Der Kollaps der Kīlauea-Caldera 2018 offenbarte Druckveränderungen in zwei Magmareservoiren

Ein Vulkankollaps als Einblick in das Magmasystem

Der Kollaps der Kīlauea-Caldera 2018 ermöglichte es, zu untersuchen, wie sich der Druck des Magmas unter dem Vulkangipfel veränderte. In einer vom U.S. Geological Survey (USGS) veröffentlichten Arbeit analysierten Forschende geodätische Daten, die zwischen dem 16. Mai und dem 4. August erhoben wurden, um die Entwicklung zweier Reservoirs zu rekonstruieren: des flach gelegenen Halema‘uma‘u (HMM) und des tiefer gelegenen South Caldera (SC). Die USGS-Studie beschreibt während der Kollapssequenz unterschiedliche Druckverläufe in beiden Strukturen.

Die Bewegung des Geländes lieferte indirekte Hinweise auf das unterirdische System. Um die Geometrie der Reservoirs abzuschätzen, nutzte das Team Verschiebungen, die mit dem Global Positioning System (GPS) und mit interferometrischem Radar mit synthetischer Apertur (InSAR) gemessen wurden. Anschließend invertierte es hochfrequente GPS-Zeitreihen sowie in einem Bohrloch aufgezeichnete Neigungsdaten, um Druckänderungen im Zeitverlauf und die Scherspannung an der Ringverwerfung der Caldera abzuschätzen.

Die Analyse stellt die Reservoirs als druckbeaufschlagte sphäroidale Hohlräume dar. Daher sind die ermittelten Drücke Schätzungen, die aus geodätischen Beobachtungen und einem Modell abgeleitet wurden, und keine direkten Messungen des Magmas. Diese Unterscheidung ist wichtig, wenn sowohl die Zahlen als auch der Zusammenhang zwischen Druckänderungen und den Kollapsereignissen interpretiert werden.

Zwei Reservoirs, zwei geschätzte Entwicklungen

Laut der Studie erlebte das flach gelegene Reservoir HMM episodische Druckanstiege, die mit den Kollapsereignissen zusammenfielen, obwohl die Bilanz über die gesamte Sequenz einen Rückgang ergab. Im tiefen Reservoir SC sank der Druck dagegen monoton. Bei den angegebenen Zahlen handelt es sich um vom Analyseverfahren geschätzte Medianwerte.

In HMM betrug der Median der episodischen Anstiege 1,9 MPa, während der Netto-Rückgang 5,8 MPa betrug (Median). In SC belief sich der geschätzte Druckabfall auf 6,7 MPa (Median). Der Vergleich unterscheidet kurzfristige Druckanstiege im flach gelegenen Reservoir von seinem Netto-Rückgang über die gesamte Sequenz. Für SC beschreibt die Studie eine allmähliche Druckentlastung ohne größere Druckänderungen, die mit den einzelnen Kollapsereignissen zusammenfielen.

Das Team schätzte außerdem die Scherspannung an der Ringverwerfung, die mit dem Absinken der Caldera zusammenhängt. Der verfügbare Auszug nennt keinen Wert für diese Spannung, sodass sich ihre Größenordnung hier nicht beschreiben lässt.

Was sich aus dem Ergebnis über das Magma ableiten lässt

Die Autoren weisen darauf hin, dass die nahezu ausbleibenden Druckänderungen in SC während der Kollapsereignisse bedeuten, dass dieses Reservoir den Eruptionsschlot nicht ausschließlich mit Magma versorgte. Diese Aussage legt für sich genommen nicht fest, ob SC Magma beitrug oder wie viel es beigetragen haben könnte.

Die Studie beschreibt außerdem, dass SC eine längerfristige Deflation erlebte und die Eruptionen 40 km weiter östlich nicht ausschließlich speiste. Die Druckschätzung legt für sich genommen weder den gesamten Weg des Magmas fest noch quantifiziert sie die relativen Beiträge der verschiedenen Quellen. Das Ergebnis bezieht sich auf die modellierte Druckentwicklung und auf die begrenzte Schlussfolgerung, dass SC nicht die ausschließliche Magmaquelle war.

Der allgemeine geologische Kontext hilft, das Thema einzuordnen, bestätigt die Ergebnisse der Studie aber nicht unabhängig. Der USGS erläutert, dass unser Wissen über das Erdinnere unter anderem auf der Analyse seismischer Wellen und auf Laborexperimenten beruht (Erdinneres). Diese Referenz beschreibt allgemeine Methoden zur Untersuchung des Untergrunds; sie bestätigt nicht die Druckschätzungen für die Reservoirs des Kīlauea.

Ebenso beschreibt die Erklärung des USGS zu Erdbeben, wie das Gleiten an einer Verwerfung Energie in Form seismischer Wellen freisetzt (Erdbebenforschung). Dies ist ein allgemeiner Rahmen, um den Zusammenhang zwischen Verwerfungen und seismischer Aktivität zu verstehen, keine unabhängige Bestätigung des konkreten Kollapsmechanismus oder der rekonstruierten Drücke.

Eine vom Modell abhängige Rekonstruktion

Die Interpretation hängt davon ab, die Reservoirs als druckbeaufschlagte sphäroidale Hohlräume darzustellen und die von den Autoren beschriebenen geodätischen Beobachtungen zu kombinieren. Folglich sind die Zahlen Schätzungen, die von dieser Darstellung und den verwendeten Daten abhängen. Der Auszug enthält weder Unsicherheitsintervalle noch genügend Einzelheiten, um alle Modellierungsentscheidungen zu bewerten oder einen quantitativen Vergleich mit alternativen Geometrien anzustellen.

Unter Berücksichtigung dieser Einschränkungen ist der zentrale Kontrast der Analyse klar: HMM verzeichnete episodische Anstiege und einen Netto-Rückgang, während SC monoton druckentlastet wurde. Auch die Schlussfolgerung zur Magmazufuhr ist begrenzt: Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass SC den Eruptionsschlot nicht ausschließlich versorgte; sie zeigen weder, ob SC einen Beitrag leistete, noch den vollständigen Beitrag jedes Reservoirs auf.