Scherverstärkte dynamische Permeabilitätsentwicklung von in zylindrischen Kanälen vesikulierender Magma

Warum Blasen in Lava wichtig sind

Vulkanische Eruptionen werden von Gasen angetrieben, die im geschmolzenen Gestein eingeschlossen sind. Ob ein Vulkan ruhig Lava ausfließt oder Asche hoch in die Atmosphäre schleudert, hängt weitgehend davon ab, wie leicht dieses Gas entweichen kann. Diese Studie untersucht, wie Blasen in zäher, gasreicher Magma miteinander und mit der Außenwelt verbunden werden und wie das Gestein sich von einem gasdichtenden Schwamm zu einem durchlässigen Schaum verwandelt. Das Verständnis dieses Wandels hilft zu erklären, warum einige Eruptionen explosiv und andere relativ ruhig verlaufen.

Blasen, die in einem felsigen Rohr aufsteigen

Im Inneren eines Vulkans steigt Magma häufig durch annähernd zylindrische Kanäle auf — felsige Leitungen, die Meter breit sein können. Beim Aufstieg fällt der Druck, gelöstes Wasser und andere Gase scheiden aus und bilden Blasen. Wenn genügend dieser Blasen sich berühren und verbinden, kann Gas durch die Magma perkolieren und entweichen. Frühere Arbeiten legten nahe, dass ein sehr hoher Anteil des Magmavolumens — oft mehr als die Hälfte — aus Blasen bestehen muss, bevor solche Pfade entstehen. Diese Abschätzungen vernachlässigten jedoch meist, wie stark die bewegte Magma durch Reibung an den Kanalwänden geschnitten, also geschert, wird. Die Autorinnen und Autoren wollten diese Situation im Labor mit echtem rhyolithischem Obsidian, einem natürlichen Vulkan-Glas, nachstellen, um zu sehen, wie Scherung die Schwelle verändert, bei der Gas frei fließen kann.

Miniatur-Laborsysteme von Vulkanen

Das Team bohrte kleine zylindrische Kerne aus Obsidian und erwärmte sie, bis Blasen zu wachsen begannen. In einer Versuchsreihe durften sich die Proben frei ausdehnen und ahmten damit Magma nach, das nicht stark von der Umgebung zusammengedrückt wird. In einer anderen Serie wurde jeder Glaszylinder in ein dickeres Basaltrohr mit etwas größerem Innendurchmesser gesetzt, wodurch die blasenreiche Magma sich seitlich ausdehnen musste, bis sie das Rohr berührte, und sich dann überwiegend nach oben ausrichtete. Durch Veränderung des Spalts zwischen Probe und Rohr steuerten die Forschenden, wie früh die Scherung einsetzte und wie stark sie wurde. Während des Erhitzens und Haltezeitraums verfolgten sie, wie stark die Proben anschwollen, wie viele Blasen entstanden, wie sich diese Blasen verformten und wie leicht Gas durch das entstehende Netzwerk strömen konnte.

Wie das Dehnen von Blasen Fluchtwege öffnet

Die Experimente zeigen einen scharfen Kontrast zwischen ruhiger und gescherter Magma. Wenn sich die Proben frei ausdehnten, blieben die Blasen nahezu rund, und selbst bei sehr hohen Blasenanteilen — bis zu etwa drei Viertel des Volumens — blieb die Magma praktisch luftdicht mit äußerst geringer Permeabilität. Sobald jedoch durch Begrenzung Scherung eingeführt wurde, änderte sich das Bild. In der Nähe der Ränder wurden Blasen schnell zu langgezogenen Formen gedehnt, die entlang der Flussrichtung ausgerichtet waren, und benachbarte Blasen begannen, sich zu berühren und zu verschmelzen. In mäßig gescher­ten Proben erschienen erhebliche Gaswege, sobald die blasenreiche Magma die Behälterwände streifte, bei Blasenanteilen von etwa 60–70 Prozent. In den Fällen mit stärkster Scherung stellte sich Konnektivität bereits bei deutlich geringeren Blasenanteilen ein, manchmal unter 20 Prozent, wobei diese frühen Pfade insgesamt jedoch weniger durchlässig waren.

Ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Gasgewinn und Gasverlust

Die Permeabilität in den gescher­ten Proben stieg nicht einfach mit der Gesamtmenge an Blasen. Stattdessen hing sie davon ab, welcher Teil des Porenraums tatsächlich verbunden war, sowie von Größe und Form der engen Engstellen, die Blasen miteinander verbinden. Sobald Pfade entstanden, begann Gas durch aufgerissene Bereiche der dichten äußeren „Rinde“ aus Glas, die die Proben überzieht, zu entweichen. Die Autorinnen und Autoren kombinierten ihre Messungen mit einem Blasenwachstumsmodell, um zu rekonstruieren, wie sich die makroskopische Permeabilität bei hoher Temperatur über die Zeit entwickelte. Sie fanden heraus, dass in sanft begrenzten Fällen scherverursachte Konnektivität den Gasaustritt gerade so schnell ermöglichte, dass er dem Blasenwachstum entgegenwirkte und einen vorübergehenden, selbstregulierenden Zustand erzeugte. In stark begrenzten Fällen setzte das Blasenwachstum auch nach Erreichen der Konnektivität weiter fort, jedoch langsamer, was zeigt, dass das Verbinden von Blasen nicht automatisch dazu führt, dass gasreiche, viskose Magma sofort und vollständig entleert wird.

Was das für reale Eruptionen bedeutet

Für natürliche vulkanische Kanäle implizieren diese Ergebnisse, dass bereits moderate Scherung den für Gasperkolation erforderlichen Blasenanteil drastisch senken kann und dass sich Verbindungen einmal gebildet auch dann halten können, wenn sich Blasen später wieder runder formen. Effektives Entgasen setzt allerdings auch durchgehende Routen bis zum umgebenden Gestein und einen Druckunterschied voraus, der den Fluss antreibt. Daher wird der Übergang von explosivem zu effusivem Verhalten bei silikatischen Eruptionen nicht nur durch die Anzahl der vorhandenen Blasen gesteuert, sondern auch dadurch, wie die Magma innerhalb des Kanals zusammengedrückt und gedehnt wird und wie ihre Gaswege an das weitere vulkanische Leitungssystem angeschlossen sind.

Zitation: Birnbaum, J., Schauroth, J., Weaver, J. et al. Shear-enhanced dynamic permeability development of magma vesiculating in cylindrical conduits. Sci Rep 16, 9838 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43344-8

Schlüsselwörter: Magma-Permeabilität, vulkanische Entgasung, Bläschen-Netzwerke, Eruptionsstil, ryolithische Magma