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US Geomorphologie 27.01.1999
Dozent: Dr. B. Higelke
Referenten: Christian Fischer
Vulkanismus
Gliederung
I. Einleitung
II.
Magma und Chemie der Lava
III. Tiefenvulkanismus
IV. Oberflächenvulkanismus
V. Post- und Randvulkanismus
VI. Weltweite Verteilung der Vulkane
I. Einleitung
Schon seit grauer Vorzeit haben Vulkaneruptionen den Menschen in aktiven Vulkangebieten mit Angst und Schrecken erfüllt und ihn deshalb immer wieder nach den Ursachen, den Wurzeln dieser Naturgewalten fragen lassen.
In vielen Ländern, vom pazifischen Siedlungsraum bis zu den Kulturen des abendländischen Altertums, haben sich unzählige Mythen über Dämonen und Götter der Tiefe entwickelt. Es ist daher nicht verwunderlich, daß die Vulkane ihre Bezeichnung dem römischen Gott des Feuers und des Schmiedehandwerkes Volcanus verdanken.
Nüchtern betrachtet sind es Stellen auf der Erdoberfläche, an denen glutflüssige Gesteinsschmelze aus der Erde herausquillt. Vereinfacht ausgedrückt kommt es zu vulkanischen Erscheinungen, weil im Erdinneren aufgeschmolzenes Gesteinsmaterial aufsteigt, gewissermaßen durch das Gewicht der überlagernden Schichten herausgequetscht wird. Jene tiefen Risse in der Lithosphäre, die den Vulkanherd mit der Erdoberfläche verbinden, heißen Aufstiegskanäle oder Schlote. Für Geowissenschaftler bietet sich hier eine Art Fenster in den Tiefenaufbau der Erde, da aufgrund verschiedenster Mineralparagenesen der Aufbau und die P / T- Bedingungen in der Tiefe rekonstruiert werden können.
Zwei Erscheinungen, die Förderung von glühenden und flüssigen Gesteinsmaterials an die Erdoberfläche ( Vulkanismus ) und die Erstarrung der Schmelzkörper noch in der Tiefe ( Plutunismus ), werden unter dem Begriff Magmatismus zusammengefaßt.
II. Magma und Chemie der Lava
1. Allgemeines
Als Magma ( griech.: knetbare Masse) bezeichnet man schmelzflüssiges Gesteinsmaterial, das neben leichtflüchtigen Bestandteilen auch Kristallauscheidungen enthält. Es ist im wesentlichen ein silikatischer Schmelzbrei , der je nach seinem Gehalt an Kieselsäure (SiO2) basisch, intermediär oder sauer sein kann.
Gelangt bei vulkanischen Vorgängen überhitztes Magma unter vielfältigen Entgasungsprozessen an die Erdoberfläche, so tritt es unter dem Namen Lava aus. Obgleich diese Unterscheidung zwischen Magma und Lava klar zu sein scheint, ist es oft nicht leicht zu sagen, wann und wo ein Gesteinsschmelzfluß aufhört Magma zu sein, und zu Lava wird.
Wichtig für die Unterscheidung verschiedener Laven und Magmen, die Art der bei Abkühlung und Erstarrung entstehenden Gesteine, und der Typ des bei einem Ausbruchs entstehenden Vulkans ist die chemische Zusammensetzung und, damit zusammenhängend, die Viskosität der Laven.
2. Die Viskosität von Magma und Lava
Der Viskositätsgrad der Schmelze ist abhängig von ihrer Temperatur, ihrem Chemismus, dem Gehalt an mobilen Komponenten und dem Anteil an bereits ausgeschiedenen Kristallen.
Von besondere Bedeutung ist der SiO2-Gehalt der Schmelze, da SiO2-reiche Schmelzen eine höhere Viskosität
besitzen als SiO2-arme Schmelzen.
Abb. 1 aus Matthes, S. (1990), S.197
Die Viskosität der Lava ist sehr entscheidend für die auftretenden vulkanischen Erscheinungsfolgen.
Allgemein erkennt man folgenden Zusammenhang:
basische Magmen führen zu effusiven Vulkanismus
saure Magmen zu explosiven Vulkanismus
intermediäres Magma zu gemischten Vulkanismus
3. Die Temperatur von Magma und Lava
Obwohl eine starke Streuung in der Temperatur von Magmen und Laven vorliegt und das Messen nicht ohne Schwierigkeiten ist, kann man mit Sicherheit sagen, daß SiO2-ärmere Laven wesentlich heißer sind als SiO2-reiche.
basaltische Lava: 1000-1200 °C
rhyolitische Lava: 750-950 °C
Die tiefer liegenden Magmen haben eine geringere Temperatur. Allerdings kann hier die Temperatur nur mit Hilfe von geeigneten Mineralumwandlungen, die als mineralogische Thermometer dienen, einigermaßen genau geschätzt werden.
Gründe für die niedrigere Temperatur sind die Sättigung mit Wasser und andere Druckverhältnissen.
basaltisches Magma: 650-1200 °C
rhyolitisches Magma: 500-600 °C
4. Der Gasgehalt des Magmas
Während der Eruptionsphase werden enorme Mengen an Gas mit großem Überdruck ausgestoßen. Über die absolute Menge sowie die Konzentration einzelner Gase ist wenig bekannt.
Auch hier ist eine Messung nur schwer durchzuführen und von der Art des Magmas, des Ausbruchsortes und Phase des Ausbruchs abhängig.
Nachgewiesen wurden Wasser (H2O), Chlorwasserstoff (HCl), Schwefelwasserstoff (H2S), Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2), Chlor (Cl2), Fluor (Fl2), Fluorwasserstoff (HF), Siliziumfluorid (SiF4), Methan (CH4) u.a., außerdem entstehen Oxidationsprodukte durch die Reaktion mit Luftsauerstoff, wie Schwefeldioxid (SO2), Schwefeltrioxid (SO3) u.a. (aus Matthes, S.
,1990, S. 200).
5. Die magmatische Differentation
Es gibt knapp 900 Gesteine die durch Abkühlung und Erstarrung aus Gesteinsschmelzen entstehen. Allerdings kann man sie nicht auf einen entsprechende Zahl primärer Stamm-Magmen zurückführen. Durch Trennung eines gegebenen Stamm-Magmas in verschiedene Teilmagmen ist für die große Zahl der entstehenden Gesteine verantwortlich.
Diesen Vorgang nennt man die magmatische Differentation.
Abb. 2 aus Rast, H. (1980), S. 27
a) die gravitative Kristallisationsdifferentation
Bei der Abkühlung eines Stamm-Magmas bilden sich Kristalle, die je nach Dichte im Magma aufsteigen oder absinken.
Meist bilden sich spezifisch schwerere Kristalle, die in Folge der Schwerkraft absinken und sich am Boden der Magmakammer ansammeln.
Diese durch Kristallakkumulation gebildeten Minerale sind reich an Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Chrom (Cr) und Nickel (Ni). Die Restschmelze wird dadurch angereichert an Silizium (Si), Aluminium (Al), Natrium (Na) und Kalium (K). Durch die Anreicherung von Kieselsäure (SiO2) wird die Restschmelze auch immer saurer.
b) das Reaktionsprinzip von BOWEN
Der amerikanische Petrologe BOWEN erkannte, daß bei der Kristallisation in Magmen die Reaktion zwischen entstehenden Mineralkristallen und der Restschmelze eine besondere Bedeutung zukommt.
Er stellte folgende Auscheidungsfolge bei der Kristallisation eines basischen Magmas fest.
Abb.
3 aus Matthes, S. (1990), S.203
Die diskontinuierliche Reaktionsreihe zeigt die Folge der mafischen (dunklen) Minerale. Dabei reagiert jedes vorher ausgeschiedene mafische Mineral bei der Abkühlung des Magmas mit der Restschmelze unter Bildung des folgenden Minerals.
Die kontinuierliche Reaktionsreihe zeigt die Bildung der Plagioklase nach Art einer Mischkristallfolge, also nicht unter Bildung eines anderen Minerals, solange, bis die Schmelze aufgebraucht ist.
Die Mineralabfolge dieser beiden Reihen zeigt, daß der SiO2-Gehalt der Restschmelze mit zunehmender Kristallisation zunimmt.
Abb. 4 aus Matthes, S. (1990), S.205
6. Verschiedene Lavaformen
Je nach Erstarrungsform und Ausflußort kann man verschiedene Lavaformen unterscheiden.
- Fladenlava (auch Wulst- oder Stricklava): gasarme, relative saure Schmelzen, die zu fladen-, gekröse- oder seilartigen
(Pahoëhoë-Lava auf Hawaii) Formen erstarrt
- Blocklava ( Aa-Lava auf Hawaii): gasreiche Schmelzen, die zu zackigen Blöcken und Schollen erstarren
- Kissenlava ( engl.
pillow lava) : auf dem Meeresgrund ausfließende Lava bildet aufgrund der schnellen Abkühlung
kissenartige Strukturen
III. Tiefenvulkanismus
Das Magma hat es bei dieser Form des Vulkanismus nicht geschafft an die Erdoberfläche vorzudringen sondern erstarrte noch in der Erdkruste. Diese Intrusionskörper werden im Laufe der Erdgeschichte durch Denutation und Erosion aus dem Umgebungsgestein herausgebildet, sofern sich das aus dem Magma entstandene Gestein verwitterungsresistenter als das Umgebungsgestein erwiesen hat.
Batholithe, die größten Plutone, sind Intrusivkörper mit einer Ausdehnung von mindestens 100 Quadratkilometern.
Stöcke sind kleinere Plutone, die sowohl wie die Batholithe diskordant intrudiert sind.
Lagergänge oder Sills, mit Mächtigkeiten vom Zentimeterbereich bis zu mehreren hundert Metern, sind tafelförmige konkordante Intrusionen.
Gesteinsgänge oder Dikes, mit Mächtigkeiten vom Millimeterbereich bis zu mehreren Metern, sind diskordant ins Nebengestein intrudiert. Gesteinsgänge kommen selten isoliert vor. Typisch ist das Auftreten von Hunderten solcher Gänge in sogenannten Gangschwärmen in einem Gebiet, das durch eine große Intrusion deformiert wurde.
Lakkolithe ( pilsförmige Intrusionen )
Lopolithe ( schüssel- oder becherförmige Intrusionen )
Harpolithe ( konvex-konkave Intrusionen )
Diatreme
Stoßkuppen
Stau- und Quellkuppen
Abb. 5 Lakkolith Mt. Elden, Arizona, aus Brinkmann, S.
183
Abb. 6 aus Brinkmann, S. 183
IV. Oberflächenvulkanismus – Eruptionsformen
Vulkane sind die auffälligsten Äußerungen der endogenen Kräfte der Erde. Die Förderprodukte der Vulkane können in gas, flüssiger oder fester Form entweichen. Die Gestalt des Förderkanals, die Eigenschaften der Fördermassen, die Art und Dauer der Tätigkeit schaffen eine Vielfalt von Vulkanbauten.
Die Abgrenzung der Klassifizierung der Vulkantypen ist nur teilweise scharf möglich, da einige Bezeichnungen eine Zwischenphase oder auch Nebenerscheinungen in der Entwicklung der eigentlichen Vulkaneruption sind.
1. Vulkantypen
Tafelvulkan: Flächenhaft ausgedehnte Lavaüberflutungen, durch Linearausbrüche aus Spalten entstanden. Es bilden sich hierbei ausgedehnte Plateaus, wobei man die Gesteine dieser treppenartigen Geländeform als Trappbasalte bezeichnet. Beispiele hierfür sind das Deccan-Trapp-Plateau in Indien aber auch die Lavafelder Islands.
Schildvulkan: Schildartig flache Vulkane mit kreisförmigen Grundriß.
Der Böschungswinkel der Flanken beträgt ungefähr 4 – 6 0. Schildvulkane entstehen durch übereinanderfließen zahlreicher dünnflüssiger Lavaströme, wobei die Lava meist etwas viskoser ist als bei Tafelvulkanen. Wegen des Druckes der Magmensäule bilden sich häufig randliche Spalten und ein nahezu flaches Gipfelplateau. Schildvulkane sind für Ozeaninseln vom Typ Hawaii typisch. Kleiner, flachere Schildvulkane, die komplexe Basaltplateaus bilden, sind charakteristisch für Riftzonen an Land, wie z.B.
Island.
Stratovulkan: Schicht- oder auch gemischte Vulkane sind aus wechselnden Materialien aufgebaut. Die Bestandteile sind ausgeflossene Lava und Lockermaterialien ( z.B. vulkanische Aschen ). Die einfachste Form eines Stratovulkanes ist die eines Bergkegels mit konkaven Flanken.
Den Gipfel bildet ein Krater, wenn der Druck der Lavasäule auf die Außenhänge zu stark sich entwickelt entstehen parasitäre Krater. Der Vesuv und der Ätna sind Beispiele hierfür.
Aschenvulkane: Lockerstoff-, Gasvulkane aber auch Schlackenkegel fördern vorzugsweise mit Lockermassen beladene Gase. Gasvulkane treten häufig gesellig auf, wobei jeder einzelne nur kurze Zeit tätig ist. Sie sind kegelförmige, relativ ebenmäßige und die häufigsten Landvulkane, wobei deren abgestumpfte Spitze kraterförmig eingesenkt ist. Das Profil eines solchen Kegels ist durch den maximalen Böschungswinkel bestimmt, bei dem die Schuttmassen noch stabil sind, ohne hangabwärts zu rutschen.
Maare: Wenn sich die vulkanische Tätigkeit nur in einer Gasexplosion ( häufige Ursache phreatomagmatische Explosion ) äußert, entstehen Explosionskrater. Das Nebengestein wird in einem Aufschüttungswall um den Sprengtrichter herum aufgebaut. Die entstehende kesselartige Vertiefung , deren Durchmesser einen Kilometer übersteigen kann, bezeichnet man als Maar. Maare sind häufig später mit Wasser aufgefüllt ( z.B. in der Eifel, Laacher See ).
Calderavulkane: Eine Caldera bildet sich durch den Kollaps des Vulkandaches, aufgrund des Absinkens des magmatischen Druckes in der Magmenkammer. Beim Einbruch dieses Daches entsteht eine sogenannte Einsturzcaldera. Sie ist eine große, meist steilwandige, beckenförmige Einsenkung, deren Durchmesser weitaus größer sein kann, als die Fläche, die der Vulkankegel vorm Einsturz bedeckte. Eine Caldera kann auch wiederbelebt werden, indem erneut Magma aufsteigt und den Boden der Caldera aufwölbt, meist entsteht so eine zweite Vulkangeneration.
Beispiele hierfür sind die Krater Lake Caldera und Yellowstone Caldera.
Abb.
7 Genetische Übersicht vulkanischer Großformen nach Cloos, aus Richter, S. 45
2. Untermeerischer Vulkanismus
Der untermeerische Vulkanismus ist besonders im Bereich der ozeanischen Rücken und ihrer Verzweigungen weit verbreitet. Nur in der Flachsee machen sich Eruptionen an der Meeresoberfläche bemerkbar. In größeren Tiefen verhindert der auflastende Wasserdruck die Entwicklung von Dampf, und die Lava fließt allmählich und relativ ruhig aus ( Pillow Lava ).
Bildet sich eine Magmakammer in der relativen Nähe zum Meeresboden, dringt kaltes Meerwasser auf breiter Front in die zerklüftete poröse Basaltlavakruste bis in die Tiefen von mehreren Kilometern ein.
Nach der Aufheizung in der Umgebung der Magmenkammer steigt es scharf gebündelt wieder auf. Diese bis zu mehreren hundert Grad Celsius heißen, sogenannten hydrothermalen Wässer entwickeln sich bei der Reaktion mit vulkanischen Gesteinen zu sauren Lösungen, die das Gestein weiter korrodieren und dabei ihre Zusammensetzung völlig verändern können, indem sie sich an den Elementen anreichern, die sie aus dem Gestein herauslaugen. Diese beladenen hydrothermalen Wässer treten an sogenannten Black Smokers aus. An der Austrittsöffnung bilden sich, aufgrund der sofortigen Abkühlung und somit Übersättigung dieser Lösung, dichte Wolken von dunklen Sulfidkristallen- Erzmineralen, insbesondere Eisen-, Zink- und Kupfersulfide -, die zur Namensgebung führten.
Der Boden der Tiefsee ist mit Kegel und Schildvulkanen besetzt, wobei sich einige hiervon als Inseln oder Atolle über dem derzeitigen Meeresspiegel erheben. Die Mehrzahl liegt allerdings als Seamounts und Guyots unter Wasser vor.
3. Hot Spot Vulkanismus
Hot Spots sind Aufquellungen heißer, teils geschmolzener Gesteine aus dem tiefen Erdmantel. Diese auch Mantelplumes genannten Aufquellungen sind ortsfest und finden sich überall auf der Welt, wobei jene auf den über sie hinweg gleitenden Platten der Erdschale Vulkane, Schwellen und Tiefseeinseln ( Seamounts ) erzeugen.
V. Post- und Randvulkanismus
1. Weitere vulkanische Erscheinungen
- Pyroklastische Ströme sind eine oftmals verheerende Eruptionsform.
Diese circa 800 Grad Celsius heiße Asche
( Tephra ), Staubfragmente und Gase in Form einer Glutwolke können sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 200 Kilometern pro Stunde hangabwärts bewegen. Sie sind charakteristisch für explosive Eruptionen von Vulkanen, die entlang von aktiven Kontinenträndern und auf Inselbögen d.h. generell oberhalb von Subduktionszonen eruptieren.
- Lahars ( vulkanische Schutt- und Schlammströme )
- Tsunamis sind vulkanogene Flutwellen, die durch Seebeben, submarine Hangrutschungen aber auch durchs Auftreffen von vulkanischen Schuttlawinen und Schuttströmen auf die Meeresoberfläche ausgelöst werden können
- Aschenregen
- Vulkanische Erdbeben
- Vulkanische Gase
2. Postvulkanische Erscheinungen – Vulkanische Exhalationen
Auch in den zwischen den Vulkanausbrüchen liegenden Ruhephasen sowie beim allmählichen Abklingen der vulkanischen Tätigkeit, das sich über extrem lange Zeiträume vollziehen kann, spielt die Freisetzung von Gasen und Wasserdampf eine entscheidende Rolle.
Sofern diese Exhalationen eindeutig mit dem Abklingen des Vulkanismus in Zusammenhang stehen, spricht man von postvulkanischen Erscheinungen.
Fumarolen sind alle Gasexhalationen, deren wesentlicher Bestandteil Wasserdampf ist, die aber auch andere gasförmige Stoffe enthalten können, die sich bei den hohen Temperaturen zwischen 800 und 200 Grad Celsius an den Gasaustritten abscheiden. Durch Eisenverbindungen oft sehr bunt gefärbten Substanzen sind hierfür typisch.
Solfataren haben einen neben Wasserdampf höheren Anteil an Schwefelverbindungen bei Temperaturen zwischen 250 und etwa 100. Durch die Oxidation des Schwefelwasserstoffs entsteht als Zwischenprodukt elementarer Schwefel, der sich als gelber Belag an der Austrittstelle abscheidet.
Mofetten sind Exhalation von Kohlendioxid mit Temperaturen unter 100 Grad Celsius.
Bei heißen Quellen und Geysiren wird das zirkulierende Grundwasser von im Untergrund langsam abkühlenden Magma aufgeheizt und stößt so mit großer Kraft meist von einem unterirdischen Grollen begleitet häufig empor.
VI. Weltweite Verteilung der Vulkane
Die weltweite Verteilung der Vulkane ist nicht zufällig., sonder zeigt ein bestimmtes Verteilungsmuster. 80% aller Vulkane treten an konvergierenden, 15% an divergierenden Plattengrenzen auf. Nur etwa 5% aller Vulkane zählen zum sogenannten Intraplattenvulkanismus.
a) divergierende Plattengrenzen
An auseinander strebenden Plattengrenzen, die meist auf den Meeresböden liegen, tritt aus langgezogen Spalten und Rißsystemen basaltisches Magma aus und bildet neuen Ozeanboden. An diesen mittelozeanischen Rücken, zu denen auch Island gehört, kann man das Phänomen der “Black Smocker” beobachten. Dabei handelt es sich um im Kontakt mit Magma erhitztes Meerwasser, , daß als heiße Quelle am Ozeanboden austritt und reich an gelösten Mineralien ist.
b) konvergierende Plattengrenzen
Konvergierende Plattengrenzen sind entweder Ozean-Ozean-Kollisionen (z.B. japanische Inselbogen), die zu Bildung von Inselbögen führt, oder Ozean-Kontinent-Kollisionen, die zur Bildung bogenförmiger, vulkanischer Bergketten führt (z.
B. Anden). Gefördert wird meistens rhyolitische oder andesitische Lava.
c) Intraplattenvulkanismus
Intraplattenvulkanismus stellte lange Zeit ein Problem für die Theorie der Plattentektonik dar, bis die Theorie der sog. Hot Spots aufkam. Diese Hot Spots sind säulenförmige Strömungen die Material von der Kern-Mantel-Grenze an die Oberfläche fördern.
Diese Strömungen sind vermutlich ortsfest und die Lithosphärenplatten bewegen sich darüber hinweg. Dies führt zur Bildung von Vulkanketten, wobei das Alter der Vulkane mit zunehmender Entfernung zunimmt.
Literatur:
Brinkmann,R. (1990): Abriß der Geologie; Allgemeine Geologie. Ferdinand Enke Verlag
Decker, R. u.
B.(1992): Vulkane – Abbild der Erddynamik. Spektrum Akademischer Verlag
Giese, P. (Hrsg.) (1995): Geodynamik und Plattentektonik. - Beiträge aus Spektrum der Wissenschaft.
S. 144-152
Matthes, S. (1990): Mineralogie. – 3. neub. Aufl.
, Berlin/Heidelberg/New York; S. 196-206
Press/Siever (1995): Allgemeine Geologie
Rast, H. (1980): Vulkane und Vulkanismus. Stuttgart; S. 27-45
Richter, D. u.
M. (1997): Geologie. - 5. neub. Aufl., Braunschweig; S.
43-60
Schmincke, H.-U. (1999): Vulkanismus. Wissenschaftliche Buchgesellschaft Darmstadt
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