Magmatische Gase

Wasser spielt bei der Bildung magmatischer Gase eine zentrale Rolle sowohl mengenmäßig als auch funktionell. Zudem sind eine Reihe weiterer flüchtiger Stoffe in magmatischen Schmelzen enthalten, darunter Kohlendioxid, Schwefel, Chlor, Spuren der schweren Halogene Brom und Jod, Edelgase und Stickstoffverbindungen.

Viele der Stoffe werden durch menschliche Ressourcennutzung vermehrt in die Atmosphäre eingetragen. Im Zuge dessen wird ihnen ein deutlicher Einfluss auf den Klimawandel beigemessen. Jedoch gibt es auch natürliche Quellen. Gase verdampfen von den Oberflächen der Ozeane und gelangen durch vulkanische Aktivität in die Atmosphäre.

In nicht-eruptiven Phasen eines Vulkans werden magmatische Gase lokal bis regional in den bodennahen Schichten verbreitet. Oft werden sie auch aus Quellen gespeist, die von außen nicht unmittelbar erkennbar sind. Dies geschieht dort, wo Magma unter der Erdoberfläche stecken bleibt und beim Erkalten seine Gase abstößt. Umliegende Ökosysteme werden von solchen chemischen Veränderungen beeinflusst.

Wenn große explosive Eruptionen hohe Eruptionssäulen von 10 bis 40 Kilometern aufbauen, werden die vulkanischen Gase bis in die Stratosphäre eingetragen. Solch große Höhen sind für Gaspartikel sehr stabile Aufenthaltsorte. Denn sie sind oberhalb des Wasserkreislaufes von Niederschlag, Verdunstung und Wolkenbildung. Daher können mehrere Jahre vergehen, bis die Gase von dort ausgewaschen werden.

Ein großer Stoffkreislauf

Insbesondere an Subduktionszonen entstehen stark gasangereicherte Magmen. Dies ist auch ein wesentlicher Grund dafür, dass hier auch die explosivsten Eruptionen stattfinden. Die Quellen hierfür sind marine Sedimente und Meerwasser, die an konvergenten Plattengrenzen zusammen mit der abtauchenden Platte in die Erde hinein transportiert werden. Ein Teil dieser flüchtigen Stoffe wird durch den Vulkanismus an Subduktionszonen wieder an die Erdoberfläche gefördert. Der andere Teil gelangt in die Tiefen des Erdinneren und führt dort zu chemischen Veränderungen des Erdmantels. So können zum Beispiel auch an sogenannten Manteldiapiren und heißen Flecken (englisch Hot Spots) Magmen eruptiert werden, die erhöhte Gasgehalte haben. Zur Funktionsweise von Diapiren und Hot Spots siehe ESKP-Beitrag "Plattentektonik und Vulkanismus".

Wie wird der Gasausstoß einer Eruption quantitativ ermittelt?

Der Gasausstoß einer zurückliegenden Eruption ist nicht direkt messbar, da die Gase in die Atmosphäre entweichen und somit nicht mehr erfassbar sind. Dennoch ist es möglich, aus den Gesteinsablagerungen auf die Menge freigesetzter Gase rückzuschließen. Dafür werden zwei Parameter quantifiziert.

Zum einen benötigt man eine Information über die Menge des Gesteinsmaterials, das bei einem Vulkanausbruch produziert wurde. Unter Einwirkung von Wind während oder kurz nach einer Eruption können Aschepartikel in der Atmosphäre Hunderte von Kilometern weit transportiert werden. Die bei der Eruption entstandene Tephralage wird im Hinblick auf ihre räumliche Verteilung und ihre Schichtmächtigkeit dokumentiert, wodurch der sogenannte Ablagerungsfächer dreidimensional erfasst wird. In der Nähe des Vulkans werden die Ablagerungen im Gelände kartiert. Um auch die weit geflogenen und entfernten Ablagerungen zu berücksichtigen, helfen Bohrkerne in die Sedimentschichten des Ozeanbodens. Alle Daten werden in einer sogenannten Isopachenkarte dargestellt. Auf diesem Wege wird das Gesamtvolumen des ausgeworfenen Magmas bestimmt.

Zum anderen muss herausgefunden werden, wie viel Gas vor einem Vulkanausbruch in der Schmelze enthalten war. Dazu werden Proben des Magmas verwendet, die während der Eruption isoliert waren, aus denen flüchtige Stoffe nicht entweichen konnten. Diese gewähren Einblick in die chemische Zusammensetzung der Schmelze vor dem Vulkanausbruch. Isolationsdienst erweisen Mineralkörner, die während des Abkühlungsprozesses im Magmenreservoir kristallisiert sind, und dabei kleinste Tropfen der Schmelze eingeschlossen haben. Die Schmelzeinschlüsse sind meist wenige Zehner von Mikrometern klein. Im Labor werden sie freigeschliffen, und dann mit hochauflösenden Analysemethoden auf ihre Gasgehalte gemessen.

Die so ermittelten Gaskonzentrationen vor der Eruption werden dann mit denjenigen verglichen, die nach der Eruption noch chemisch gebunden im Gestein vorhanden sind. Die Differenz wird mit der Gesamtmenge des ausgeworfenen Materials skaliert. So ergibt sich die Gesamtmenge der Gase, die während der Eruption in die Atmosphäre frei gesetzt wurden.