10. Apr. 2018

Luftbild der Grand Prismatic Spring, einer der größten heißen Quellen im Yellowstone National Park.

Der Supervulkan unter dem Yellowstone Nationalpark bezieht seine Kraft offenbar direkt von der Kern-Mantel-Grenze in mehr als 3000 Kilometer Tiefe. US-Geophysiker haben die wegweisend detaillierten seismologischen Daten des USArray-Projektes benutzt, um die Nachschubwege des Magmas vom Kern bis zur Oberfläche unterhalb der heutigen Rocky Mountains zu identifizieren. In „Nature Geoscience“ berichten sie über ihre Ergebnisse.

Der Yellowstone National Park gehört zu den Wundern Nordamerikas, seine Geysire, heißen Quellen und vielfarbigen Sinterterrassen sind einzigartig in der Welt. Unter all der Schönheit lauert freilich einer der größten und ausdauerndsten Supervulkane der Erde. Dreimal ist Yellowstone in den vergangenen 2,1 Millionen Jahren ausgebrochen und hat dabei 4500 Kubikkilometer Lava produziert. Zwei dieser Ausbrüche, der älteste und der jüngste, zählen zu den zehn stärksten bislang bekannten Vulkanausbrüchen. Nach Ansicht der Geowissenschaftler hat der Vulkan weiterhin das Potenzial zu ungeheuren Eruptionen, deren Konsequenzen in der modernen Welt katastrophal wären.

Erdtomographie spürt Quelle auf

Kein Wunder also, dass die seismische Überwachung von Yellowstone zu den besten der Welt gehört. In „Nature Geoscience“ haben US-Geophysiker die hochauflösenden Daten des Jahrhundertprojektes USArray benutzt, um die Frage genauer zu untersuchen, woher das Monster im Mittleren Westen seine Kraft bezieht. „Es wird schon seit langem darüber diskutiert, ob die Energie von der Kern-Mantel-Grenze in 3000 Kilometern Tiefe stammt, oder ob sie näher an der Oberfläche entsteht, in 200 oder vielleicht auch 600 Kilometern Tiefe“, erklärt Peter Nelson von der Universität Texas in Austin.

Seit Jahren versuchen die Geophysiker solche Fragen über das tiefe Erdinnere mit Hilfe der seismischen Tomographie zu lösen. Dabei fangen Seismometer-Netzwerke die Signale von Erdbebenwellen auf, die durch den Planetenkörper laufen, spezielle Computerprogramme setzen aus ihnen Bilder vom Erdinneren zusammen, so wie es Ärzte mit den Tomographiedaten eines menschlichen Körpers machen. Wie in der Medizin auch, ist in der Erdtomographie Auflösung alles. Und daran hapert es bei der Planetendurchleuchtung. Die Seismometernetzwerke sind zu weitmaschig, um mit hoher Auflösung tief in die Erde zu blicken.

Luftansicht des Yellowstone-Gebiets mit den durch Hebungen, die die Magmakammer verursacht.

Luftansicht des Yellowstone-Gebiets mit den durch Hebungen, die die Magmakammer verursacht.

Bild: Robert B. Smith
Norris Geysir Basin im Yellowstone National Park.

Norris Geysir Basin im Yellowstone National Park.

Bild: Robert B. Smith
Ein Geysir direkt am Firehole River in der Nähe des Geysirs Old Faithful.

Ein Geysir direkt am Firehole River in der Nähe des Geysirs Old Faithful.

Bild: Holger Kroker
Geysire im Midway Geysire Basin.

Geysire im Midway Geysire Basin.

Bild: Holger Kroker
Sinterterrassen am Mammoth Hot Spring.

Sinterterrassen am Mammoth Hot Spring.

Bild: Holger Kroker
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Luftansicht des Yellowstone-Gebiets mit den durch Hebungen, die die Magmakammer verursacht.

Bild: Robert B. Smith

Norris Geysir Basin im Yellowstone National Park.

Bild: Robert B. Smith

Ein Geysir direkt am Firehole River in der Nähe des Geysirs Old Faithful.

Bild: Holger Kroker

Geysire im Midway Geysire Basin.

Bild: Holger Kroker

Sinterterrassen am Mammoth Hot Spring.

Bild: Holger Kroker

USArray liefert hochaufgelöste Daten über nordamerikanischen Untergrund

Das USArray ist die derzeit einzige Ausnahme. In einem zehnjährigen Großprojekt vereinigten staatliche und universitäre Forschungseinrichtungen alle Mittel und stellten die Durchleuchtung der kontinentalen USA in zuvor und danach unerreichter Präzision auf die Beine. Nach und nach wanderte zwischen 2004 und 2013 ein umfangreiches transportables Seismometernetzwerk von West nach Ost durch die 50 Staaten des US-Hauptgebietes und ergänzte die stationären Messnetze vor Ort.

Die Daten aus diesem Mammutprojekt halfen Nelson und seinen Kollegen bei der Beantwortung der ungelösten Frage nach der Kraftquelle von Yellowstone. Mit ihnen konnten die Forscher erstmals die Wärmeströme im Erdmantel unterhalb von 600 Kilometer Tiefe darstellen. Sie beweisen, dass der tiefste Teil der Erde direkt die Oberfläche beeinflusst. Die Energie, die die Geysire um den seit 300 Jahre aktiven Old Faithful antreibt, stammt aus dem Erdkern. Und sie wird in einem Plume über 3000 Kilometer hinweg an die Oberfläche transportiert. „Der Plume entspringt an der Kern-Mantel-Grenze, und zwar - bezogen auf die Erdoberfläche - in Mexiko. Er steigt dann durch den Mantel auf und wird in einer Tiefe von rund 1000 Kilometern Tiefe durch Veränderungen in der Viskosität des Erdmantels in Richtung Yellowstone abgelenkt“, berichtet Peter Nelson.

Ursprungszone misst nur 350 Kilometer

An seinem Ursprung ist der Plume nur wenig größer als an der Erdoberfläche, die USArray-Daten zeigen, dass sich an der Kern-Mantel-Grenze eine Platte von vielleicht 350 Kilometern Durchmesser gebildet hat, deren Temperatur allerdings wesentlich höher ist als die des umgebenden Materials. Zwischen 650 und 850 Grad beträgt der Temperaturunterschied in 3000 Kilometer Tiefe und er verringert sich, je weiter das heiße Material nach oben steigt. In 600 Kilometern Tiefe ist er nur noch 300 bis 400 Grad heißer als seine Umgebung, und an der Oberfläche hat das Magma dann eine Temperatur erreicht, wie sie für Vulkane typisch ist. Allerdings reicht die Energie des Yellowstone-Plumes aus, den Eruptionsbetrieb über Jahrmillionen aufrechtzuerhalten und zwischendurch eine Unzahl heißer Quellen und anderer hydrothermaler Phänomene zu speisen, die Yellowstone heute zu einem Touristenmagnet machen.