Yellowstone (Vulkan)

Entstehung und Aufbau des Vulkansystems

Der Yellowstone-Vulkan liegt unter dem Yellowstone-Nationalpark in den Vereinigten Staaten und gilt als Supervulkan. Sein rund 17 Millionen Jahre altes Vulkansystem geht auf einen Hot Spot zurück. Dabei handelt es sich um eine Zone, in der besonders heißes Mantelmaterial unter der Erdkruste aufsteigt. Die nordamerikanische Platte bewegte sich über diesen relativ fest verankerten Hot Spot hinweg. Dadurch entstand ein mehr als 700 km langes Yellowstone-Snake-River-Vulkansystem mit mehreren Calderen, also großen, durch Einsturz nach einer Eruption entstandenen Becken.

Die erhöhte Temperatur des Mantelplumes schmilzt teilweise Mantelmaterial auf. Das basaltische Magma steigt durch den lithosphärischen Mantel bis zur unteren Erdkruste auf und bildet oberhalb der Moho in etwa 45 km Tiefe eine erste Magmakammer. Diese 2015 nachgewiesene Kammer wird auf ungefähr 46.000 km³ geschätzt. Weiter oben liegt eine bereits zuvor bekannte obere Magmakammer in höchstens 20 km Tiefe mit einem ungefähren Volumen von 10.000 km³.

In der oberen Kammer wird das basaltische Magma bei längerer Verweildauer und Abkühlung durch fraktionierte Kristallisation in rhyolithisches Magma umgewandelt. Die untere Magmakammer besteht nur zu rund 2 % aus geschmolzenem Material, die obere zu etwa 9 %. Das unterirdische Magmareservoir ist ungefähr 60 km lang, 35 km breit und 8–10 km mächtig. Es erwärmt unterirdische Wasservorkommen und ermöglicht dadurch heiße Quellen und Geysire wie den Old Faithful.

Der Mantelplume erzeugte am Yellowstone-Plateau eine Aufwölbung von 400 km Breite und 500 m Höhe. Geodätische Messungen erfassen heute die Deformation und Subsidenz, also Aufwölbung und Einsinken, des Systems. Im Durchschnitt bewegen sich Teile des Vulkansystems um 2 cm pro Jahr. Von 2004 bis 2009 wurde eine beschleunigte Aufwölbung beobachtet, die als frische Magmaintrusion in waagrechte Gänge oberhalb der eigentlichen Magmakammer in 10 km Tiefe gedeutet wurde. Der Vulkanismus verursacht jährlich bis zu 2000, meist schwache Erdbeben.

Die Spur des Yellowstone-Hot-Spots

Weil sich die Kontinentalplatte über den Hot Spot bewegt, hinterließ die vulkanische Tätigkeit über Millionen Jahre eine Kette von Calderen auf dem nordamerikanischen Kontinent. Geologische Untersuchungen zeigen, dass der Yellowstone-Hotspot seit 17 Millionen Jahren aktiv ist. Die Erdoberfläche verschob sich in dieser Zeit durch die Plattentektonik, sodass der Hot Spot anscheinend über rund 700 km vom heutigen nördlichen Nevada über das südliche Idaho zu seiner heutigen Lage gelangte.

Auf diesem Weg bildete der Hot Spot das Grundgestein der Snake River Plain. Außerdem hinterließ er eine basaltisch-rhyolithische Magma-Tasche, die im Gebiet des Snake River zeitweise eine Hebung von 15 cm verursachte.

Eine Untersuchung aus dem Jahr 2020 nennt zwei Supereruptionen im jüngeren Miozän, die vor 8,99 beziehungsweise 8,72 Millionen Jahren stattfanden. Das ausgeworfene Volumen wird mit etwa 1700 beziehungsweise 2800 km³ angegeben.

Die drei großen calderenbildenden Eruptionen

Die letzten drei sehr großen Ausbrüche des Yellowstone-Hotspots ereigneten sich im heutigen Nationalpark oder in seiner unmittelbaren Umgebung. Sie fanden vor 2,1 Millionen, 1,3 Millionen und 0,64 Millionen Jahren statt und werden als Huckleberry-Ridge-, Mesa-Falls- und Lava-Creek-Ausbruch bezeichnet.

Der Huckleberry-Ridge-Ausbruch vor rund 2,1 Millionen Jahren war der stärkste der drei. Dabei entstand eine Caldera von etwa 80 × 50 km, und es wurden zunächst rund 2500 km³ Material als Auswurfmenge angegeben. Eine Studie von 2012 deutet jedoch darauf hin, dass diese Menge nicht auf eine einzige Eruption, sondern auf mindestens zwei Ausbrüche zurückgeht, zwischen denen 4000 Jahre lagen. Nach einer von Klemetti zitierten Darstellung könnte der Ausbruch sogar aus drei Phasen bestanden haben, die jeweils 1340 km³, 820 km³ und 290 km³ Material hervorbrachten. Diese Werte sind weiterhin sehr groß, liegen aber unter der ursprünglich angenommenen Gesamtmenge.

Die Mesa-Falls-Eruption vor rund 1,3 Millionen Jahren war die kleinste der drei großen Eruptionen. Ihr werden 280 km³ ausgeworfenes Material zugeschrieben.

Die dritte calderenbildende Eruptionsserie vor rund 640.000 Jahren schuf eine überlappende Gesamt-Caldera von 80 km Länge und 55 km Breite. Wie bei den vorherigen Ausbrüchen wurde sie durch die Aktivierung von Magma in oberflächennahen Magmakammern ausgelöst. Der Ausbruch erzeugte große Aschemengen, deren Spuren bis nach Kalifornien reichen, sowie zahlreiche pyroklastische Ströme. Pyroklastische Ströme sind besonders heiße, schnell fließende Gemische aus Gas, Asche und Gesteinsfragmenten. Die dabei entstandenen Ignimbrite, also Ablagerungen solcher Ströme, umfassen rund 1000 km³ und werden Lava Creek Tuff genannt. Sie sind unter anderem in den Klippen des Madison Canyon sichtbar. Wegen der Stärke dieser und späterer Ausbrüche zählt man Yellowstone zu den Supervulkanen.

Jüngere Aktivität und mögliche Zukunft

Nach den drei großen Eruptionen blieb Yellowstone vulkanisch aktiv, doch die folgenden Ausbrüche waren deutlich weniger katastrophal. Vor 170.000 Jahren entstand durch eine explosive Eruption der Bluff Point Tuff mit einem Auswurfvolumen von 50 km³; vor 140.000 Jahren folgte der Cold Mountain Creek Tuff mit 10 km³. Beide Ausbrüche erreichten immerhin die Stärke 6 auf dem Vulkanexplosivitätsindex.

Zwischen vor 180.000 und vor 70.000 Jahren füllten weitere effusive rhyolithische Lavaausbrüche die Caldera mit insgesamt 600 km³ Lava fast vollständig wieder auf und bildeten das heutige Yellowstone-Plateau. Im Holozän gab es kleinere Ausbrüche vor etwa 9400 Jahren am Turbid Lake, vor 8050 Jahren am Elliot’s Crater, vor 5050 Jahren am Duck Lake und den Evil Twin Craters sowie zuletzt vor 3350 Jahren am Indian Pond Crater. Es handelte sich ausschließlich um lokale Dampfexplosionen.

Da Yellowstone weiterhin eine große Magmakammer besitzt, erscheint ein ähnlich großer Ausbruch irgendwann grundsätzlich möglich. Der US Geological Survey (USGS), das in den USA für die Überwachung des Systems verantwortliche geologische Untersuchungsamt, erwartet jedoch keine bedeutenden Ausbrüche in naher Zukunft. Wahrscheinlicher sind eine anhaltende Aktivität der Hochtemperaturgebiete, phreatische oder hydrothermale Explosionen sowie mittlere bis starke Erdbebentätigkeit. Phreatische Explosionen sind durch erhitztes Wasser und Dampf verursachte Explosionen, ohne dass dabei zwingend neues Magma austritt.

Seit 1995 zeigte die seismische Aktivität ein neues Muster: Der nördliche Kraterrand hob sich, während die Basis absank. Diese gegenläufigen Bewegungen nahmen bis 2003 zu und kamen dann annähernd zum Stillstand. Um den Jahreswechsel 2008/2009 häuften sich kleine und kleinste Erdbeben; bis März 2009 lag die Aktivität wieder auf dem langjährigen Durchschnitt.

Vermutlich werden die Bewegungen durch geschmolzenen Basalt verursacht, der in unterirdischen Magmakanälen strömt. In den 1990er Jahren könnte ein Magmaschub aus dem oberen Erdmantel die Aktivität verstärkt haben. Weil offenbar nur wenig Magma wieder abfloss, stieg der Druck, neue Gesteinsklüfte entstanden und die Verbindung zum tiefer liegenden Magmareservoir wurde verbessert. Dadurch nahmen die geothermischen Aktivitäten zu. Solche Phasen thermischer Unruhe traten laut USGS bereits mehrfach auf, bislang ohne Folgen in der jüngeren Vergangenheit. Eine weitere hydrothermale Dampfexplosion ereignete sich am 23. Juli 2024 am Black Diamond Pool des Bisquit Basins.

Filme und Dokumentationen

Der Yellowstone-Vulkan wurde in mehreren fiktionalen und dokumentarischen Produktionen behandelt. 2024 zeigte das ZDF Isabelle Gendres Dokumentation „Supervulkan Yellowstone – Amerikas tickende Zeitbombe“ über die mögliche Zukunft des Vulkans und die Folgen einer Eruption. Die BBC produzierte 2005 das Dokudrama „Supervolcano“ („Supervulkan“). Auch Roland Emmerichs Film „2012“ von 2009 sowie die US-Doku-Reihe „Doomsday – Countdown zur Apokalypse“, Episode „Mega-Eruption“ aus dem Jahr 2016, greifen das Szenario eines Yellowstone-Ausbruchs auf.