Zusammenfassung
Instabile Vulkanflanken stellen weltweit sowohl an aktiven, aber auch nachweislich an ruhenden Vulkanen eine erhebliche Gefahr dar. Wissenschaftler:innen vom Helmholtz-Zentrum für Geoforschung konnten nun zeigen, dass allein – auch ohne das Zutun von Magma im Innern eines Vulkans – aufsteigende aggressive und korrosive Fluide das Vulkangebäude schwächen. Heiße Fluide greifen das Gestein an bis Erosionen entstehen oder gar Teileinstürze drohen. Mithilfe von dreidimensionalen Drohnen- und in-situ-Festigkeitsmessungen an Vulcano (Äolische Inseln, Italien) konnte das Wissenschaftsteam dies exemplarisch nachweisen. Die innovative Kombination ihrer Methoden eröffnet völlig neue Möglichkeiten, Gefahren an steilen, schwer zugänglichen Vulkanflanken frühzeitig zu erkennen und zuverlässigere Vorhersagen zu treffen. Die Studie ist kürzlich Communications Earth & Environment erschienen.
Gefahren an Vulkanen: ursächliche Faktoren der Instabilität
Vulkanflanken können sehr plötzlich sehr instabil werden. Es kann sich aber auch ein langsamer Massenbewegungsprozess manifestieren, der erst allmählich in Erscheinung tritt. Dann kriecht z.B. der Boden langsam oder ein Fels kommt kaum bemerkbar ins Rutschen. In jedem der Fälle kann sich dabei sehr viel Schutt und Gesteinsmaterial abwärts bewegen, teils mit verheerenden Folgen. Bei (seltenen) großflächigen Erdrutschen gerieten in der Vergangenheit so schon mehr als 1000 Kubikkilometer Gesteinsmaterial und Schutt in Bewegung, die sich dann weitreichend ablagern können. Rutschen viele Megatonnen Geröll und Schutt ganz plötzlich ab und ins Meer, kann in seltenen Fällen auch ein Tsunami ausgelöst werden (siehe u.a. GFZ-Meldung: “Frühe Warnsignale vor fatalem Kollaps des Krakatau-Vulkans”). Vulkanische Schuttlawinen können aber auch ganz unmittelbar naheliegende Gemeinden und deren Infrastruktur gefährden.
Da großflächige Erdrutsche an Vulkanen selten sind, gibt es keine gute Datenbasis, auf die Wissenschaftler:innen zurückgreifen könnten. Dokumentierte Beobachtungen beschränken sich auf wenige gut untersuchte Fälle. Demnach waren bisher auch die Möglichkeiten die Stabilität von Hängen an Vulkanen zu beurteilen und mögliche Gefahren vorherzusagen, begrenzt. Darüber hinaus kommt erschwerend hinzu, dass es eine ganze Reihe von verschiedenen Prozessen gibt, welche Instabilitäten an Vulkangebäuden hervorrufen. Übermäßige Steilheit der Vulkanflanken gehört genauso dazu wie die Einlagerung von Magma bis hin zu Spannungsänderungen, geschwächtem Grundgestein, einem veränderten Porendruck und erhöhte seismische Aktivität. Darüber hinaus kann es sein, dass sich das Grundgestein ausbreitet oder heiße korrosive Fluide die Gesteinschemie und -physik verändern (hydrothermale Alteration).
Hydrothermale Veränderungen an Vulkanen: Forschungsbedarf
Auch wenn ein einzelner Prozess Vulkanflanken entscheidend destabilisieren kann, so ist Instabilität oft das Ergebnis einer Kombination all dieser Prozesse. Und dennoch: die hydrothermale Alteration gewinnt aufgrund ihrer fortwährenden Rolle bei der Schwächung von Vulkanflanken eine besondere Aufmerksamkeit. Hydrothermale Alteration in vulkanischen Umgebungen bedeutet typischerweise, dass aggressive, saure und über 200 °C heiße hydrothermale Flüssigkeiten zirkulieren, welche die Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeiten und Gesteinen begünstigen, was dann wiederum zur Auflösung, zum Ersatz und zur Ausfällung von Mineralien führen kann. Kann man hydrothermale Alteration nachweisen und beobachten, dann lässt das viele Rückschlüsse zu: wir erfahren sowohl etwas über den Zeitpunkt als auch über den Ursprungort der am Vulkan auftretenden Instabilitäten.
Hydrothermale Alteration tritt oft jedoch in steilen, gefährlichen oder anderweitig unzugänglichen Bereichen eines Vulkangebäudes auf, was die Überwachung erschwert. Daher konnte in der Vergangenheit der Zusammenhang zwischen dem durch aggressive heiße Fluide veränderten Gestein (hydrothermale Alteration) und der dem Ursprungsort/ der instabilen Zone am Vulkan oft erst im Nachhinein hergestellt werden, wenn die abgegangen Geröllmassen untersucht werden konnten.
Dann ist die Veränderung des Gesteinsmaterials manchmal sogar mit bloßem Auge erkennbar. Farbveränderungen zeigen hydrothermale Veränderungen manchmal schon an der Oberfläche an. Die Intensität der Verfärbung oder Aufhellung ist dann ein guter erster Indikator. Ansonsten lässt sich nur mit Untersuchungen des Gesteins eine veränderte Zusammensetzung und Mineralogie feststellen. Daher bleibt die Bewertung der mechanischen Eigenschaften und die Identifizierung von Bereichen, die besonders anfällig für Versagen sind, insbesondere in komplexem Gelände, eine Herausforderung. Typischerweise finden sich Bereiche, die einer hydrothermalen Umwandlung unterliegen, in der Nähe von Vulkankratern und entlang der Flanken von Vulkanbauten, wo der Aufstieg von Fluiden durch Spannungs- und Bruchnetzwerke gesteuert wird.
Ideales Studiengebiet: „La Fossa Cone“
Durch die außergewöhnlich gute Zugänglichkeit bietet der hier erforschte Vulkankegel La Fossa Cone auf der Insel Vulcano (Italien) ideale Forschungsvoraussetzungen: insbesondere der Kraterrand ist zugänglich. Vulcano ist Teil der Äolischen Inseln nördlich von Sizilien, die tektonisch sehr aktiv sind. Der Archipel liegt über einer Subduktionszone, die mit der Konvergenz der afrikanischen und europäischen Platten zusammenhängt. Hier schiebt sich (subduziert) die ionische Lithosphärenplatte sich unter die tyrrhenische Lithosphäre (=Subduktion). Die dadurch hervorgerufenen großen Spannungen und hydrothermalen Aktivitäten tragen zur Instabilität der Flanken der Vulkane des Äolischen Bogens bei. Aufgrund seines aktiven hydrothermalen Systems und den häufigen Erdrutschen ist der La Fossa-Kegel der Insel Vulcano ein ideales natürliches Labor für die Wissenschaftler:innen. Sie können hier Methoden zu dessen Beobachtung entwickeln und erproben. Obwohl die Erdrutsche am La Fossa Kegel um ein Vielfaches kleiner sind als große Sektorkollapse anderer Vulkane, bieten ihre Häufigkeit und Zugänglichkeit die Möglichkeit, einen Arbeitsablauf zu entwickeln, der später skaliert werden kann, um Vulkanflanken größerer Größe und mit größerem Zerstörungspotenzial zu bewerten.
Bisherige Instabilitäten am La Fossa Vulkankegel
- Vulkankrater: Entgasungen über Fumerolen - zuletzt 2021
Der Vulkankrater enthält zahlreiche Hochtemperatur-Fumarolen, die in den Abbildungen als zentrale Fumarolen-Zone (CFZ) und äußere Fumarolen-Zone (OFZ) bezeichnet werden. La Fossa hat häufige Perioden anomaler Fumarolen-Entgasung durchlaufen, insbesondere in den Jahren 1979–1981, 1985–1986, 1988–1991, 1996, 2004–2005, 2009 und zuletzt seit September 2021. Diese Perioden sind durch erhöhte Fumarolengas-Konzentrationen (Kohlendioxid, Stickstoff und Helium) im Verhältnis zu H2O gekennzeichnet, was auf einen erhöhten magmatischen Einfluss hindeutet. Die Unruhen des Vulkankegels im Jahr 2021 wurden durch eine schnelle, großflächige Einleitung von magmatischem Gas und Wärme in das flache hydrothermale Reservoir ausgelöst, was zu Siedevorgängen, Überdruck und Brüchen führte. Dies führte zu einer massiven dampfgetriebenen Entgasung, die zu einer messbaren Kraterhebung und erhöhter Seismizität führte.
- Großer Erdrutsch an der nordöstlichen Flanke 1988
Eines der bemerkenswertesten Ereignisse der jüngeren Vergangenheit ereignete sich 1988 (Abb. 1A,E) als etwa 200.000 m³ Material aus dem nordöstlichen Flügel von La Fossa ins Meer rutschten und einen kleinen Tsunami auslösten. Frühere wissenschaftliche Arbeiten identifizierten in diesem Zusammenhang unter anderem hydrothermal veränderte Oberflächen an der Hauptsteilstufe und den oberen Erdrutschabschnitten.
- Nordflanke
Weitere Anzeichen für Instabilität sind entlang der Nordflanke zu erkennen, insbesondere in den Bereichen Forgia Vecchia (Abb. 1A, C), die aktive Verformungen aufweisen. Dieser Bereich wird kontinuierlich mit geophysikalischen Methoden wie z.B. GPS und seismischen Stationen überwacht, da sich morphologische Hangveränderungen, subparallele Spannungsrisse in der Nähe des Hang-Randes und die Nähe zum Dorf Vulcano und dem nahegelegenen Hafen ständig verändern.
Methoden
Anliegen der Wissenschaftler:innen war es, die Festigkeit des Gesteins möglichst zuverlässig zu bestimmen und diese Festigkeit dann auch für die nicht-zugänglichen Bereich des Vulkangebäudes abzuleiten. Sie kombinierten dafür hochauflösende Drohnenbilder mit mechanischen Festigkeitsprüfungen, die sie direkt vor Ort in zugänglichen Bereichen durchgeführt haben. Über 1000 solcher relativen Festigkeitsmessungen wurden mit einem sogenannten Schmidt-Hammer durchgeführt. Schmidt-Rückprallwerte gelten als Proxy für relative Druckfestigkeit des Gesteins/Bodens. Dieser zweite Datensatz zur Bewertung der mechanischen Gesteinseigenschaften war von zentraler Bedeutung, um die Genauigkeit, der automatisiert über Drohnen erhobenen Daten beurteilen zu können. Die drohnenbasierte Photogrammetrie (DJI Phantom 4 Pro, Structure-from-Motion SfM) erstellt ein hochaufgelöstes Orthomosaik. Mit der Principal Component Analysis (PCA) wurden die RGB-Daten des Orthomosaiks statistisch analysiert. Ziel war die Hervorhebung der farblichen Unterschiede, die mit hydrothermaler Alteration einhergehen, so z.B. Bleichungen oder die Entstehung von Schwefel oder Tonmineralen. Vier Klassen wurde dafür eingeführt.
Ergebnisse
Ein Ergebnis der Forschungsarbeit ist eine detaillierte Echtfarben-Orthomosaik-Karte, die ein Gebiet von 3.74 km² abdeckt und eine sehr hohe Genauigkeit aufweist, die bis auf ~7,6 cm Bodenauflösung reicht. Die Wissenschaftler:innen konnten nachweisen, dass es zwischen nicht-verändertem und stark verändertem Gestein eine ≈ 48-50 prozentige Reduktion der relativen Festigkeit gibt. In der Karte sind die hydrothermal stark veränderten rot gekennzeichnet. Durch die Forschungsarbeit konnte nachgewiesen werden, dass die Klassifikation, die automatisiert mit Hilfe der Drohnen erstellt werden konnte (unsupervised), ähnlich genau ist wie die Klassifikation, die vor Ort mit Hilfe der direkten Messung der Gesteinsfestigkeit (Schmidt-Hammer-Methode) gefertigt wurde. Die am wenigsten festen Gesteine finden sich im Zentralen Fumarolenfeld, an steilen Nord- und Südflanken und in Bereichen früherer Hangrutschungen (Jahre: 1988, 2010). Sehr stark alterierte Zonen markieren potentielle zukünftige Instabilitätsbereiche.
Fazit
Die Alterationsintensität, wie sie über Drohnendaten erhoben werden konnte, hat sich in der Tat als als guter Proxy für mechanische Schwächung des Gesteinsmaterials erwiesen. Die Alterationsintensität und Orthomosaikkarte ermöglichen eine Gefahreneinschätzung für Vulkanflanken, die anderweitig nicht erreicht, aber potentiell instabil werden können.
Originalstudie:
De Jarnatt, B.F., Walter, T.R., Heap, M.J. et al.: Hydrothermal weakening and slope instability at Vulcano (Italy) analyzed using drones and in-situ strength measurements. Commun Earth Environ 7, 3 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-025-03014-5
