View - GeoStudium

Rekonstruktion der Magmakammer des Laacher See - Vulkans
Interdisziplinäre Geochemieforschung
in einer Kooperation des Humboldt-Gymnasiums Berlin und der
Abt. Geochemie des Geowissenschaftlichen Zentrum Göttingen
Probennahme von Bimsstein aus Ablagerungen des Laacher
See Vulkans, Wingertsbergwand, c. 1 km S des Kraters
Der Kraterkessel des Laacher See Vulkans,
Blick nach E vom Gänsehalsrücken
Probennahme von basaltischen
Schlacken am Eppelsberg-Vulkan
Simulation des Vulkanausbruchs
Vulkanismus in Deutschland?
Bimsstein und Silikatschmelze:
Bimsstein ist ein vulkanisches Lockerprodukt, er entsteht
aus gasreichen silikatischen Schmelzen, die als
Magmafetzen, bei explosiven Eruptionen ausgeschleudert
werden und durch die entweichenden Gase zu glasigen,
aufgeblähten, porösen Aggregaten (natürliches
Schaumglas) erstarren. Bimsstein ist extrem leicht, sogar
auf Wasser schwimmfähig und kann als Schleifmittel oder
zu wärmeisolierenden Bausteinen verarbeitet werden.
Bimsstein ist ein amorphes natürliches Silikatglas (Summe aller Si und O Atome ca. 75%)
mit hohem Anteil an Gasblasen.
Helle Farbe : wenig Magnesium- und Eisenionen (< 1%),
dunkle Farbe: viele Magnesium- und Eisenionen (2-4%). Restliche Ionen : Al, Ca, Na, K
5 cm
Post-eruptive Prozesse
Eine Umfrage bei den Schülern ergab das erwartete Bild: Vulkane in Deutschland? So was
gibt es natürlich bei uns nicht!
- Entgasung
- Hydrothermale Alteration
- Verwitterung und Abtragung
Weit gefehlt: Kreisrunde Kraterseen, die Maare, und fast 350 Vulkankegel sind heute noch
sichtbares Zeichen der bewegten Vergangenheit der Eifel: Bis vor 10.000 Jahren war diese
Region vulkanisch aktiv. Auf 1200 Quadratkilometern erstreckt sich das jüngste Vulkanfeld
Mitteleuropas. Und es brodelt immer noch.
Ein Beispiel ist der Laacher See, der vor ca. 13.000 Jahren explodierte : Aufsteigendes, heißes
Magma traf auf Grundwasser, schlagartig entstand Dampf mit verheerender Wirkung:
Wissenschaftler gehen davon aus, dass täglich 5000 Tonnen Schwefeldioxid ausgestoßen
wurden, die Eruptionssäule stieg bis in 40 Kilometer Höhe.
Wir stellen uns die Frage : wie sah es in der Magmakammer vor dieser großen Eruption
aus ? Wie sind die Minerale und Silikatschmelzen zusammengesetzt, die da ausgeworfen
wurden ?
Die magmatische Differentiation - das Reaktionsprinzip von BOWEN
1mm
Der amerikanische Petrologe BOWEN erkannte, dass bei der Kristallisation von Magmen
typische Ausscheidungsfolgen zu beobachten sind. Dabei werden mit abnehmender
Temperatur aus dem Magma jeweils unterschiedliche Minerale gebildet und so die
Zusammensetzung der Restschmelze verändert (magmatische Differentiation).
Schema eines dreidimensional vernetzten
Silikatglases
Die „diskontinuierliche Reaktionsreihe“ zeigt die Folge der mafischen Mineralien (dunkle
Kristalle, da reich an Magnesium- und Eisenionen, Fe). Dabei reagiert bei Abkühlung des
Magmas die Restschmelze unter Bildung des in der Reihe folgenden Minerals.
Silikate - Die Natur der Si-O-Bindung
Vulkanische Gesteine bestehen aus Silikatmineralen und
ggf. aus Silikatglas. Silikate werden aus SiO4 Tetraedern
aufgebaut, zwischen denen andere Ionen eingelagert sind.
Die „kontinuierliche Reaktionsreihe“ zeigt die Bildung der Plagioklase (Feldspäte) nach Art
einer Mischkristallfolge, also nicht unter Bildung eines anderen Minerals, solange, bis die
Schmelze aufgebraucht ist.
Für den Bindungscharakter der Si-O-Bindung in Silikaten,
Silikatgläsern und -schmelzen (ionische Formulierung
entsprechend Si4+ und O2-) ergibt sich unter
Berücksichtigung der Elektronegativitätsdifferenz von 1,7
ein starker Ionencharakter. Bei Annahme einer rein
ionischen Bindung ergibt sich die Summe der Ionenradien
zu 168 pm (O: 132 pm und Si: 36).
Die berechnete Si-O-Bindungslänge, die sich bei Annahme
einer reinen Atombindung aus der Summe der Atomradien
von 66 pm für O und 117pm
für Si ergeben, beträgt dagegen 183 pm.
Beobachtet wird jedoch in Silikaten ein
Wert von ca. 162 pm, d.h ein geringerer
Wert als nach allen Konzepten berechnet.
Hiernach ist ein Doppelbindungscharakter zu
berücksichtigen, um die kurzen Bindungsabstände dSi-O zu
erklären.
Der beobachtete Bindungswinkel am Sauerstoff liegt im
Durchschnitt bei 140 o, wobei der Bereich zwischen 130°
und 160o schwankt. Als Erklärung für diese gegenüber dem
Tetraederwinkel deutlich aufgeweiteten O-Si-O-Winkel
müssen auch Abstände zwischen nichtbindenden Si-Atomen
(Si-Si: 306 pm) berücksichtigt werden und daraus resultiert
dann der Winkel von 140o.
Die Mineralabfolge dieser beiden Reihen zeigt, dass der SiO2-Gehalt der Restschmelze mit
zunehmender Kristallisation steigt.
Magmakammer und Nebengestein rekonstruiert aus den
Auswurfprodukten des Laacher See Vulkans
basaltisch
bzw.
„mafisch“
(reich an Mg,
Fe, arm an Si)
Folgende magmatische Prozesse konnten
aus den ausgeworfenen Gesteinen
rekonstruiert werden :
6) Anstieg des Gasgehaltes und Eruption
5) Mischung von Schmelzen kurz vor der Eruption
intermediär
4) Aufheizung der Nachbargesteine am Rand der
Magmakammer
3) Abkühlung, Kristallisation und magmatische
Differentiation
sowie
Akkumulation von Kristallen am
Boden der Magmakammer
hochdifferenziert
(reich an K, Na, und Si)
Kalifeldspat
in Si-reichen Magmen: Quarz
in Si-armen Magmen: „Feldspatvertreter“
Spurenminerale
2) Aufstieg und Ansammlung der Silikatschmelze
in einer Magmakammer in 5-10 km Tiefe
1) Partielles Schmelzen im Erdmantel
Ergebnisse :
1) Aus den in der Eifel gesammelten Bims-Proben konnte unter Einbeziehung moderner Analysemethoden des GZG (Röntgenfluoreszenzanalyse, Mikrosonde, Elektronenmikroskopie) die chemische
Abfolge in den Ablagerungen des Laacher See-Vulkans rekonstruiert werden. Es ergab sich eine kontinuierlich chemische Abfolge in den eruptierten Bimsen, die die magmatischen Prozesse der
Differentiation widerspiegeln. Durch die Armut an Silizium relativ zu Na und K in den Magmen der Eifel wird am Ende der magmatischen Differentiation kein Quarz gebildet
2) Die von den Vulkanen ausgeworfenen Fremdgesteine aus dem Untergrund unter der Eifel wurden chemisch analysiert, um die mittlere chemische Zusammensetzung der Erdkruste zu bestimmen. Eine
einfache Modellrechnung anhand einer Summation der Zusammensetzung der gefundenen Gesteine, gewichtet nach den abgeschätzten Volumina, ergab in einem Vergleich mit Literaturangaben
hervorragende Werte.
Silikatminerale in den Vulkangesteinen der Eifel (Beispiele)
100 µm
100 µm
100 µm
Dünnschliffbild
Olivin (Inselsilikat)
Pyroxen (Kettensilikat)
Amphibol (Bändersilikat)
Biotit
(Schichtsilikat)
(K,Na)AlSi3O8 - CaAl2Si2O8 Feldspat-Mischreihe
(Gerüstsilikat)
Gegenüber der einfachen Si02-Struktur
sind ein bis zwei Si-Ionen durch Al3+
ersetzt (T-Position). Die Ladungskompensation erfolgt durch ein- oder zweiwertige Kationen (Na, K, Ca) auf einem
Zwischengitterplatz (M-Position).