Zusammenfassung
Die rechtzeitige Vorhersage von Vulkanausbrüchen, um Behörden und Bevölkerung zu warnen, bleibt eine große globale Herausforderung. In einer im Fachmagazin Nature Communications veröffentlichten Studie stellen Forschende des Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) und des GFZ Helmholtz-Zentrums für Geoforschung eine neue Detektionsmethode namens „Jerk“ vor. Sie ermöglicht es, mithilfe eines einzigen Breitband-Seismometers sehr frühe, charakteristische Vorläufer-Signale von Vulkanausbrüchen in Echtzeit zu identifizieren. Dabei handelt es sich um subtile Bodenbewegungen im Zusammenhang mit Magmaeinbrüchen. Die Forschenden haben ihre Methode über einen Zeitraum von zehn Jahren in einem vulkanologischen Observatorium auf der Insel La Réunion evaluiert. Dabei konnten sie 92 Prozent der 24 Vulkanausbrüche, die zwischen 2014 und 2023 stattgefunden hatten, über Zeiträume von Minuten bis zu acht Stunden vorhersagen. 14 Prozent der Warnungen stellten sich als fehlerhaft heraus: Sie identifizierten zwar Magmabewegungen, diese führten jedoch nicht zu einer Eruption. Das Jerk-Tool verspricht somit, eine erfolgreiche Frühwarnmethode für die Vorhersage von Vulkanausbrüchen zu sein, und bietet mit seinem geringen instrumentellen Aufwand eine potenzielle Alternative insbesondere für schlecht überwachte Vulkane.
Hintergrund: Signale vor Vulkanausbrüchen
Vor Vulkanausbrüchen kommt es in der Regel zu Veränderungen von seismischer Aktivität, Bodenverformungen und Gasflüssen oder Gaszusammensetzungen. Hieraus auf die Wahrscheinlichkeit und die Merkmale eines möglichen Ausbruchs – seinen Zeitpunkt, die Dauer und Stärke – zu schließen, ist jedoch nach wie vor eine große Herausforderung. Insbesondere, da es wichtig ist, falsche Alarme möglichst zu vermeiden, die mit hohen wirtschaftlichen Kosten, gesellschaftlichen Störungen und einem Verlust an Glaubwürdigkeit verbunden sein können.
Neue Methode zur Echtzeit-Erkennung extrem subtiler Bodenbewegungen
Bisherige Vorhersage-Ansätze sind häufig probabilistischer Natur, suchen also nach statistischen Zusammenhängen in einer Vielzahl gemessener Daten. Ein Forschungsteam um Dr. François Beauducel vom Institut de Physique du Globe de Paris unter Mitwirkung von Dr. Philippe Jousset vom GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung in Potsdam schlägt nun einen direkten Ansatz vor, der ein automatisches Warnsystem ermöglicht: Mit der sogenannten „Jerk“-Methode können extrem subtile Bodenbewegungen, die mit tiefen Magmaeinbrüchen verbunden sind, in Echtzeit erkannt und identifiziert werden.
Die Methode basiert auf charakteristischen sogenannten Jerk-Signalen. Sie erscheinen als sehr niederfrequente Transienten, das sind impulsartige Übergangs- oder Einschwingsignale, die in den Daten für horizontale Bodenbewegungen sowohl in der Beschleunigungs- als auch in der Neigungskomponente beobachtet werden. Die Autor:innen zeigen, dass diese Signale wahrscheinlich durch dynamische Gesteinsbruchprozesse vor einer Eruption erzeugt werden.
Die Forschenden hatten diese Jerk-Signale bereits vor mehr als zehn Jahren bei der Analyse einer Vielzahl von Daten, die bei vergangenen Ausbrüchen des Vulkans Piton de la Fournaise auf der Insel La Réunion erhoben wurden, entdeckt. Sie haben Amplituden in der Größenordnung von wenigen Nanometern pro Kubiksekunde (nm/s³) und können mit einem einzigen sehr breitbandigen Seismometer erfasst werden. Inklusive einer speziellen Datenverarbeitung, die eine Korrektur für Erd-Gezeiten einschließt, haben die Forschenden hieraus ein Warnsystem entwickelt, das Alarm schlägt, sobald das charakteristische Signal einen Schwellenwert überschreitet.
Zehn Jahre lange Zeitreihe an automatisch erhobenen Daten auf La Réunion
Im April 2014 wurde dieses System im vulkanologischen Observatorium Piton de la Fournaise, das das Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP) der Université Cité Paris betreibt, als vollautomatisches Modul des WebObs-Systems implementiert. Es nutzt die Daten einer seismologischen Breitband-Station des globalen Geoscope-Netzwerks, die sich in 8 km Entfernung vom Gipfel des Vulkans (Rivière de l'Est) befindet. Eine erste Warnung wurde bereits am 20. Juni 2014 gesendet, 1 Stunde und 2 Minuten vor Beginn eines Ausbruchs.
Mehr als 10 Jahre lang war dieses System zur Erkennung und Analyse von Jerk-Signalen ununterbrochen in Betrieb und gab automatische Warnungen für 92 Prozent der 24 Ausbrüche aus, die zwischen 2014 und 2023 auftraten. Die Vorwarnzeiten variierten zwischen wenigen Minuten und 8,5 Stunden, bevor das Magma die Oberfläche erreichte.
Da der Piton de la Fournaise ein gut instrumentierter und überwachter Vulkan ist, herrschen hier nahezu Laborbedingungen. So konnten die Daten des Jerk-Tools anhand zahlreicher anderer Warnzeichen aus den vielfältigen Beobachtungsdaten validiert werden: Sie haben bestätigt, dass tatsächlich eine magmatische Intrusion stattgefunden hat und damit eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine Eruption bestand.
Darüber hinaus testeten die Forschenden ihre Methode auch anhand von Daten aus 24 alten Eruptionen zwischen 1998 und 2010. So konnten sie zeigen, dass die Jerk-Warnung systematisch funktioniert.
„Die große Originalität dieser Arbeit liegt darin, dass die Jerk-Methode über mehr als 10 Jahre hinweg in Echtzeit automatisch und unbeaufsichtigt getestet und validiert wurde und nicht, wie in den meisten in der Literatur veröffentlichten Studien zu Eruptionsvorläufern, im Nachhinein anhand von Daten“, erläutert Co-Autor Dr. Philippe Jousset, Wissenschaftler in der GFZ-Sektion 2.2 „Geophysikalische Abbildung des Untergrunds“.
Bedeutung und Nutzung falsch-positiver Ereignisse
Das System lieferte manchmal „falsch-positive Ergebnisse“ – eindeutige Warnungen, denen jedoch keine Eruptionen folgten. Das passierte in 14 Prozent der alarmierten Fälle. Sie stellten sich allerdings alle als echte Magmaintrusionen und damit als „abgebrochene Eruptionen“ heraus, eine Interpretation, die durch alle anderen Beobachtungen wie Seismizität, Verformungen und Analysen von vulkanischen Gasen bestätigt wurde. „Zusätzlich zur Wirksamkeit des Jerk-Alarms für Eruptionen erweist sich das Tool also als perfekter und eindeutiger Detektor für magmatische Intrusionen“, folgert Jousset.
So wurde auch während der letzten seismischen Krise am Piton de la Fournaise am 5. Dezember 2025, die mit geringen Verformungen und Gas-Anomalien einherging, ein kleines Jerk-Signal ausgesendet (nur 0,1 nm/s3), was bestätigte, dass tatsächlich eine Magma-Intrusion stattgefunden hatte.
Ausblick: Einsatz am Ätna und an schlecht instrumentierten Vulkanen
Im Prinzip, so glauben die Forschenden, könnte das Jerk-Tool nach dem mehr als zehnjährigen Einsatz und der erfolgreichen Evaluation auf La Réunion nun bereits bei anderen schlechter instrumentierten Vulkanen als einfache und effektive Methode zur Frühwarnung vor Vulkanausbrüchen eingesetzt werden.
Gleichzeitig möchten die Forschenden ihre Methode weiter evaluieren und an anderen aktiven Vulkanen erproben. Beispielsweise am Ätna (Italien), wo das Projekt „POS4dyke“ zur Erkennung des Jerk-Signals ein neues Netzwerk von Breitband-Seismometern des Geophysikalischen Gerätepools Potsdam GIPP nutzen wird. Der Einsatz soll 2026 in Zusammenarbeit mit dem INGV (Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Italien) beginnen und wird durch das Projekt SAFAtor unterstützt, das die Verwendung von Glasfaserkabeln für die Frühwarnung vor Erdbeben und Vulkanausbrüchen erforscht.
Originalstudie:
François Beauducel, Geneviève Roult, Valérie Ferrazzini, Aline Peltier, Philippe Jousset, Patrice Boissier & Nicolas Villeneuve. Jerk, a promising tool for early warning of volcanic eruptions. Nat Commun (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-66256-z
Weiterführende Informationen zum Piton de la Fournaise und zum GIPP-Projekt:
https://www.ipgp.fr/observation/ovs/ovpf/
https://www.facebook.com/ObsVolcanoPitonFournaise
