Signale aus der Tiefe

Man nennt solche Signale DLF-Erdbeben („deep low frequency“). Sie wurden auch unter anderen Vulkanen beobachtet, vor allem in Japan. Experten vermuten, dass sie entstehen, wenn Magma oder Fluide aus der Tiefe aufsteigen und an den Rändern des Aufstiegsschachts Gestein abreißen oder Verstopfungen herausdrücken. Brisant ist, dass die Epizentren dieser Beben, die seit 2013 in der Eifel immer wieder registriert werden, akkurat auf einer Linie liegen, die genau auf den Laacher See zuläuft. Es scheint sich um einen Schlot oder Spalt zu handeln, der als Aufstiegshilfe genutzt wird. Möglicherweise ist es ein alter Schacht, der schon beim letzten Ausbruch Material förderte. Bereitet sich also in der Tiefe eine neue Eruption vor? Bahnt sich Magma einen Weg an die Oberfläche?

Plinianische Eruption

Dass die Eifel gefährlich ist, hat sie schon mehrmals bewiesen. Der letzte heftige Ausbruch, in dessen Folge der Laacher See entstand, liegt zwar schon 13.000 Jahre zurück. Doch eine vergleichbare Eruption heute hätte alles, um die deutsche Gesellschaft in ihren Grundfesten zu erschüttern. Damals war die Eiszeit gerade am Abklingen, in der Gegend um den Rhein wuchs ein schütterer Wald. Einzelne menschliche Spuren sind aus der Zeit bekannt. Dann brach das Inferno los. Es begann mit einer hochexplosiven Ouvertüre. Vier Meter dicke Gesteinsbrocken flogen über zwei Kilometer weit. Innerhalb von Tagen schleuderte der Vulkan rund 16 Kubikkilometer Bims in die Höhe. Nach dem vulkanischen Explosions-Index (VEI) war der Ausbruch heftiger als der des Vesuvs, der Pompeji zerstörte, oder der des Mount St. Helens.

Es handelte sich um eine sogenannte plinianische Eruption, benannt nach dem Römer Plinius dem Jüngeren, der den Vesuv-Ausbruch 79 nach Christi Geburt detailliert geschildert hat. Kennzeichen dieses Typs ist eine Aschesäule, die bis in die Stratosphäre schießt. In der Eifel erreichte sie eine Höhe von mehr als 35 Kilometern. Asche flog bis nach Italien und Schweden, ganz Europa wurde berieselt. Besonders fatal: Das ausgeschleuderte Material versperrte dem Rhein den Weg und ließ einen Stausee von mindestens 140 Kilometer Länge entstehen. Der spätere Bruch des Damms muss eine verheerende Flutwelle ausgelöst haben, die bis in die Nordsee schwappte. Jedes Mal, wenn die Kraft aus dem Erdinneren ein wenig nachließ, sodass der Auftrieb fehlte, brach die Eruptionssäule in sich zusammen und suchte sich einen anderen Weg: Sogenannte pyroklastische Ströme rasten die Hänge hinab und über die Erdoberfläche. Dieses Gemisch aus heißem Gas, Schlacke und Asche entwickelte Geschwindigkeiten wie ein Rennwagen. Die erkalteten Reste dieser Lawinen kann man noch heute in manchen Steinbrüchen erkennen.

Wenn es darum geht, ob und wann ein Vulkan erneut ausbricht, hilft zunächst ein Blick in die Vorgeschichte. Aus den Ablagerungen lässt sich das vergangene Vulkangeschehen recht gut rekonstruieren. Demnach gab es in der Eifel in den letzten 600.000 Jahren drei Ausbruchsphasen mit jeweils wenigen größeren explosiven Ereignissen und zahlreichen harmloseren Eruptionen, bei denen Hunderte relativ kleine Aschekegel entstanden. Dazwischen beruhigte sich der Untergrund für 100.000 Jahre oder länger. Man kann also keineswegs von einem erloschenen Vulkan sprechen, nur weil der letzte Ausbruch länger als 10.000 Jahre zurückliegt. Dazu kommt: Für eine anhaltende Aktivität in der Tiefe sprechen viele Anzeichen.

Untersuchung des Untergrunds

Vor allem die Seismik, das wichtigste Handwerkszeug der Geophysiker, zeigt, dass in der Tiefe keine Ruhe eingekehrt ist. Sie liefert nicht nur ein Bild der Struktur des Untergrunds, mit ihrer Hilfe lassen sich auch Magmakammern aufspüren. Denn Erdbebenwellen breiten sich in flüssiger oder plastischer Umgebung anders aus als in festem und sprödem Gestein. Scherwellen, die quer zur Ausbreitungsrichtung schwingen, können in Flüssigkeiten gar nicht auftreten. Und Kompressionswellen, die in Ausbreitungsrichtung schwingen, verlieren an Geschwindigkeit, wenn das Gestein an Festigkeit verliert. Unter der Eifel wurden im oberen Erdmantel solche Verlangsamungen registriert: Die Geschwindigkeit der Kompressionswellen ist um 2 bis 3 Prozent reduziert, die der Scherwellen um 5 bis 6 Prozent. Man geht deshalb davon aus, dass hier das Gestein teilweise geschmolzen ist – oder zumindest heißer als die Umgebung und damit verformbarer ist. Kombiniert man die Daten von vielen Erdbebenstationen, lässt sich ein räumliches Bild des Untergrunds erstellen. Das ist ähnlich wie bei der Computertomografie, mit der Ärzte den menschlichen Körper durchleuchten. In der Eifel hat die Tomografie gezeigt, dass ein heißes Gesteinspaket aus dem Erdmantel aufsteigt und in die Erdkruste vordringt. Experten sprechen von einem Plume.

Laboruntersuchungen an den herausgeschleuderten vulkanischen Gesteinen stützen diese These. Sie zeigen, dass der Magmakörper unter dem Laacher See während der letzten 30.000 Jahre nicht unter 630 bis 670 Grad abkühlte. Das ist nur möglich, wenn ständig heißes Material aus dem Erdmantel nachströmt. Von Ruhe kann also nicht die Rede sein. Ein weiteres Indiz ist die Aufwölbung der Erdoberfläche, wie sie anhand von Satellitendaten gemessen wird. Als würde eine kräftige Faust von unten dagegen drücken, hebt sich das Gelände seit Jahrhunderten, derzeit um rund ein bis zwei Millimeter pro Jahr. Obendrein blubbert ständig Kohlendioxid aus großer Tiefe nach oben, jährlich in einem Umfang von rund 0,5 bis 1 Million Tonnen – auch das ein typisches Zeichen für vulkanische Aktivität. Und nun registrieren Seismometer auch noch DLF-Erdbeben.

Aber seit wann gibt es diese DLF-Erdbeben? Eine verlässliche Antwort können Seismologen nicht geben. Möglicherweise rumort es schon seit Jahrzehnten oder Jahrhunderten, es wurde nur nicht wahrgenommen. Denn man braucht empfindliche Geräte und ein dichtes Messnetz, um die unscheinbaren Erschütterungen zu bemerken. Obendrein werden heutzutage viele Daten automatisch ausgewertet, sodass ungewöhnliche Signale wie DLF-Beben gar nicht auffallen. „Die Erdbebendienste der geologischen Landesämter in Mainz und Freiburg haben sich auch alte Daten angeschaut“, sagt Dahm. Allerdings half das nicht weiter. Denn ein Signal muss von mehreren Stationen registriert werden, damit man es orten und sicher zuordnen kann. Dafür standen die Seismometer damals nicht dicht genug. Doch seit 2013, als das Seismometernetz dichter und die Aufmerksamkeit geschärft wurden, tauchen DLF-Beben immer wieder auf, meist in „Clustern“, also in zeitlich und örtlich dicht aufeinander folgenden Schwärmen. Dass die Bebenzentren dabei eine Linie vom Erdmantel zum Laacher See bilden, beunruhigt die Experten zwar, doch es gibt auch eine gute Nachricht: Die Tiefe der Bebenherde variiert. „Wir wären sehr alarmiert gewesen, wenn die Beben unten angefangen hätten und immer höher gestiegen wären“, sagt Dahm. Dann wäre Gefahr im Verzug.

Aber was genau spielt sich in der Tiefe ab? Einig sind sich die Experten, dass ein Plume unter der Eifel sitzt, dass also heißes Material aus dem Erdmantel heraufströmt. Allerdings handelt es sich nicht um einen typischen Plume wie unter Hawaii, der einen sogenannten Hotspot an der Oberfläche verursacht, also einen permanenten, sehr aktiven Vulkanismus. In der Eifel handelt es sich eher um eine ortsfeste, recht müde Aktivität. Eine Ursache ist sicher, dass der Nachschub aus der Tiefe nicht sehr groß ist. Das führt zu den langen Pausen zwischen den Ausbrüchen. Auch konnte sich deshalb kein hoher Berg wie der hawaiianische Kilauea auftürmen, der auf permanenten Zufluss angewiesen ist. Zudem führt der schleppende Nachschub in der Eifel immer wieder dazu, dass die Glut aus dem Erdinneren keinen raschen Weg an die Oberfläche findet, sondern zwischendrin steckenbleibt.

Magma in der Erdkruste

Über den Aufstiegsmechanismus im Inneren eines Vulkans gibt das ausgeworfene Material Auskunft. Magma, das – wie auf Hawaii – aus dem tiefen Erdmantel rasch aufströmt, ist dünnflüssig und spritzt aus dem Schlot wie Wasser aus einem Springbrunnen. Verharrt die Schmelze dagegen zunächst in der Erdkruste, kristallisieren Minerale aus – es kommt zu einer Differentiation: Je nach Tiefenlage der Magmakammer kristallisieren andere Minerale aus, sodass sich die Auswurfprodukte unterscheiden. In der Eifel entstanden etwa Phonolithe oder Trachyte. Die gefundenen Gesteine deuten auf Magmareservoire sowohl in der unteren als auch in der oberen Erdkruste hin. Wegen des gebremsten Nachschubs kann sich die Schmelze hier über lange Zeiträume ansammeln und durch die Abkühlung entmischen – mit einem fatalen Nebeneffekt: Es entstehen Gase, die einen Ausbruch explosiv machen. Denn dann kommt das bekannte Sektflaschen-Prinzip zum Zug: Sobald die Schmelze einen Weg an die Oberfläche gefunden hat, vermindert sich der Druck, und das zuvor gelöste Gas dehnt sich explosionsartig aus.

Möglicherweise braucht es nicht einmal Wasser, um Krater wie den unter dem Laacher See aus dem Gestein zu sprengen. Früher ging man davon aus, dass der Eifel-Vulkanismus durch phreatomagmatische Eruptionen gekennzeichnet war, also das Zusammentreffen von Wasser und Gesteinsschmelze. Wer einmal Wasser in siedendes Öl gekippt hat, kennt die explosive Wirkung solcher Mischungen. Heute wird diskutiert, ob Wasser bei der Entstehung des Laacher Kraters vielleicht gar nicht nötig war.

Die Herausforderung für die Wissenschaftler: Sie sollen die Gefahr abschätzen, die vom Eifel-Vulkanismus ausgeht. Und sie sollen möglichst frühzeitig warnen, wenn ein Ausbruch bevorsteht. Doch das ist nicht so einfach.

In einem Punkt sind sich die Experten einig: Es wird wieder eine Eruption geben. Ob das allerdings in wenigen Monaten oder erst in 10.000 Jahren passiert, lässt sich derzeit nicht sagen. Vorstellbar ist etwa, dass eine Magmakammer bereits gut gefüllt ist. Dann genügt ein geringer Zufluss aus dem Erdmantel, der ohne Zweifel möglich ist, um eine Eruption zu triggern – der sprichwörtliche Tropfen, der das Fass zum Überlaufen bringt. Also müssen Wissenschaftler den Zustand der Magmakammern prüfen. Doch das ist bisher nicht gelungen, denn es gibt in der Tiefe keinen großen Hohlraum, der sich füllt und leert. Eine solche Struktur hätten Seismologen längst aufgespürt. Das Magma scheint sich vielmehr in vielen kleinen Spalten und Ritzen zu sammeln. Der Untergrund gleicht einem Puzzle aus festem, heißem und flüssigem Gestein.

Zahlreiche Messmethoden

Eine neue aufwendige Messkampagne mit dem Namen Large-N unter der Leitung des GFZ-Experten Torsten Dahm soll nun Licht in diese filigranen Strukturen bringen. N steht dabei für die Anzahl der Seismometer: Ein Jahr lang werden insgesamt rund 400 Geräte noch die schwächsten Erschütterungen auffangen. Der Abstand zwischen den Messpunkten beträgt nur ein bis zwei Kilometer. Damit soll ein Bild des Untergrunds entstehen, das erheblich schärfer ist als die Tomografien aus bisherigen Kampagnen. Im Herbst 2023 sind die Messungen abgeschlossen, erste Ergebnisse erwartet Dahm im Jahr darauf.

Es gibt noch weitere Methoden, um dem unterirdischen Getriebe auf die Spur zu kommen. Heiko Woith, Geologe am GFZ, kümmert sich seit zwei Jahren um die Kohlendioxid-Quellen, von denen in der Eifel rund 600 sprudeln. Nicht nur die Getränkeindustrie profitiert von diesen vulkanischen Nebenprodukten, sondern auch die Wissenschaft. Denn mit dem CO2 steigt Helium auf, das durch Isotope seine Herkunft verrät: Helium-3 stammt aus dem Erdmantel, Helium-4 wird in der Erdkruste produziert. Dass derzeit ein erheblicher Teil aus dem Mantel stammt, hilft für eine Vorhersage eines Ausbruchs allerdings nicht weiter. Doch Veränderungen sind verräterisch: Sobald Magma aus dem Erdmantel aufsteigt, erhöht sich der Anteil an Mantelhelium. Nur gibt es einen Haken: Eine Isotopenanalyse ist sehr aufwendig, lässt sich nur im Labor machen und schon gar nicht kontinuierlich.

Woith geht deshalb einen anderen, einfacheren Weg. Er hat an etwa einem Dutzend Quellen Messstationen aufgebaut, die permanent zahlreiche Parameter messen, etwa die Temperatur, die ausgeschüttete Wassermenge und die Leitfähigkeit – teilweise kombiniert mit hochpräzisen, kontinuierlich messenden GPS-Stationen. Schlägt sein System Alarm, lohnt sich eine kostspielige Isotopenanalyse. Doch noch steht Woith erst am Anfang, denn zwei Jahre sind zu kurz, um auffällige Abweichungen von der Norm zu finden.

Besonders viele Erkenntnisse liefert der direkte Blick in die Tiefe. Dort, wo das derzeit laufende seismische Experiment Large-N heiße Stellen detektiert, plant Woiths Kollege Dahm eine wissenschaftliche Bohrung. Sie soll zunächst ein bis zwei Kilometer tief reichen, später sogar bis zu vier Kilometer. Im Herbst 2022 fand bereits ein erster internationaler Workshop zum Thema statt. Eine Bohrung hat einen doppelten Nutzen: Zum einen erlaubt sie einen unmittelbaren Blick in die Tiefe, an dem man andere Messungen, etwa seismische, kalibrieren kann. Zum anderen ergibt sich daraus vielleicht ein Potenzial zur Energiegewinnung. Vulkanische Hitze lässt sich nutzen, um Strom und Wärme zu erhalten, wie man in Island sehen kann.

Die Wissenschaftler, die sich mit dem Eifel-Vulkanismus beschäftigen, sind zwar weit davon entfernt, Panik zu schüren. Doch ein Experten-Team von GFZ, der Universität Göttingen und dem Karlsruher Institut für Technologie rät in einer aktuellen wissenschaftlichen Einschätzung, publiziert über die Deutsche Geophysikalische Gesellschaft, nicht nur zu einer intensiveren Untersuchung des Eifel-Vulkanismus. Es empfiehlt auch, sich frühzeitig für den Umgang mit einer „vulkanischen Krise“ zu rüsten. Dazu gehören zum einen ein Ampelsystem, das die Größe der Gefahr signalisiert, und zum anderen eine interdisziplinäre Beratungskommission, die im Ernstfall der Politik zur Seite steht.