Hawaii-Vulkane, die von einem „umwerfenden“ Magma-Netzwerk angetrieben werden
Wissenschaftler hatten vermutet, dass irgendwo unter Hawaii ein Geheimnis in Stein gemeißelt sei – etwas, das eine tragende Rolle bei der Beeinflussung spiele der berühmte Vulkanismus der Inselkette. Mit Hilfe von fast 200.000 Erdbeben und einem maschinellen Lernprogramm haben Wilding und seine Kollegen es nun endlich ausgegraben.
In einer Studie, die am Donnerstag in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschafthat das Team eine zuvor verborgene Sammlung von Magma-Caches enthüllt, die wie das schlagende Herz der Vulkane oben wirken könnten. Die Entdeckung bietet eine mögliche Lösung für ein langjähriges Rätsel – wie gelangt Magma aus dem tiefen Mantel zur hawaiianischen Oberfläche? Die Arbeit gibt Wissenschaftlern ein wertvolles neues Fenster in das Verhalten einiger der launischsten und gefährlichsten Vulkane der Erde.
Die seichten Magmareservoire, die Hawaiis Eruptionen speisen, sind seit einiger Zeit bekannt. Dies ist teilweise den seismischen Wellen zu verdanken, die auf Hawaii von einem ständig wachsenden Netzwerk von Sensoren genau überwacht werden. Die Wellen wirken wie ein Ultraschall für die Erde; Änderungen ihrer Geschwindigkeit und Flugbahn während ihrer unterirdischen Reisen sagen den Wissenschaftlern, durch welche Art von Materie sie gereist sind, und liefern Hinweise auf ihre Temperatur, Dichte und Zusammensetzung.
Aber um wirklich zu verstehen, was diese vulkanischen Kraftwerke antreibt, müssen Wissenschaftler wissen, was an der Schnittstelle zwischen dem matschigen Mantel und der festen Kruste passiert. Das enthüllt die neue Studie endlich in unerwartetem Detail.
Das in der Veröffentlichung beschriebene riesige Merkmal besteht aus mehreren länglichen Kammern, die Schweller genannt werden. Wenn Eruptionen Magma aus den seichten Reservoirs darüber entleeren, scheinen diese tiefliegenden Schwellen zu reagieren. Eine Kakophonie von Beben signalisiert, wenn sich einzelne Kammern zu unterschiedlichen Zeiten mit geschmolzenem Gestein zu füllen beginnen, ein bisschen wie „Blut, das in ein Herz strömt“, sagte Wilding.
„Wir haben es uns nur angesehen, und es war einfach überwältigend, das war es wirklich“, sagte er Zachary Ross, ein Geophysiker am Caltech. „Seitdem geht mir das Bild nicht mehr aus dem Kopf.“
Ken Rubinein Vulkanologe an der Universität von Hawaii, der nicht an der Studie beteiligt war, sagte: „Es ist eine sehr elegante Studie und ein immens faszinierendes Ergebnis.“
Wie ein Großteil des Planeten würde Hawaii ohne Vulkanismus nicht existieren. Seit jeher brennt eine tief verwurzelte Quelle aus überhitztem Gestein, die als Mantelwolke bekannt ist, die Unterseite der pazifischen tektonischen Platte in Brand. Während die Platte weiter driftet, hat sich eine Reihe epischer Vulkane über die Wellen erhoben und die hawaiianische Inselkette geschaffen.
Heute beherbergt die Kette eine kleine Familie aktiver Vulkane, darunter den Mercurial Mauna Loa und die Hyperaktiven Kilauea auf Big Island, beides hörte auf, gleichzeitig auszubrechen diesen Monat.
Ein anhaltendes seismisches Grollen aus einem Gebiet südwestlich von Kilauea und 20 Meilen unter der Erde hatte zuvor darauf hingewiesen, dass a Sammlung von Fehlern kann dort existieren und Pfade für Magma schaffen, um von den hadäischen Tiefen zu oberflächennahen Reservoirs zu gelangen. Und seit den 1980er Jahren deuten spezielle Beben, die auf umherziehende Flüssigkeiten hindeuten, darauf hin, dass Magma in der Region herumwirbelt. Aber bis vor kurzem basierte die wahre Natur dieses unterirdischen Labyrinths mehr auf Spekulationen als auf wissenschaftlicher Wahrheit.
“Es war diese mysteriöse Kiste im Mantel”, sagte Wilding. „Wir haben wirklich sehr wenig Ahnung, was los ist.“
Was die Wissenschaftler brauchten, war ein anhaltender Anstieg der Beben aus genau dieser Region, der ausreichte, um diese schattige Zone stark zu beleuchten. Die Dinge sahen 2015 vielversprechend aus, als das Grollen in der Region etwas zunahm.
Doch der Glücksfall des Teams kam 2018, als, nachdem der Kilauea 35 Jahre lang mehr oder weniger ununterbrochen ausgebrochen war, ein Eruptionssequenz im Stil eines großen Finales begann am Vulkan. Das Ereignis produzierte in nur drei Monaten Lava im Wert von 320.000 olympischen Schwimmbecken – und die schnelle Ausblutung des flachen Magmareservoirs des Vulkans ließ seinen Gipfel dramatisch einstürzen.
In einer spannenden Wendung der Handlung verzeichneten Geologen im Jahr 2019 weit unterhalb der Stadt Pāhala, die etwa 40 km südwestlich von Kilauea liegt, einen schockierenden Anstieg der tiefen seismischen Aktivität. Sicherlich, dachten die Wissenschaftler, kann das kein Zufall sein.
Während der Pāhala-Bebensturm eine Chance war, den vergrabenen magmatischen Schatz der Insel zu bergen, wären Wissenschaftler allein nicht in der Lage, viele der einzelnen Beben in dieser Kakophonie zu identifizieren, insbesondere die alltäglicheren kleineren, die von größeren Knallen erstickt werden könnten.
Das Team von Caltech war nicht bereit, einen einzigen Schlag der geologischen Trommel zu verpassen, und speiste die gesamte Aufzeichnung des seismischen Sturms in ein maschinelles Lernprogramm ein – eine Technik, die Ross und seine Kollegen zuvor verwendet hatten Millionen verborgener Beben identifizieren in Kalifornien. Das Programm lernte schnell selbst, was ein echtes Beben und was Fremdgeräusche waren, und identifizierte und charakterisierte dann Tausende von Beben, die von herkömmlichen Programmen zur Erkennung seismischer Signale und ihren menschlichen Analytikern übersehen worden wären.
Von November 2018 bis April 2022 verzeichnete das System rund 192.000 Beben unterhalb von Pāhala. Als das Team diese leuchtenden Punkte auf einer Karte einzeichnete, war es verblüfft, eine Ansammlung pulsierender magmatischer Strukturen zu entdecken – das schlagende vulkanische Herz des südlichen Hawaii.
Einige der Beben kamen aus einer Region mit einer Tiefe von 28 bis 32 Meilen: Diese Erdbeben mit langer Periode werden normalerweise dem zugeschrieben Vibrationen durch die Bewegung von Flüssigkeiten, einschließlich Magma, hergestellt. Der Großteil der Seismizität kam aus einem Gebiet in einer Tiefe von 22 bis 27 Meilen. Diese vulkantektonischen Beben – die Art, die entsteht, wenn sich eine Verwerfung bewegt und Felsen in einer vulkanischen Region brechen – zeichneten eine Reihe von nahezu horizontalen flächigen Strukturen ab, von denen einige vier Meilen lang und drei Meilen breit waren.
Zu unterschiedlichen Zeiten entdeckten die Wissenschaftler Wellen seismischer Aktivität innerhalb separater Blätter. Das Team vermutete, dass es sich bei diesen Schichten um Sills handelte, Magmataschen, deren eigenes Grollen geschmolzenes Gestein verfolgte, das aus der unteren, mit Flüssigkeit gefüllten Region nahe der Spitze der Mantelwolke aufstieg.
Auf der Suche nach einer tieferen Verbindung
Diese neue 3D-Karte eines Schlüsselsegments des hawaiianischen Kreislaufsystems „ist außergewöhnlich“, sagte er Jackie Caplan-Auerbach, ein Vulkanseismologe an der Western Washington University, der nicht an der neuen Studie beteiligt war. Es sei „furchtbar cool“, sagte sie, dass Wissenschaftler dieses zuvor verborgene Herz nicht nur sehen, sondern auch die Zuckungen der Herzkammern darin wahrnehmen können.
Der Pāhala Sill Complex, wie das Herz technisch genannt wird, scheint mehrere Arterien zu haben, die von ihm abzweigen. Ein Hauptweg, der von steinbrechenden Beben gekennzeichnet ist, scheint direkt in eines der seichten Magmareservoire des Kilauea zu führen. Es ist also vielleicht kein Zufall, dass der Sill-Komplex 2019 unablässig zu donnern begann. Während der Eruption 2018 wurde dem Kilauea ein erheblicher Teil seines seichten Magmavorrats entzogen, was zu einem Druckabfall führte. Als Reaktion darauf wurde Magma in die Schweller gesaugt, um den Druck auszugleichen. Ähnliche Ereignisse ereigneten sich während Kilaueas kürzerer Ausbruch 2020.
Weitere Arbeiten könnten dazu beitragen, die umstrittene Frage zu klären, ob Kilauea und Mauna Loa, die an der Oberfläche relativ nahe Nachbarn sind, irgendwie zusammengehören in Verbindung gebracht in großen Tiefen. Bis heute gibt es nur wenige konkrete Beweise für diese Hypothese, und Experten sind sich im Allgemeinen einig, dass die beiden Vulkane sind weitgehend unabhängig voneinander.
Die neue Studie hebt diesen Konsens noch nicht auf. Es zeigt eine weitere Hauptarterie des Schwellenkomplexes, die erneut von steinbrechenden Beben gekennzeichnet ist und in Richtung Mauna Loa aufsteigt. Aber dieser stoppt kurz vor einer großen horizontalen Verwerfung und scheint eines der seichten Magmareservoirs von Mauna Loa nicht zu erreichen.
Es ist auch nicht sicher, ob sich Magma durch einen dieser Wege bewegt. Das würde sich ändern, wenn zukünftige Arbeiten Langzeitbeben entdecken, die von ihnen ausgehen – die Art, die das Vorhandensein von Flüssigkeiten anzeigt, wahrscheinlich Magma.
„Die Ergebnisse sind umwerfend“, sagte er Diana Roman, ein Geophysiker an der Carnegie Institution for Science in DC, der nicht an der Studie beteiligt war. Aber „es ist immer noch unklar, ob das Magma, das bei Pāhala eindringt, direkt die Eruptionen von Mauna Loa und Kilauea speist.“
Roman hat auch die Pāhala-Beben untersucht. Sie hat 2021 mitgeschrieben Papier kamen zu dem Schluss, dass sie das Ergebnis von Magma waren, das in die Tiefe eindrang und gleichzeitig Unruhen auf Mauna Loa und Kilauea verursachte, indem beide darunter liegenden Rohrleitungsnetze zusammengedrückt wurden. Die neue Studie unterstützt diese Vorstellung einer indirekten Verbindung. Aber selbst mit diesem kartografierten magmatischen Netz ist es zu früh, um eine eindeutigere Verbindung zu nennen.
Dennoch bleibt ein Großteil der hawaiianischen Unterwelt unerforscht, und weitere magmatische Arterien könnten noch lokalisiert werden, sagte Ross.
„Was ist da noch drin, was nicht geleuchtet hat?“ er sagte. Wann immer Hawaiis höllischer Untergrund erneut heftig erzittert, wird das Team von Caltech bereit sein, es ins Rampenlicht zu rücken, in der Hoffnung, zu enthüllen, was vorerst verborgen bleibt.
