Eine neue Methode zur Echtzeit-Gasanalyse zeigt den Entwicklungsstand der Phlegräischen Felder. Sie wurde von einem Expertenteam des INGV, der Universität Kampanien „Luigi Vanvitelli“ und des Geoforschungszentrums Potsdam entwickelt.
Die Echtzeitüberwachung vulkanischer Gase, einer der wichtigsten Indikatoren für Vulkanausbrüche, wurde in einem der aktivsten Fumarolen- und Bodenentgasungsgebiete der Phlegräischen Felder (Pisciarelli, Neapel) getestet. Die neue Methode wurde von einem Forscherteam des Nationalen Instituts für Geophysik und Vulkanologie (INGV) in Zusammenarbeit mit der Universität Kampanien „Luigi Vanvitelli“ und dem GeoForschungsZentrum (GFZ) in Potsdam entwickelt. Die Arbeit wurde im International Journal of Mass Spectrometry veröffentlicht.
„Die Methode“, erklärt Alessandro Fedele, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am INGV, „ermöglicht es uns, kontinuierlich Fumarolengase zu entnehmen und zu analysieren. Dazu verwenden wir ein Quadrupol-Massenspektrometer, das in der Nähe der vulkanischen Gasemissionszone der Fumarolen des Phlegräischen Feldes installiert ist. So können wir die Konzentrationen der interessantesten chemischen Spezies in Echtzeit bestimmen.“
Die Analysen werden dann per Funk oder WLAN direkt an ein Überwachungszentrum übermittelt, das Dutzende oder Hunderte von Kilometern von den überwachten Fumarolen entfernt sein kann. „Dies ermöglicht“, so Fedele weiter, „die Erfassung und Analyse einer großen Menge an Daten über die geochemische Zusammensetzung der ausgestoßenen Gase in Echtzeit. Dies stellt einen großen Fortschritt gegenüber dem üblicherweise verwendeten, komplexeren und risikoreicheren System dar, bei dem die Fumarolengase manuell beprobt, ins Labor transportiert und erst dort analysiert werden.“
Das mit einem tragbaren Massenspektrometer entwickelte System wurde zwischen 2009 und 2012 im Fumarolengebiet von Pisciarelli getestet, als die Emissionen am intensivsten und deutlichsten waren.
„Die in diesem Zeitraum gesammelten Daten“, erklärt Renato Somma, ein Forscher des INGV, „zeigen kurzfristige Schwankungen in den Konzentrationen der in den Fumarolenemissionen vorhandenen chemischen Spezies, die mit der üblichen Technik der regelmäßigen manuellen Probenahme und anschließenden Laboranalyse nie aufgedeckt wurden.“
Tatsächlich werden diese Proben nicht nur zu erheblichen Verzögerungen bei den Analysen geführt, sondern sie werden auch mehr oder weniger monatlich durchgeführt.
„Mit dieser neuen Methodik“, so Somma abschließend, „wird es endlich möglich sein, geochemische und geophysikalische Daten (letztere werden bereits nahezu in Echtzeit erfasst) gemeinsam zu interpretieren, was unsere Fähigkeit, einen möglichen Ausbruch vorherzusagen, erheblich verbessert.“
Die durchgeführten Untersuchungen sind im Wesentlichen wissenschaftlicher Natur und haben derzeit keine unmittelbaren Auswirkungen auf den Zivilschutz. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die Phlegräischen Felder, die vom INGV kontinuierlich überwacht und untersucht werden, seit Dezember 2012 auf der Alarmstufe „gelb“ (Vorsicht) befinden.
Foto 1 - Entgasungsfeld in Pisciarelli (NA)
Foto 2 – Detail des Bereichs mit der größten Entgasung in Pisciarelli (NA)
Abstract
Die Probenahme vulkanischer Gase und die chemische Bestimmung nach der Sammlung in einem Labor können jede kontinuierliche Echtzeitüberwachung vulkanischer Aktivitäten verhindern. Wir beschreiben die Entwicklung und zeigen die Vorteile eines Systems zur kontinuierlichen Überwachung fumarolischer Gase, die vom Standort Pisciarelli (Campi Flegrei, Süditalien) austreten, basierend auf einem kommerziellen Quadrupol-Massenspektrometer (QMS-301 Omnistar™). Obwohl aufgrund der flüchtigen Natur des Emissionspunkts und der rauen Umgebung zahlreiche technische Probleme angegangen werden mussten, berichten wir auch über Messungen der chemischen Zusammensetzung der wichtigsten aus der Fumarole ausgetretenen Gasarten für zwei verschiedene Zeiträume (2009 und 2012). Die Molverhältnisse CO2/H2S, H2S/H2, He/CO2 und CH4/CO2 wurden untersucht, um magmatische und/oder hydrothermale Komponenten im System zu erkennen, während das N2/O2-Verhältnis herangezogen wurde, um auf andere nicht-vulkanische Prozesse wie Luftverschmutzung und Vermischung mit verschmutztem Oberflächenwasser zu schließen. Die vorgestellte Methodik ermöglicht eine kontinuierliche Gasprobenahme und liefert den ersten Nachweis kurzfristiger Gasschwankungen, die durch eine direkte Probenahme, die oft unpraktisch und gefährlich ist, nicht möglich sind. Verglichen mit den derzeit weltweit verwendeten Techniken zur vollständigen Charakterisierung gasförmiger Emissionen, d. h. der chemischen Analyse traditioneller, mit Soda gefüllter Untervakuumflaschen und MultiGAS-Untersuchungen (im Labor bzw. vor Ort), ist die QMS-basierte Überwachung eine Ergänzung und voraussichtlich eine Alternative. Mit unserer Methode profitiert die geochemische Überwachung von der Echtzeitanalyse bei hohen Probenahmeraten, die mit den kontinuierlichen Messungen geophysikalischer Netzwerke vergleichbar gemacht werden können. Dies ermöglicht ein besseres Verständnis hydrothermaler Eigenschaften, insbesondere sehr kurzfristig auftretender chemischer Schwankungen, was für die Bewertung der Entwicklung von Unruheepisoden in Campi Flegrei, einem der gefährlichsten Vulkangebiete der Welt, von grundlegender Bedeutung ist.