Ein Geysir ist ein phantastisches archaisches Naturschauspiel. Die Besucher Islands oder des Yellow Stone Nationalparks sind immer wieder aufs Neue fasziniert, wenn große Dampf- und Wasserfontänen in regelmäßigen Abständen aus dem Boden schießen. Doch was sind Geysire (isländisch geysa – in heftige Bewegung bringen, wild wirbeln) eigentlich genau und wie funktionieren sie? Landläufig ist man der Meinung, Geysire sind einfach nur heiße Quellen. Das Wasser wird im Untergrund durch kühlendes Magma erhitzt und dringt durch den hohen Wasserdruck an die Erdoberfläche. Aber Geysire entstehen nicht einfach durch kochendes Wasser. In Wirklichkeit handelt es sich um einen komplexen Vorgang im Untergrund, bei dem große Wasservorkommen, Hitze, die geologische Beschaffenheit des Untergrunds und ein hoher Wasserdruck perfekt zusammenspielen müssen. Sie funktionieren ähnlich wie ein Dampfkochtopf, während eine heiße Quelle eher einem Topf mit Wasser ähnelt der kontinuierlich erhitzt wird, bei dem der Wasserdruck aber keine große Rolle spielt. Grundsätzlich gilt: Geysire finden sich stets in der Nähe zu Vulkanen. Und zwar dort, wo im geologischen Untergrund Magma stecken blieb oder heisse Ablagerungen langsam kühlen.
Die erste wissenschaftliche Theorie zu Geysiren lieferte der deutsche Chemiker Robert Wilhelm Bunsen im Jahr 1846 auf einer Expedition nach Island. Er sah die Ursache von Geysiren in erhitztem Grundwasser. Das Wasser sammelt sich in unterirdischen Kammern. Durch eine Engstelle im Schlot des Geysirs würde sich nach Ansicht von Bunsen der Druck in der Kammer deutlich erhöhen. Überschreitet der Druck eine bestimmte Grenze, entweicht ein Teil des Wassers binnen kurzer Zeit fast wie eine kleine Explosion. In der Kammer kommt es zum Druckabfall und sie füllt sich wieder. Der Vorgang des Druckaufbaus und der Entladung beginnt erneut.
Forschung in Chile bestätigt Annahmen von 1846
Die Annahme Bunsens von der Engstelle im Kanal des Geysirs als notwendige Voraussetzung für die Eruption wurde erst im Jahr 2015 durch ein Forscherteam um Michael Manga und Carolina Munoz-Saez mit Hilfe von Videoaufnahmen und Messungen an mehreren Geysiren am Fuße des Vulkans El Tatio in Chile bestätigt. Der El Tatio liegt östlich der Atacama-Wüste. Es handelt sich mit 30 dauerhaft aktiven Geysiren um das größte Geysirfeld auf der südlichen Erdhalbkugel und um das drittgrößte Geysirfeld der Welt, nach dem Yellowstone-Nationalpark und dem Dolina Geiserow, dem Tal der Geysire auf der russischen Halbinsel Kamtschatka. Das Ergebnis der Forscher in Chile: Die Geysire am El Tatio werden durch Wasser gespeist, das aus dem Magma unter den Vulkanen entweicht. Es gibt bei den Geysiren eine enge Stelle im Geysirschlot, die der Wasserdampf bewältigen muss. Diese liegt bei den dortigen Geysiren lediglich etwa 1,5 Meter unter der Erdoberfläche. Bei anderen Geysiren wurden diese Engstellen bis in eine Tiefe von 7,5 Metern festgestellt.
Neue Erkenntnisse, wie die Dynamik von Geysiren und die Wasserflüsse unter der Erdoberfläche verläuft, liefert die Forschungsarbeit von Dr. Thomas Walter am Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam. Gemeinsam mit Kollegen aus Island wurde dabei dort das Geothermalfeld rund um den Geysir Strokkur und den Großen Geysir genauer unter die Lupe genommen, den ältesten bekannten Geysiren der Welt. Mittels einer mit speziellen Infrarotkameras ausgestatteten Forschungsdrohne wurden dabei 364 thermische Spots oder Hitzepunkte in der Umgebung des Geysirs identifiziert. Parallel dazu wurden mit einer Unterwasserkamera erstmals Bilder von den zwei größten Geysiren dort in mehr als 20 Metern Tiefe angefertigt. Aufgrund des Drucks steigt die Temperatur in diesen Tiefen auf über 120 Grad Celsius an. Den Aufnahmen kann man entnehmen, dass der oberflächennahe Bereich der Geysire aus einer 9–12 Meter tiefen Röhre besteht, die sich dann in eine Art engen länglichen Riss verwandelt, der sich mit zunehmender Tiefe von 16 Metern stark verzweigt und in ein kompliziertes Geflecht aus weiteren Rissen und Hohlräumen übergeht. Der Verlauf der Risse ist dabei identisch mit den Hitzepunkten, die mit der Drohne an der Oberfläche erfasst wurden. Die Untersuchungen zeigen, dass die Geysire unterirdisch über das Kanalsystem miteinander verbunden sind. Der Druck des Wassers baut sich in diesem tiefliegenden komplexen Risssystem auf. Kommt es durch Erdbeben zu Verwerfungen innerhalb dieses Systems, können neue Geysire entstehen und andere versiegen.
Extrem heißes Wasser erzeugt großen Druck
Wie füllen sich die Kammern unter der Erde mit Wasser? In Chile fließt ein Teil des ausgestoßenen Wassers zurück in den Schlot. Nach gut einer Minute hat sich das Wasser wieder ungefähr auf 100 bis 125 Grad aufgeheizt und das Wasser stößt danach mit einer Geschwindigkeit von 25 Stundenkilometern oder mehr in die Luft. Ein anderer Teil kommt durch weiteren Wasserzufluss aus dem Magma. Andernorts gibt es jedoch auch Geysire, die mit großen Grundwassersystemen verbunden sind. Diese können zum Teil mehrere Kilometer in die Tiefe ausdehnen.
Das Wasser sammelt sich oftmals über einer alten Magmakammer in einem Wasserspeicher. Über dem Wasserspeicher steht eine Wassersäule mit kälterem Wasser. Wie in einem Dampfkochtopf kann das unter Druck stehende Wasser nicht versieden, sondern bleibt flüssig. Das heißt, der Siedepunkt verschiebt sich. Nähern sich der Siedepunkt und der Druck an, steigen an der Austrittsstelle des Geysirs Dampfblasen aus, die wie kochendes Wasser aussehen. Die Druckverhältnisse verändern sich, da die Wassersäule entlastet wird. Das erhitzte Wasser verwandelt sich in einen gasförmigen Zustand. Es entweicht durch die Öffnung nach oben als Gemisch von Wasserdampf und Wasser. Das plötzliche Verdampfen führt dabei zu einer bis 1600fachen Volumenzunahme. Dies erklärt die hohe Energie, mit der die Fontänen austreten. Fehlt die Engstelle im Geysirschlot entweicht der Dampf oder das heiße Wasser kontinuierlich als Dampfquelle bzw. heiße Quelle. Den Geysiren geht mit der Zeit die Puste aus – daher kann man durch gezielte Bohrungen oder auch durch Absenkungen des Wasserstandes selbst erloschene Geysire wieder zum Leben erwecken.
Soviel zum Grundprinzip der Geysire, die durch ihren eruptiven Ausstoß von Wasser auch heiße Springquellen genannt werden. Während Robert Wilhelm Bunsen sich das Kanalsystem unter der Erde ähnlich wie bei einem Waschbecken noch als eine Art Siphon vorstellte, als einen gekrümmten Verlauf mit einer Zwischenkammer, in der sich das Wasser sammelt, geht man heute davon aus, dass es für einen zyklisch ausstoßenden Geysir lediglich einen Aufstiegskanal braucht. Und natürlich die nötige Engstelle. Der Zeitraum der Eruptionsintervalle ist davon abhängig, wieviel Wasser zuströmt und wie lange die Erhitzung des Wassers dauert. Geysire sind häufig nicht für die Ewigkeit gemacht. Da sie verschiedene Mineralien wie beispielsweise Sinter transportieren, können die Schlote so verkrusten, dass der Wasseraustritt nicht mehr möglich ist. Kommt es dann irgendwann im Bereich des Geysirs zu einem Erdbeben, können sich dieser Mineralablagerungen lösen und der Geysir wird erneut aktiv. Man kann aber auch mit Bohrungen künstlich nachhelfen, um dem verstopften Geysir wieder auf die Sprünge zu helfen.
Kaltwasser-Geysire: Wie eine Mineralwasserflasche, die geschüttelt wird
Eine Sonderform der Geysire sind sogenannte Kaltwasser-Geysire. Sie werden nicht durch Hitze, sondern durch freigesetztes Kohlenstoffdioxid angetrieben, das ebenfalls aus dem Magma kommt. Das Kohlenstoffdioxid reichert das Wasser solange an, bis es nicht mehr vom Wasser aufgenommen werden kann. Der Vorgang der Eruption ähnelt einer Mineralwasserflasche, die geschüttelt und dann geöffnet wird. Das Kohlendioxid, das nicht mehr aufgenommen werden kann, steigt in dem Aufstiegskanal nach oben. Das Gas dehnt sich an der Oberfläche, wo weniger Druck herrscht, plötzlich aus und zieht in seinem Sog Wasser mit sich.
Auch Kaltwasser-Geysire benötigen die Engstelle im Untergrund, damit sich der Druck entsprechend aufbauen kann, und entstehen oftmals durch Bohrungen. Solche Kaltwasser-Geysire gibt es in Deutschland in der Vulkaneifel sowie am nördlichen Ende des Oberrheingrabens, in der Slowakei und in Serbien, aber auch in den US-Bundesstaaten Utah (Crystal Geyser)und Idaho (Soda Springs Geyser). Der höchste Kaltwassergeysir der Welt ist der Andernach-Geysir in Rheinland-Pfalz. Auch der Andernach-Geysir ist das Resultat einer Brunnenbohrung und damit ein künstlicher Geysir. Seine Fontäne ist bis zu 60 Meter hoch und er ist circa alle drei bis vier Stunden aktiv.
Plötzlich austretende Wasserfontänen sind nicht nur von der Erde bekannt. 2016 haben Forscher bei Beobachtungen mit dem Weltraumteleskop Hubble auf dem Jupiter-Mond Europa 200 Kilometer hohe Wasserfontänen entdeckt. Im Vergleich dazu wirken unsere Geysire auf der Erde wie Winzlinge. Es wird vermutet, dass unter dem Eispanzer des Jupiter-Mondes ein bis zu hundert Kilometer tiefer Ozean liegt. Die gigantischen Höhen der Fontänen geben einen Hinweis auf die riesigen Druckverhältnisse, die unter der Eisoberfläche herrschen müssen.
Daten und Fakten zu Geysiren:
- USA – Yellowstone-Nationalpark: Mit ca. 300 aktiven Geysiren das größte Geysir-Gebiet der Welt. Dort befindet sich der Steamboat-Geysir, mit einer Wasserfontäne von mehr als 90 Metern der höchste Geysir der Welt.
- Russland – Dolina Geiserow (das Tal der Geysire): Zweitgrößtes Geysir-Feld der Welt im Kronozki-Biosphärenreservat auf der russischen Halbinsel Kamtschatka. Ca. 200 aktive Geysire. Am 3. Juni 2007 verschüttete eine große Schlammlawine zwei Drittel des Tales. Der berühmte Geysir Welikan ist jedoch noch aktiv.
- Neuseeland – Northern Island: 51 aktive Geysire auf der Nordinsel
- Chile – El Tatio, Antofagasta: 38 aktive Geysire
- Island – Haukadalur: 26 aktive Geysire auf der ganzen Insel
- USA – Umnak Island, Alaska: 8 aktive Geysire
Text: Oliver Jorzik (Earth System Knowledge Platform ESKP), fachliche Durchsicht: Dr. Thomas Walther (Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum | GFZ)
