Ereignisse stiegen die Kohlendioxidgehalte der Fumarolen am Teide von rund 50 Tonnen pro Tag auf 354 Tonnen, während er Ausstoß von Schwefelwasserstoff von 35 auf 152 Tonnen pro Tag stieg [Padrón et al. 2021]. Das alles zeigt deutlich, dass das magmatische System unter Teneriffa nach wie vor aktiv und in Funktion ist.

Was befindet sich unter Teneriffa?

Wenn man die vulkanische Geschichte Teneriffas und das nach wie vor aktive magmatische System unterhalb des Vulkans bedenkt, dann erscheint eine Überwachung mehr als sinnvoll. Und genauso sinnvoll ist es zu wissen, was sich unterhalb der Insel befindet und wie der Vulkan funktioniert. Das ist naturgemäß nicht ganz so einfach, da man ja nicht einfach hinuntergehen und nachsehen kann. Zumindest nicht direkt, denn es gibt durchaus Techniken, mit denen man die Erde durchleuchten kann, ganz ähnlich wie man uns mit Röntgengeräten durchleuchtet. Man kann Erdbebenwellen für eine seismische Tomografie nutzen.

Was ist seismische Tomografie?

Seismische Tomografie ist eine Methode zur Untersuchung der inneren Struktur der Erde durch die Analyse von seismischen Wellen, die von Erdbeben, kontrollierten Explosionen oder künstlich erzeugten Schwingungen ausgehen. Diese Technik nutzt die unterschiedlichen Geschwindigkeiten von seismischen Wellen, um ein dreidimensionales Bild der Struktur des Erdinneren zu erstellen.

Durch die Analyse der Geschwindigkeit und der Richtung von seismischen Wellen, die von verschiedenen Stationen auf der Erdoberfläche empfangen werden, kann man Rückschlüsse auf die Dichte und Zusammensetzung von Gesteinsschichten im Erdinneren ziehen. Auf diese Weise kann man die Verteilung von Erdbebenzonen, die Lage von tektonischen Platten und die Zusammensetzung von Mantel und Kern der Erde untersuchen.

Seismische Tomografie wird in der Geophysik häufig eingesetzt, um das Verständnis der inneren Struktur der Erde zu verbessern und um mögliche seismische Risiken zu untersuchen.

In diesem Fall wurden die Daten der oben genannten Erdbebenschwärme genutzt, um das Innere der Insel Teneriffa und das magmatische System des Vulkans Teide zu erforschen [Koulakov et al 2023].

Der Maschinenraum des Teide

Die dichte Verteilung von seismischen Stationen in der Region erlaubt die Auflösung der Wellengeschwindigkeiten bis in 20 Kilometer Tiefe. Dabei zeigt das aus den Daten resultierende Modell vergleichsweise hohe Wellengeschwindigkeiten unter dem zentralen Teil von Teneriffa. Dieser könnte einem festen Kern aus magmatischen Gesteinen entsprechen. In größerer Tiefe verringern sich die gemessenen Geschwindigkeiten der Erdbebenwellen signifikant.

Im Modell ergibt sich folgende Situation. Eine Direkt unter dem zentralen Teil der Insel mit der Cañadas Caldera verdickt sich die Kruste von 10 auf rund 17 km. Die gesamte Struktur ist dabei nur rund 10 km im Durchmesser und einer leicht elliptischen Form. Im Groben gleicht die laterale Ausdehnung und Form der Cañadas Caldera.

Dabei fungiert dieser zentrale Block vermutlich ähnlich wie eine Presse. Während er absinkt, zwingt er an seinen Seiten und in Schwächezonen beweglicheres Material in die Höhe. Da sich der Block im zentralen Teil der Insel direkt im Schnittpunkt dreier Riftzonen befindet, zeigt sich hier auch die vulkanische Aktivität mit am stärksten. Das führt zu dem Phänomen, dass alles vulkanische Material, das hier gefördert und quasi oben auf dem Block abgelagert wird, diesen zusätzlich beschwert und absinken lässt.

Unter den dünneren randlichen Krustenbereichen konnten Zonen mit hohem Gehalt an geschmolzenen Anteilen lokalisiert werden. Diese werden als Magmakammer interpretiert, welche basaltischen Magmen für die Spalteneruptionen entlang der drei Riftzonen beherbergen. Sie fallen auch an der Oberfläche mit Zonen zusammen, an denen basaltische Schlackenkegel auftreten.

Daneben fanden sich auch im zentralen Block Bereiche mit geschmolzenen Anteilen. So zum Beispiel rund 5 Kilometer unterhalb der Cañadas Caldera in rund 5 Kilometer Tiefe. Das Magma in diesem Bereich differenziert sich zu einem phonolithischen Magma. Von hier aus speisen sich auch 2 flachere Magmakammern in rund 2 bis 3 Kilometer Tiefe. Diese flach gelagerten Magmakammern stellen das Reservoir für den explosiven Vulkanismus besonders im zentralen Bereich dar [Koulakov et al 2023].

Fazit

Die Beobachtungen durch die seismische Tomografie bieten einen einmaligen Einblick in den Maschinenraum eines großen Inselvulkans. Das Interessante an dem Vulkanismus von Teneriffa ist das gemeinsame Auftreten ruhigen, effusiven basaltischen zusammen mit explosivem Vulkanismus in sehr enger Nachbarschaft. Die Frage, wie diese beiden unterschiedlichen Magmen zusammenhängen können, kann nur ein Blick in die Tiefe geben. Hier sind vermutlich die unterschiedlichen Aufstiegsgeschwindigkeiten maßgebend. Der schnelle Weg durch die von Brücken durchzogene dünnere Kruste lässt dem Magma relativ wenig Zeit, sich auszudifferenzieren. So kann es besonders im Bereich der Riftzonen zu vergleichsweise ruhigem basaltischen Vulkanismus kommen.

Im Bereich der verdickten Kruste des zentralen Blocks hingegen scheint der Aufstieg des Magma verlangsamt. Es sammelt sich in tieferen Bereichen in einer Magmakammer, wo es längere Zeit verbleibt und dabei genügend Zeit hat, sich von der basaltischen Zusammensetzung über fraktionierte Kristallisation in Richtung eines SiO₂ reicheren phonolitischen Magma zu verändern. Da ein Magma in dieser Zusammensetzung deutlich zähflüssiger ist als basaltisches, ist der Vulkanismus hier auch deutlich explosiver.

Interessant ist auch der genaue Mechanismus des isostatischen Krustenblocks der zentralen Region. Die genauen Mechanismen derartiger Blöcke sind noch nicht abschließend verstanden. Hier dürfte noch eine Menge Forschungsbedarf bestehen, bevor wir den Maschinenraum dieses Vulkans wirklich verstehen.

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