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Vulkanismus: Schlote, die Schlamm statt Feuer speien

Mit ihrem sprudelnden Gemisch aus Tonbrei, Wasser und Methan sind Schlammvulkane weniger spektakulär und gefährlich als Asche und Lava ausstoßende Feuerberge. Bedeutung erlangen sie durch ihren Einfluss auf das Klima und ihre Verbindung mit Öl- und Gas-Lagerstätten.


Nur einen Steinwurf entfernt von den Ferrari-Werken in Maranello blubbern Gase und Wässer aus schlammigen Kegeln und Seen mit Durchmessern von einigen dutzend Metern. Mit Geschwindigkeiten, die durchaus an jene der nebenan gefertigten Rennwagen heranreichen können, steigt hier gasreicher Schlamm aus einigen Kilometern Tiefe auf. Ursache des gespenstischen Treibens ist ein »kalter« Vulkanismus. Er wirkt zwar nicht so spektakulär und bedrohlich wie die sehr viel bekanntere heiße Variante, bei der glühende Lava in Fontänen aus dem Boden schießt oder Asche kilometerhoch in die Luft geschleudert wird. Lokal bildet er aber sehr wohl eine Gefahrenquelle.

So besteht das austretende Gas größtenteils aus feuergefährlichem Methan. Es kann sich an der Luft selbst entzünden und dann beispielsweise explosionsartig Baumbestände entwurzeln. Tritt es am Meeresboden aus, verringert es die Dichte des darüber liegenden Meerwassers, indem es sich mit ihm vermischt, und bricht unter Umständen so heftig durch die Wasseroberfläche, dass Schiffe in der Nähe sinken – so geschehen vor der Ostküste Großbritanniens im Herbst 2000. In der Atmosphäre entfaltet Methan eine sehr viel stärkere Treibhauswirkung als das berüchtigte Kohlendioxid, in das es sich allerdings innerhalb weniger Jahre durch Reaktion mit Sauerstoff umwandelt.

Schon vor zwei Jahrhunderten, in der grauen Vorzeit der geowissenschaftlichen Grundlagenforschung, finden sich in Pionierstudien zur Morphologie der Erde Berichte über seltsame Kegel und Dome, die bei oberflächlicher Betrachtung wie überdimensionale Maulwurfshaufen aussehen. Solche Beobachtungen aus Indien, Persien, Westeuropa oder Russland tauchten damals regelmäßig in den Journalen naturforschender Gesellschaften auf. Selbst Goethe erwähnte im »Faust«, über Nacht sei ein Berg aus Schlamm aufgeworfen worden. Dabei irrte er allerdings; denn der Monte Nuovo in den phlegräischen Feldern bei Neapel, auf den sich diese Bemerkung bezieht, entstand durch normale vulkanische Aktivität. Man muss dem großen Dichter und Universalgenie den Fehler freilich verzeihen, denn zu seiner Zeit waren die meisten grundlegenden Mechanismen geologischer Vorgänge noch lange nicht entdeckt.

Immerhin erkannten die frühen Erdwissenschaftler schon bald, dass die »überdimensionalen Maulwurfshaufen« trotz ihrer variablen Größe und Beschaffenheit alle auf ähnliche Weise entstehen. Stets dringen wasser- und gasreiche Tone aus dem Untergrund empor und treten in teils heftigen Eruptionen an der Erdoberfläche aus. Sowohl die Tiefe, aus der sie stammen, als auch die Geschwindigkeit des Aufstiegs können stark variieren. In jedem Fall aber ist Wasser erforderlich, um das Material im Untergrund zu mobilisieren.

In den 1930er Jahren wurden für das Phänomen die Begriffe sedimentärer Vulkanismus und Schlammdiapirismus geprägt. Der Erstere spielt auf die Analogie zu magmatischen Erscheinungen an, macht aber zugleich deutlich, dass in diesem Fall keine Gesteinsschmelze, sondern aufgeschlämmtes Sedimentgestein austritt. Die zweite Bezeichnung (von griechisch diapeirein, »durchdringen«) bezieht sich auf den Aufstiegsmechanismus, der dem von Salzdomen (Diapiren) ähnelt: Ein spezifisch leichteres Material erfährt, dem Prinzip des Archimedes folgend, einen Auftrieb und wandert durch dichteres Material gegen die Schwerkraft in Richtung Erdoberfläche.

Während beim normalen Vulkanismus flüssiges Gestein (Magma) und beim Salzdiapirismus Evaporite (Gips, Stein- und Kalisalze) ihr Überlager verdrängen oder entlang von Schwächezonen aufsteigen, werden im Fall von Schlammdiapiren gewöhnlich die tonreichsten Lagen in einer Gesteinsformation mobilisiert und wandern als pilzförmige Aufwölbung nach oben. Das liegt an den besonderen Eigenschaften des Tons. Für sich allein schon ist er spezifisch leichter als andere gesteinsbildende Minerale wie Quarz, Feldspat, Kalk oder Erze. Außerdem vermag er aber große Mengen Wasser zu speichern. Selbst feste Tonsteine, die bereits einige Kilometer tief versenkt wurden, können wieder Feuchtigkeit aufnehmen und quellen. Dabei erniedrigt sich ihre Dichte, sodass sie Auftrieb erhalten und nach oben steigen. Zudem sind gequollene Tonminerale sehr glitschig und haben eine geringe Viskosität. Damit wirken sie gewissermaßen als Gleitmittel für den Schlamm.

Ursprünglich waren Schlammvulkane nur an Land bekannt. So untersuchte sie der deutsche Erdwissenschaftler Otto Wilhelm Hermann von Abich (1806-1886), Mineralogie-Professor an der Universität der estnischen Stadt Dorpat (Tartu), im 19. Jahrhundert in der Umgebung des Kaspischen Meeres. Dabei beobachtete er 1863 bereits einen Ausbruch in dem Gewässer selbst, bei dem eine neue Insel entstand. In den 1930er Jahren erforschte der Schweizer Erdölgeologe Hans G. Kugler (1894-1986) den Schlammvulkanismus auf der Karibik-Insel Trinidad, die für das Phänomen berühmt ist.

Verbesserte geophysikalische Untersuchungsmethoden erlaubten es in den vergangenen Jahrzehnten, zahlreiche geologische Strukturen am und unterhalb des Meeresbodens mit hoher Auflösung abzubilden, die zuvor gar nicht oder nur vage bekannt waren. Dabei zeigte sich, dass auch am Meeresgrund kleine bis mittelgroße Berge aus tonreichen Sedimenten vorkommen. Tatsächlich sind sedimentäre Vulkane nicht nur an Land, sondern auch in den Ozeanen weit verbreitet. Unter Wasser werden sie durch Meeresströmungen allerdings relativ schnell wieder abgetragen. Der geringe Widerstand, den die aus unverfestigtem Schlamm bestehenden Strukturen der Verwitterung entgegensetzen, erklärt auch, weshalb fossile Exemplare aus frühen Epochen der Erdgeschichte so gut wie nicht erhalten sind.

Obwohl sedimentäre Vulkane in geologisch sehr unterschiedlichen Regionen vorkommen, haben sie eine erstaunlich ähnliche Zusammensetzung. Schlamm ist per Definition eine Mischung von mindestens fünfzig Prozent Ton mit kleineren Beimischungen von Silt (0,02-0,63 Millimeter Korngröße) und Sand (0,63-2 Millimeter). Bei seinem teils gewaltsamen Aufstieg aus der Tiefe – in der Regel entlang einer tektonischen Verwerfung oder anderen Schwächezone – reißt er oft lose Brocken des Ne­bengesteins mit. Diese Trümmer können Durchmesser von einigen Millimetern bis zu etlichen Metern erreichen. Sie legen beredtes Zeugnis von der Gewalt des aufdringenden Schlamms ab und lassen unmittelbar erkennen, welche Gesteinsserien er auf dem Weg zur Oberfläche durchquert hat. Außerdem verleihen die bereits verfestigten Brocken dem sich bildenden Vulkankegel an der Oberfläche Stabilität und erlauben dadurch Hangneigungen bis zu 15 Grad.

Zwar finden sich Schlammvulkane praktisch überall auf der Erde, doch konzentrieren sie sich an Stellen, an denen zwei der starren Platten, welche die feste Erdschale (Lithosphäre) aufbauen und wie Eisschollen auf dem zähplastischen Erdmantel treiben, zusammenstoßen und gegeneinander vorrücken. Der Grund dafür ist leicht einzusehen. An solchen Kollisionszonen werden Sedimente gequetscht und dabei ausgepresst und entwässert. Zugleich ist der Gesteinskörper oft bis einige Kilometer hinab mit Störungen durchsetzt. Ein Schlammkörper in der Tiefe nutzt diese Schwächezonen, um sich seinen Weg an die Erdoberfläche zu bahnen.

Typische Kollisionsbereiche sind so genannte Subduktionszonen. An ihnen schiebt sich eine ozeanische Platte unter einen Kontinentalrand, wobei sich oft ein Tiefseegraben bildet. Die ozeanische Platte besteht aus basaltischem Material, auf dem sich je nach ihrem Alter eine unterschiedlich mächtige Sedimentschicht abgelagert hat. Diese kann anfangs siebzig bis achtzig Prozent Wasser enthalten. Es steckt vor allem in den Zwischenräumen blättchenförmiger Tonminerale, die sich zunächst in einer sehr lockeren Kartenhausstruktur anordnen.

Wenn die Platte unmittelbar vor ihrer Subduktion in den Bereich des Tiefseegrabens gerät, sammelt sich rasch weiteres Material darauf an, das vom Kontinentalrand und dem Festlandsockel abrutscht. Unter dieser zusätzlichen Auflast beginnt das »Kartenhaus« der Tonblättchen zu kollabieren, und das Porenwasser wird nach und nach ausgepresst. Gleichzeitig wandert das Sediment jedoch mit der abtauchenden Platte unter die kontinentale Platte, was die Freisetzung des Wassers erschwert. Wenn dieses nicht schnell genug zurück ins Meer entweichen kann, werden wasserreiche Sedimente in größere Tiefen verfrachtet, wo sie relativ zum herrschenden Druck zu viel Porenvolumen haben. Es kommt zu einem so genannten Fluid-Überdruck. Zugleich entwickelt ein solches wasserbeladenes Sediment einen beträchtlichen Auftrieb, da es weniger dicht (spezifisch leichter) ist als das Gestein da­rüber. Diese »Dichte-Inversion« ist ein Grund für die starke Aufwärtstendenz.

Zersetzung biologischer Reste im Sediment zu Methan

Ein zweiter Faktor kommt hinzu. Der Erosionsschutt, der sich im Tiefseegraben sammelt, enthält auch viel organisches Material. Kontinentalränder sind Zonen, an denen nährstoffreiches Wasser aufsteigt. Zudem führen einmündende Flüsse außer Sedimenten auch Nährstoffe heran. Kontinentalhänge und insbesondere die Flachwasserbereiche über dem Festlandsockel sind deshalb reich an Mikroorganismen, die nach ihrem Tod auf den Meeresboden sinken. Das feine, lockere Gesteinsmaterial, das den Schelfhang hinab in den Tiefseegraben rutscht, baut diese organischen Reste ins Sediment ein. vWährend die ozeanische Platte dann in der Subduktionszone abtaucht, heizt sie sich allmählich auf. Mit steigender Temperatur wandelt sich das organische Material chemisch um. Dabei entstehen zunächst kurzkettige flüchtige Kohlenwasserstoffe – vor allem Methan. Dieses Gas erhöht den Fluid-Überdruck der rasch abgelagerten Sedimente zusätzlich, verstärkt so die Dichte-Inversion und steigert damit den Auftrieb. Wenn der Schlamm schließlich empordringt und in flachere Tiefenstockwerke gelangt, dehnt sich das Methan dramatisch aus, was zu heftigen Ausbrüchen an Land und unter Wasser führen kann.

War das Methan in der Tiefe gar als festes Gashydrat, einer eisähnlichen Substanz aus gefrorenem Wasser und Methan, gespeichert, kann es beim Aufstieg schmelzen und sich um das über 150fache ausdehnen (siehe »Brennendes Eis – Methanhydrat am Meeresgrund«, Spektrum der Wissenschaft 6/1999, S. 62). Im Extremfall treten dabei binnen Tagen bis zu einer halben Million Kubikmeter Schlamm aus, der sich in Strömen einige hundert Meter weit wälzt. Das aufsteigende Gas kann auch gefährliche großräumige Rutschungen auslösen, wenn es sich dicht unter der Oberfläche ausdehnt.

Während Salzdiapire um wenige Millimeter pro Jahr nach oben vordringen, liegt die Aufstiegsgeschwindigkeit von Schlamm viel höher. Abschätzungen, die nur die Dichte-Inversion als Triebkraft berücksichtigen, liefern bei einem Schlotdurchmesser von einem Meter bereits Werte um zwei Millimeter pro Sekunde oder fast siebzig Kilometer pro Jahr. Schon ein bis zehn Prozent Gas zusätzlich, die im Porenwasser gelöst sind, können die Aufstiegsgeschwindigkeit jedoch auf über hundert Meter pro Sekunde – schneller als ein Rennwagen – hochjagen. In diesem Fall sind selbst Schlammausbrüche aus einigen Kilometern Erdtiefe eine Sache von Sekunden.

Die unterschiedliche Vehemenz des Aufstiegs spiegelt sich auch in der Oberflächengeometrie von Schlammvulkanen wider. Wenn der Weg frei ist, kann der Tonbrei langsam und friedlich empordringen und an der Oberfläche trocknen und aushärten, bevor weiteres Material nachströmt. In diesem Fall entstehen eher schmale, steile Dome mit einer Hangneigung von mehr als fünf Grad. Bei etwas höheren Aufstiegsgeschwindigkeiten bilden sich dagegen flachere Kegel oder Fladen, die Durchmesser von mehreren dutzend Kilometern erreichen können.

Heftiger, gasgeladener Schlammausstoß schließlich erzeugt kraterähnliche Senken. Zu einer solchen explosiven Freisetzung kommt es, wenn das Gestein über dem Schlammreservoir für Gas fast undurchlässig ist. Dann baut sich ein enormer Druck auf, der die überlagernden Schichten irgendwann gewaltsam sprengt, was in der Regel ein Erdbeben auslöst. Die resultierenden Ausbrüche gehen oft mit der katastrophalen Freisetzung großer Mengen an Methan einher.

Die größten bekannten Schlammvulkane an Land haben bis zu acht Kilometer Durchmesser. Da sie meist in Gruppen auftreten, bedecken ihre Ausflüsse oft weite Flächen. In der Kaukasus-Region sind aus Georgien und Aserbaidschan sowie aus dem Schwarzen und Kaspischen Meer über 300 Schlammvulkane von zum Teil beachtlicher Größe beschrieben worden. Der Kaukasus ist ein alter Gebirgskeil, der vor etwa 30 Millionen Jahren entstand, als die Arabische Kontinentalplatte mit Eurasien kollidierte und dabei einen ehemaligen Ozean namens Tethys einengte und schließlich ganz schloss. Die Sedimente am Boden dieses Meeresbeckens wurden ineinander verschuppt, verfaltet und zum Teil bis zu 15 Kilometer tief versenkt. Ein Teil des tonreichen Materials dringt nun an weit hinabreichenden Störungen im Gebirgskeil als Gesteinsbrei wieder an die Erdoberfläche.

Schlammvulkane häufen sich auch an kontinentalen Verwerfungszonen auf Trinidad, in den Pyrenäen und Alpen sowie im Apennin. Bei einzelnen Ausbrüchen werden zum Teil enorme Materialmengen gefördert. Nach historischen Überlieferungen sind in Aserbaidschan manchmal innerhalb weniger Stunden bis Tage mehr als 150000 Kubikmeter Schlamm und Trümmergestein ausgetreten.

Sogar 250000 Kubikmeter Schlamm waren es, die im August 1964 innerhalb von zwei Tagen die Insel Chatham vor der Küste Trinidads entstehen ließen. Sie erreichte einen Durchmesser von etwa 200 Metern, erhob sich aber nur wenige Meter über den Meeresspiegel und verschwand nach acht Monaten wieder. Die unstete Insel war bereits durch Eruptionen in den Jahren 1911 und 1928 aufgetaucht und tat das zum vorerst letzten Mal im Mai 2001.

Solche Ausbrüche im Flachwasser treten nicht selten an Störungszonen innerhalb des Festlandsockels auf. Im März 1999 entstand vor der Küste Pakistans aus knapp 160000 Kubikmeter Schlamm, die aus einer Wassertiefe von zehn Metern aufdrangen, kleine Insel Malan. Auch sie wurde schon nach einigen Wochen wieder ein Raub der Wellen.

Andere Beispiele für küstennahe Extrusionen an Land sind ausgedehnte Schlammdome in Pakistan, weiten Teilen Indonesiens, Taiwan und auf Barbados. Submarin wurden noch weit größere Schlammextrusionen entdeckt. Am häufigsten finden sie sich im Bereich der Kleinen Antillen und im östlichen Mittelmeer. Um die Insel Barbados herum ist der Meeresboden mit über 450 Schlammvulkanen gespickt, die zum Teil bis sechs Kilometer Durchmesser erreichen. Auch auf dem Mittelmeerrücken, der als sichelförmiges submarines Gebirge von Süditalien bis Zypern reicht und sich etwa zwei Kilometer über den Untergrund erhebt, befinden sich mehr als 200 Exemplare unterschiedlicher Geometrie. Tiefseebohrungen im Jahre 1995 ergaben, dass sie schon seit über einer Million Jahre aktiv sind. Bei Tauchfahrten mit dem französischen Unterseeboot Nautile, das auch die Titanic am Meeresgrund filmte, konnten Wissenschaftler direkt beobachten, wie Methan aus dem Boden entwich.

Auf den submarinen Schlammvulkanen ernährt das Gas eine vielfältige Lebensgemeinschaft aus Bakterien, Röhrenwürmern, Muscheln und anderen Tieren, die auf dieses unwirtliche Habitat in etwa zwei Kilometer Wassertiefe spezialisiert sind. Selbst höhere Lebewesen wie Fische, die sich an den hohen Druck und die völlige Dunkelheit angepasst haben, wurden bei den Tauchfahrten beobachtet.

Plötzliche heftige Ausbrüche nach langen Ruhephasen

Das Mittelmeer beherbergt auch einige der größten bekannten Schlammvulkane. Schildförmige Gebilde von bis zu vierzig Kilometer Durchmesser wurden entdeckt; allerdings sind sie im Durchschnitt maximal 500 Meter hoch. Imposanter wirken die grünlichen Serpentinitdome am elf Kilometer tiefen Marianengraben im Westpazifik, dem tiefsten Punkt der Erde, die aus hydratisiertem Material des Erdmantels bestehen. Sie haben zwar nur bis etwa dreißig Kilometer Durchmesser, erheben sich aber bis zu zwei Kilometer über den umgebenden Meeresboden. Schätzungen zufolge sind einige davon schon im Eozän entstanden, also vor 34 bis 55 Millionen Jahren.

Genau wie die Asche und Lava speienden Feuerberge geben sich auch Schlammvulkane ausgesprochen launisch: Nach langen Zeiten relativer Ruhe, in denen nur passiv Methan ausgast, ereignen sich plötzlich kurze, heftige Eruptionen. Die solidesten statistischen Daten über die Ausbruchshäufigkeit liegen aus Aserbaidschan vor, wo historischen Überlieferungen zufolge jeder Schlammvulkan durchschnittlich alle fünfzig Jahre einmal aktiv wird. Manche Exemplare, die auf tektonisch besonders aktiven Störungen sitzen, übertreffen diesen Mittelwert aber bei weitem. So ist Lokbatan auf der Halbinsel Aspheron am Kaspischen Meer zwischen 1828 und 1990 nicht weniger als 22-mal ausgebrochen – das heißt alle sieben bis acht Jahre.

In seltenen Fällen werden Gasausbrüche auch von Menschenhand ausgelöst. Wenn der Bohrer bei der Exploration auf fossile Brennstoffe ein Gasreservoir oder eine Gas führende Schicht trifft, bewirkt die plötzliche Druckentlastung, dass geysir­artig Gas-, Wasser- und Schlammfontänen emporschießen. Auch für die marinen Schlammvulkangebiete ist ein episodisches Verhalten bezeugt; allerdings lassen sich die Ruhephasen zwischen Schlammextrusionen anhand von Mikrofossilien nur auf einige tausend Jahre genau datieren.

Schon früh zeigte sich ein Zusammenhang zwischen Kohlenwasserstoffvorkommen in der Tiefe und Schlammextrusion an der Erdoberfläche. Dieser potenzielle ökonomische Nutzen weckte das Interesse der Ölindustrie am sedimentären Vulkanismus und trieb so seine Erforschung vo­ran. Allerdings geschah das auf einseitige Weise: Im Vordergrund stand das Bestreben, zu verlässlichen Abschätzungen über das Niveau zu gelangen, in dem sich die Gas- oder Ölvorkommen befinden.

Diese Aufgabe erwies sich freilich als kniffelig: Die genaue Herkunft des aufgedrungenen Materials lässt sich meist nur in detektivischer Kleinarbeit bestimmen. Die einzelnen Komponenten können nämlich aus sehr unterschiedlichen Niveaus stammen. Insbesondere die fluiden Anteile – wässrige Lösungen und Gase – kommen oft aus großen Tiefen, im Falle von Faltengebirgen sogar zum Teil aus dem Erdmantel. Sie wandern durch die darüber liegenden Schichten und verflüssigen erst in höheren Stockwerken Tonsteine, die sie dort antreffen. Der so entstehende Schlamm sammelt auf seinem Weg an die Oberfläche dann seinerseits lose Gesteinsbrocken der höheren Schichten auf, die gemeinhin jünger sind. Diese mitgerissenen Trümmer erschweren Altersbestimmungen des Tons und damit Rückschlüsse auf dessen Ablagerungstiefe. Wegen solcher Komplikationen betrachtet man die Herkunft der Auswurfprodukte von Schlammvulkanen in der Regel gesondert nach ihrem Aggregatzustand.

Die feste Komponente, bestehend aus Schlamm und Trümmern, kann im einfachsten Fall mit Gesteinen aus der Umgebung verglichen werden. Da geologische Schichten oft nicht horizontal verlaufen, liegt eine solche Schicht an einer Stelle möglicherweise sehr tief, während sie in einigen Kilometern Entfernung an der Oberfläche ausstreicht. Durch Rekonstruktion des dreidimensionalen Bildes verfalteter Tonsteine anhand geologischer Karten gelingt es unter Umständen, die Ausgangs- oder Mutterschicht eines Schlammvulkans zu lokalisieren. Im Kaukasus liefern solche Interpretationen in erster Näherung Tiefen bis zu zwölf Kilometern.

Der Schlammquelle auf der Spur

Andere Methoden basieren darauf, dass sich organische Bestandteile des Sediments bei der zum Erdinneren hin steigenden Temperatur in charakteristischer Weise umwandeln – oder reifen, wie Erdölgeologen sagen. So werden Kohlenwasserstoffe mit zunehmender Verweildauer und Erwärmung in der Tiefe langkettiger.

Doch auch andere Komponenten im Sediment verändern sich bei Druck- und Temperaturzunahme. Biogener Opal, ein amorphes Silikat, aus dem die Gehäuse der Diatomeen aufgebaut sind, wandelt sich in Quarz um. Dabei wird Wasser freigesetzt. Das Gleiche geschieht, wenn Smektit – ein in marinen Ablagerungen häufiges Tonmineral – zu Illit wird. Das abgespaltene Wasser kann dann unmittelbar Schlammvulkanismus antreiben. Die chemischen und mineralogischen Veränderungen im Gestein lassen sich bestimmten Temperaturbereichen im Erdinnern zuordnen und erlauben so Rückschlüsse auf die Tiefe der Mutterschicht eines Schlammvulkans.

Aber auch die im Wasser gelösten Ionen sind verräterisch. So entweichen »volatile« Elemente wie Bor, Stickstoff, Cäsium, Barium, Antimon und Uran schon bei weniger als 100 Grad Celsius aus dem Gestein und lösen sich im Porenwasser. Mit zunehmender Temperatur ereilt dieses Schicksal auch weniger mobile Elemente wie Arsen, Lithium oder Beryllium. Zudem finden Fraktionierungsprozesse statt, bei denen sich das Verhältnis zwischen den verschiedenen Isotopen eines Elements ändert. All das ermöglicht Aussagen über die Ausgangs­tiefe der Wässer. Selbst in nicht mehr aktiven Schlammvulkanen können diese geochemischen Signaturen »eingefroren« sein, weil Ausfällungsprozesse das Porenwasser als Carbonat fixieren. Diese Zementation des Schlamms macht den Vulkan zugleich stabiler und schützt ihn vor Erosion.

Auch die Gase sind geochemisch aufschlussreich. Insbesondere bilden die Beimischungen der längerkettigen Kohlenwasserstoffe Ethan, Propan oder Butan zum fast allgegenwärtigen Methan eine Art Thermometer, das die maximal erreichten Temperaturen in der Tiefe anzeigt. Andere Gase wie Kohlendioxid oder Helium können in Einzelfällen sogar aus unteren Lagen der Erdkruste oder aus dem Erdmantel stammen. Deshalb treten sie insbesondere in Kollisionszonen auf, wo Gebirge aufgeworfen werden. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass das Verhältnis der verschiedenen Gase, Wässer und Feststoffe eines Schlammvulkans wichtige Steine im Puzzle seiner Entstehung und Geschichte liefert.

Generell zählt der Stoffumsatz von Schlammvulkanen zu den Eigenschaften, für die sich Geologen am meisten interessieren, da er im Kreislauf der Gesteine und ihrer Formationswässer eine wichtige Rolle spielt. Um ihn abzuschätzen, ist es notwendig, vor allem die bisher nicht so gut bekannten submarinen Dome genau zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurde bei zahlreichen Erkundungsfahrten im Mittelmeer dessen Untergrund mit Sonarverfahren und anderen geophysikalischen Aufnahmetechniken flächendeckend kartiert. Außerdem haben Erdwissenschaftler den gesamten Bereich südlich von Kreta mit einem engen Netz seismischer Profile überzogen. Dabei werden mit einem Schallsignal, das von den Gesteinsschichten in der Tiefe reflektiert wird, längs einer Messlinie geologische Strukturen durchleuchtet und abgebildet – ähnlich wie der menschliche Körper in einem Röntgenbild. Der wasserreiche Schlamm lässt sich daran erkennen, dass er den Schall langsamer weiterleitet als Festgestein.

Überraschende Funde im Mittelmeer

Vor allem der Mittelmeerrücken wurde eingehend untersucht. Geologisch handelt es sich dabei um einen so genannten Akkretions- oder Anwachskeil. Eine solche Struktur entsteht an Subduktionszonen, wenn der Kontinent – in diesem Fall Europa mit seinem vorgelagerten Festlandsockel – Sedimente von der unter ihn abtauchenden ozeanischen Platte abschabt, die sich dann wie Schnee, der von einem Schneepflug aufgeschoben wird, fächerförmig vor seinem Rand anhäufen.

Die geophysikalischen Erkundungen im Mittelmeer zeigten, dass sich die Schlammvulkane entlang dieses Anwachskeils in drei Regionen konzentrieren. An seinem südlichen Rand finden sich kleine Dome mit Durchmessern unter einem Kilometer. Sie werden durch das Porenwasser gespeist, das aus den Sedimenten im Tiefseegraben ausgepresst wird.

Etwa 100 bis 150 Kilometer weiter nördlich tritt ein zweiter Schlammvulkangürtel auf. Er besteht aus weit größeren Domen mit Durchmessern bis knapp zehn Kilometer, die viele Gesteinstrümmer enthalten. Wegen dieser heterogenen Struktur streuen sie das Schallsignal stark und erscheinen auf den geophysikalischen Karten schwarz. Der dritte Bereich mit Schlamm­extrusionen liegt weiter im Osten. Hier wird der Keil nicht so stark eingeengt; zudem erlauben weitere Störungssysteme das Austreten großer Schlammvolumina.

Diese Befunde waren unerwartet. Schließlich geht die Hauptmenge des Porenwassers der Sedimente bereits im Frontalbereich des Anwachskeils durch Verdichtung und Auspressen verloren. Deshalb sollte das Wasserangebot im tieferen hinteren Abschnitt des Sedimentfächers zum Kontinent hin exponentiell abnehmen. Umso erstaunlicher ist es, dass die Mehrzahl der Schlammvulkane im Mittelmeer erst bis zu 150 Kilometer hinter der Keilfront auftritt. Offenbar stammt das benötigte Wasser hauptsächlich von chemisch-mineralischen Umwandlungen, die mit einer Dehydratisierung einhergehen. Die tief wurzelnden Störungssysteme in diesen Regionen scheinen es dann hydraulisch zu leiten und so die Plattengrenze zwischen Europa und Afrika zu drainieren.

Jedenfalls lässt sich aus dem beobach­teten Schlammvulkanismus im östlichen Mittelmeer ableiten, dass während der vergangenen Million Jahre mehr Wasser im hinteren Anwachskeil ausgetreten ist als im Frontalbereich. Wenn dies auch für andere Subduktionszonen gilt, müssten die bisher angenommenen Bilanzen für den Stofftransport deutlich revidiert werden. Das gilt nicht nur für die Wassermengen selbst, sondern vor allem auch für viele volatile Elemente. Diese erreichen in dem austretenden Tonbrei manchmal das Zwanzigfache ihrer Konzentration im Meer. Insgesamt sorgen Schlammvulkane also für den Rückfluss großer Mengen von Wasser und Mineralstoffen aus der Litho- in die Hydrosphäre und tragen damit entscheidend zum Stoffkreislauf der Erde bei.

Hundert Meter hohe Stichflammen

Eine ganz besondere Bedeutung hat jedoch ihr Ausstoß von Gasen. Sie bestehen nämlich im Durchschnitt zu über neunzig Prozent aus Methan. Lokal kann der Gasausstrom deshalb verheerende Folgen haben. Beim Ausbruch des Lokbatan in Aserbaidschan am 5. Januar 1887 schoss laut Augenzeugenberichten eine Stichflamme 600 Meter in die Höhe. Ähnlich spektakulär entgaste 1911 der Schlammvulkan Erin auf Trinidad, dessen rund hundert Meter hohe Flamme mehr als 15 Stunden loderte. Unweit davon wurden bei der Explosion des kolumbianischen La Lorenza im Oktober 1976 Häuser und Bäume im Umkreis von acht Kilometern zerstört. Die hundert Meter hohe Stichflamme brannte mehrere Tage, ehe die heftige Eruption stoppte.

Aber selbst das Entweichen von Gas in Phasen vermeintlicher Ruhe zwischen den Ausbrüchen ist bedeutsam. Methan ist ein hochwirksames Treibhausgas, das Wärmestrahlung sehr effizient an der Erdoberfläche zurückhält. Neuesten Abschätzungen zufolge hat es ein 21-mal höheres globales Erwärmungspotenzial als das bekannteste Treibhausgas Kohlendioxid; in diesem Wert ist seine mittlere Verweildauer von nur zwölf Jahren in der Atmosphäre schon berücksichtigt.

Heute gehen etwa zwei Drittel des jährlichen Methanausstoßes von insgesamt 540 Millionen Tonnen weltweit auf anthropogene Einflüsse wie Landwirtschaft – vor allem Reisanbau und Rinderzucht –, Erdgasexploration, Gewinnung fossiler Brennstoffe, Mülldeponien und Biomasseverbrennung zurück. Doch noch vor tausend Jahren gab es praktisch nur natürliche Methanquellen. Dazu zählten die Entgasung von Ozeanen und Frischwasserreservoiren, das Faulen organischen Materials in Feuchtgebieten, die Zersetzung von Gashydraten am Meeresboden und eben Schlammvulkanismus.

Dessen Beitrag habe ich in einer neuen wissenschaftlichen Studie abzuschätzen versucht. Dazu extrapolierte ich die Ergebnisse von Gasemissionsmessungen an ausgesuchten Schlammvulkanen auf deren Gesamtzahl von knapp 2000 Exemplaren weltweit. Bei dieser Abschätzung wurden auch Faktoren berücksichtigt wie die Tatsache, dass am Meeresboden ausgetretenes Methan schon oxidiert werden kann, bevor es die Atmosphäre erreicht. Das Ergebnis dieser Berechnungen war, dass Schlammvulkane etwa 25 Prozent der natürlichen Methanemissionen verursachen. Dieser Ausstoß verteilt sich etwa zu gleichen Teilen auf passive Entgasung in Ruhephasen und Ausbrüche.

Daraus ergibt sich eine enorme Bedeutung von Schlammvulkanen für das Klima der Erde. Die gesamte Methanmenge, die durch menschliche Einflüsse im vergangenen Jahrtausend freigesetzt wurde, entspricht bei vorsichtiger Schätzung einer Schlammvulkantätigkeit von lediglich et­wa zwei Millionen Jahren (bei großzügiger Rechnung sogar nur 800000 Jahren). Nun gibt es auf der Erde seit mindestens 600 Millionen Jahren Plattendrift und höhere Lebewesen, bei deren anaerober Zersetzung Methan entsteht: notwendige Voraussetzungen für Schlammvulkanismus. Dieser hätte demnach – ähnliche Häufigkeit und Emissionsraten vorausgesetzt wie heute – seither fast 300-mal so viel Methan in die Erdatmospäre abgegeben wie der Mensch.

Diese Abschätzung ist zwar mit einigen Unsicherheiten behaftet: Da nur in Einzelfällen Schlammvulkane aus früheren erdgeschichtlichen Epochen erhalten sind, lässt sich eben nicht direkt beweisen, dass sie früher ebenso aktiv waren wie heute. Dennoch scheint ziemlich sicher, dass der Schlammvulkanismus seit langer Zeit zur Klimaentwicklung beigetragen hat.

Mittlerweile machen einige Wissenschaftler sogar einen vermehrten Methanausstoß für die globale Erwärmung am Ende des Paläozäns (vor rund 55 Millionen Jahren) oder während der Zwischeneiszeiten im Verlauf der letzten Jahrmillion verantwortlich. Außerdem kann die Freisetzung von Methan durch sedimentäre Vulkane mit den Kohlendioxid-Emissionen ihrer magmatischen Namensvettern fast mithalten, wenn man nicht nur die Mengen vergleicht, sondern auch die höhere Treibhauswirkung des Methans berücksichtigt.

Lange standen die Schlammdiapire im Abseits der geologischen Forschung. Nachdem ihre Bedeutung für den Stoffkreislauf zwischen Erdkruste und Meer sowie ihr Effekt auf das irdische Klima nun allmählich erkannt wird, ist auch das Interesse an ihnen neu erwacht.

So haben Forscher des Alfred-Wegener-Instituts in Bremerhaven im Jahr 2001 mit dem französischen Forschungsschiff L’Atalante und letzten Sommer mit dem deutschen Forschungseisbrecher Polarstern den Schlammvulkan Håkon Mosby in 1260 Meter Tiefe vor Norwegen aufgesucht und ihn mit dem Tauchboot Victor 6000 aus der Nähe inspiziert. Dabei bilanzierten sie den Methanaustritt und -umsatz am Meeresboden sowie im Wasser und untersuchten die ungewöhnlichen chemosynthetischen Lebensgemeinschaften. Diese und viele ähnliche Unternehmungen werden helfen, den Beitrag der vernachlässigten Geschwister der viel bekannteren Feuerberge zur Dynamik unseres Planeten endlich angemessen zu würdigen.

Literaturhinweise


Über Schlammvulkane und Salzdome. Von A. Gansser in: Vierteljahresschrift der Naturforschenden Gesellschaft Zürich, Bd. 105, S. 1 (1960)

Significance of Mud Volcanism. Von A. J. Kopf in: Reviews of Geophysics, Bd. 40/2, 2002 [DOI 10.1029/2000RG000093]

Extreme Efficiency of Mud Volcanism in Dewatering Accretionary Prisms. Von A. J. Kopf, D. Klaeschen und J. Mascle in: Earth and Planetary Science Letters, Bd. 189/3–4, S. 295 (2001)

The Nature and Hydrogeologic Significance of Mud Diapirs and Diatremes for Accretionary Systems. Von K. M. Brown in: Journal of Geophysical Research, Bd. 95/B6, S. 8969 (1990)


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2003, Seite 38
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 2003

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 2003

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