Rätsel um historischen Tsunami entschlüsselt: GEOMAR-Forschende rekonstruieren Vulkanausbruch mithilfe von 3D-Seismik

Die Explosion des Unterwasservulkans Kolumbo in der Ägäis
hat im Jahr 1650 einen Tsunami ausgelöst, von dessen Riesenwellen und
gewaltigem Zerstörungspotential Zeitzeugen eindrückliche Berichte
hinterlassen haben. Eine Gruppe von Forschenden unter der Leitung von Dr.
Jens Karstens vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel hat den
Krater nun mit Spezialtechnik vermessen und die historischen Ereignisse am
Computer rekonstruiert. Dabei fanden sie heraus, dass nur die Kombination
aus einer Hangrutschung, gefolgt von einer explosiven Eruption die
Augenzeugenberichte erklären kann. Ihre Ergebnisse erscheinen heute im
Fachmagazin Nature Communications.

Von der Insel Santorini aus war der Ausbruch schon einige Wochen zu
beobachten gewesen, die Farbe des Wassers habe sich verändert, das Wasser
gekocht, berichtete die Bevölkerung über die Ereignisse im Spätsommer des
Jahres 1650. Rund sieben Kilometer nordöstlich der griechischen
Mittelmeerinsel hatte sich ein Unterwasservulkan aus dem Meer erhoben und
warf glühende Felsbrocken aus. Flammen und Blitze waren zu sehen,
Rauchfahnen verdunkelten den Himmel. Dann zog sich plötzlich das Wasser
zurück, nur um kurz danach auf die Küsten zuzurasen und diese mit bis zu
20 Meter hohen Wellen zu verwüsten. Ein gewaltiger Knall war mehr als 100
Kilometer weit zu hören, Bimsstein und Asche gingen auf die umliegenden
Inseln nieder, und eine tödliche Giftgaswolke forderte etliche
Menschenleben.

„Diese Einzelheiten vom historischen Ausbruch des Kolumbos kennen wir,
weil es zeitgenössische Berichte gibt, die im 19. Jahrhundert von einem
französischen Vulkanologen zusammengetragen und veröffentlicht worden
sind“, sagt Dr. Jens Karstens, mariner Geophysiker vom GEOMAR Helmholtz-
Zentrum für Ozeanforschung Kiel. Wie aber ist es zu diesen verheerenden
Ereignissen gekommen? Um das herauszufinden, sind er und seine
Kolleg:innen aus Deutschland und Griechenland 2019 in die griechische
Ägäis gefahren, um den Vulkankrater mit Spezialtechnik zu untersuchen.
Karstens: „Wir wollten verstehen, wie der Tsunami damals zustande gekommen
ist und warum der Vulkan so heftig explodiert ist.“

Von Bord des inzwischen außer Dienst gestellten Forschungsschiffes
POSEIDON erstellten sie dafür mithilfe von 3D-Seismik ein
dreidimensionales Abbild des heute 18 Meter unter der Wasseroberfläche
liegenden Kraters. Dr. Gareth Crutchley, Koautor der Studie: „Damit können
wir in das Innere des Vulkans hineingucken.“ Im 3D-Modell zeigte sich
nicht nur, dass der Krater einen Durchmesser von 2,5 Kilometern und eine
Tiefe von 500 Metern hat, was auf eine wahrlich gewaltige Explosion
schließen lässt – im Profil war auch erkennbar, dass eine Flanke des
Kegels stark deformiert ist. Crutchley: „Dieser Teil ist mit Sicherheit
abgerutscht.“ Nun gingen die Forschenden detektivisch vor, indem sie die
verschiedenen Mechanismen, die den Tsunami ausgelöst haben könnten, mit
den historischen Augenzeugenberichten verglichen. Dabei kamen sie zu dem
Schluss, dass diese nur durch eine Kombination aus einer Hangrutschung,
gefolgt von der Explosion des Vulkans erklärt werden können. Ihre
Ergebnisse erscheinen heute in dem Fachmagazin Nature Communications.

Die Kombination von 3D-Seismik und Computersimulation erlaubte es den
Forschenden zu rekonstruieren, wie hoch die Wellen gewesen wären, wenn sie
von der Explosion allein ausgelöst worden wären. Karstens: „Danach wären
an einer Stelle sechs Meter hohe Wellen zu erwarten, wir wissen aber aus
den Berichten der Zeitzeugen, dass sie hier 20 Meter hoch waren.“ Außerdem
soll sich das Meer an einer anderen Stelle zunächst zurückgezogen haben,
in der Computersimulation kommt aber zuerst ein Wellenberg an der Küste
an. Die Explosion allein kann das Tsunami-Ereignis also nicht erklären.
Als jedoch die Hangrutschung in das Modell mit einbezogen wurde, passten
die Daten mit den historischen Beobachtungen zusammen.

Jens Karstens erklärt: „Der Kolumbo besteht zu großen Teilen aus Bimsstein
mit sehr steilen Hängen. Der ist nicht sehr stabil. Während der Eruption,
die ja schon einige Wochen in Gange war, ist laufend Lava ausgestoßen
worden. Darunter, in der Magmakammer, in der viel Gas enthalten war,
herrschte ein enormer Druck. Als dann eine Flanke des Vulkans abgerutscht
ist, hatte das einen Effekt, als wenn man eine Sektflasche entkorkt: Das
Gas aus dem Magmasystem konnte sich durch die plötzliche Entlastung
ausdehnen, und es kam es zu der gewaltigen Explosion.“ Vergleichbares
könnte beispielsweise auch bei der Eruption des Anfang 2022 ausgebrochenen
Unterseevulkans Hunga Tonga geschehen sein, der ebenfalls einen Tsunami
ausgelöst hat und dessen Vulkankrater eine ähnliche Form aufweist wie der
des Kolumbo.

Damit liefert die Studie wertvolle Erkenntnisse für zu entwickelnde
Monitoring-Programme aktiver Unterwasservulkane wie das Programm SANTORY,
das von Koautorin Professorin Dr. Paraskevi Nomikou von der Nationalen und
Kapodistrias-Universität Athen (NKUA) geleitet wird. „Wir hoffen, auf der
Basis unserer Ergebnisse neue Ansätze für vulkanische Tsunamis entwickeln
zu können“, sagt Jens Karstens, „vielleicht wird es irgendwann ein
Frühwarnsystem geben, das mit Daten in Echtzeit arbeitet. Das wäre mein
Traum.“

Über marine 3D-Reflexionsseismik
Die 3D-Seismik ist eine geophysikalische Messmethode, bei der man es sich
zunutze macht, dass Schallwellen an Schichtgrenzen teilweise reflektiert
werden. So können Querschnittsprofile von geologischen Strukturen
unterhalb des Meeresbodens erstellt werden. Bei der marinen 3D-
Reflexionsseismik werden, im Gegensatz zur 2D-Reflexionsseismik mehrere
Messkabel (Empfänger) parallel hinter dem Forschungsschiff geschleppt. Das
Ergebnis ist ein dreidimensionales Abbild, ein so genannter seismischer
Würfel, der es erlaubt, den Untergrund im Detail, Schnitt für Schnitt zu
analysieren.

Originalpublikation:
Karstens J, Crutchley GJ, Hansteen TH et al. (2023): Cascading events
during the 1650 tsunamigenic eruption of Kolumbo volcano. Nature
Communications
DOI: 10.1038/s41467-023-42261-y
https://www.nature.com/articles/s41467-023-42261-y