Plattentektonik und Vulkanismus

Hergestellt von Mitgliedern der Arbeitsgruppe „Petrologie der Ozeankruste“, Fachbereich 5, Universität Bremen: www.ozeankruste.de
Plattentektonik und Magmatismus
• Spreizungsachsen sind Bereiche, in denen neuer
Ozeanboden durch Vulkanismus produziert wird
• Subduktionszonen sind Bereiche, wo Platten aneinander
stossen, dabei wird eine nach unten in den Erdmantel
gedruckt. Auf der an der Oberfläche bleibenden Platte tritt
dabei Vulkanismus auf
• Hotspots (gezennzeichnet mit * auf vorheriger Seite) sind
Vulkane in der Mitte einer Platte, sie lassen Spuren auf der
Platte, die die Plattenbewegung markieren.
Alle Vulkane haben als Ursache Schmelzen im Mantel
Schmelzen im Mantel
Allgemein liegt das
Temperaturprofil des Mantels
(Geotherm) im Feststoffbereich,
d.h. keine Schmelze ist
vorhanden. Der Mantel ist unter
normalen Umständen ein
plastischer Feststoff, der sich
langsam (cm/Jahr) verformen läßt
(vergleichbar in seinen
Eigenschaften mit kaltem Asphalt
oder Kerzenwachs bei
Zimmertemperatur)
Schmelzen im Mantel
Es gibt zwei Möglichkeiten, den
Mantel zum Schmelzen zu
bewegen.
• Heiße Materie ohne Wärmeverlust von
unten nach oben zu bewegen (durch
Druckverminderung wird der Schmelzpunkt
herabgesetzt).
• Den Schmelzpunkt des Mantels (Solidus)
zu verringern durch Zugabe z.B. von
Flüssigkeiten (Wasser, CO2).
Beide Effekte sind auf der Erde
Ursachen für Magmatismus.
Spreizungsachsenvulkanismus
Abb. aus „Volcanoes: A planetary perspective“ Francis 1993 Oxford Univ. Press
Die Platten bewegen sich in verschiedenen Richtungen (Pfeile) mit
verschiedenen Geschwindigkeiten (Pfeillängen). Die höchsten Spreizungsraten
findet man zur Zeit im Pazifik zwischen der Pazifik- und der Nazcaplatte. Am
langsamsten spreizen die Platten nördlich von Island.
Spreizungsachsenvulkanismus
Wegen des Auseinanderziehens der Platten wird warmer Mantel von der Tiefe ins
Flachere gezogen. Da Gesteine schlechte Wärmeleiter sind, kühlt die aufsteigende
Masse trotz sehr langsamen Aufstiegs (nur einige cm im Jahr) nicht wesentlich ab,
die Wärme aus der Tiefe wird „mitgebracht“ (senkrechter grüner Pfeil auf
Druck/Temperatur Diagramm, vorherige Seite). In ca. 80km Tiefe ist der Solidus
erreicht, das Schmelzen beginnt.
Spreizungsachsenvulkanismus
Die entstehenden Schmelzen (Magmen, Dichte ca. 3,0g/cm3) sind
leichter als das Mantelgestein (Peridotit, Dichte ca. 3,3g/cm3) und steigen
deshalb auf. Obwohl Magmen über ein relativ breites Gebiet produziert
werden, werden sie während ihres Aufstieges zur Achse hin fokussiert.
Das Dreieck (untere Seite liegt in ca. 80km Tiefe, Kantenlänge ca.
160km) zeigt das Volumen, in dem Magmen produziert werden, alle
Magmen werden anschließend direkt oberhalb der Spitze des Dreiecks
am Meeresboden eruptiert.
Spreizungsachsenvulkanismus
Die Achsenvulkane am
Meeresboden treten als
langgezogene Rücken
auf (hier als
bathymetrische Karte,
dreidimensional
dargestellt). Sie sind in
unregelmäßigen
Intervallen entlang
Transformstörungen
versetzt (oben im Bild,
„Clipperton Transform
Fault“ beschriftet).
Spreizungsachsenvulkanismus
Transformstörungen versetzen die
Spreizungsachse. Der Verlauf der
Störung ist parallel zur
Plattenbewegungsrichtung.
Entlang der Störung bewegen sich
die Platten horizontal aneinander
vorbei. Entlang
Transformstörungen finden die
stärksten Erdbeben der
konstruktiven Plattengrenzen statt.
Detail der Karte von der nächsten Folie
Spreizungsachsenvulkanismus
Die Form der Spreizungsachse ändert sich mit
der Spreizungsrate. Bei sich langsam
spreizender Achsen (Spreizungsraten bis 5-8
cm/Jahr) sitzt der aktive Vulkan in einem Tal
(unten links im Profil gezeigt, rechts als
topographische Karte vom äquatorialen
Atlantik dargestellt). Bei sich schnell
spreizender Achsen stellt der Vulkan die
höchste bathymetrische Stelle dar.
Vergrößert auf der vorherigen Folie
Spreizungsachsenvulkanismus
Magma kann unter Wasser nicht weit fließen, durch die Abkühlung bildet
sich sofort eine feste Aussenhaut am Lavafluss. Die Haut ist meist glasig
und wird immer wieder von nachfließendem Magma aufgerissen. Der
Magma eruptiert entweder wie Zahnpasta (untere Bildhälfte) oder in Form
von Kissen (obere Bildhälfte, immer noch mit der Austrittsstelle verbunden).
Spreizungsachsenvulkanismus
Lavaröhren
Ein Haufen Kissenlaven
Die Spreizungsachsenlaven sind meistens Basalte, ein
dunkles Gestein mit hohen Gehalten an Silizium, Aluminium,
Magnesium und Eisen. Experimente unter hohem Druck und
Temperatur haben gezeigt, dass Basalt als Schmelze
entsteht wenn man Mantelgestein zu 10% aufschmilzt (siehe
nächste Seite). In den Basalten sind oft Kristalle von Olivin
(Mg2SiO4) und Plagioklas (CaAl2Si2O8) zu finden.
Das Diagramm zeigt schematisch
die Entstehung von Basaltmagma.
Das Mantelgestein Granatlherzolith
(unten, bestehend aus
grüngelbliche Olivin- und
Orthopyroxenkristalle,
dunkelgrüne Klinopyroxenkristalle und rote Granatkristalle)
wird teilweise geschmolzen. Es
entsteht ein basaltische Schmelze
(ca. 10-20 Volumenprozent des
Ausgangsgesteines) und ein
Residuum (Harzburgit, mit fast
ausschließlich Olivin und
Orthopyroxen, 80 Volumenprozent
des Ausganggesteines). Die
Granat- und Klinopyroxenkristalle
im Ausgangsgestein haben am
meisten zur Schmelze beigetragen.
Spreizungsachsenvulkanismus
Alle Bilder auf dieser Seite © Woods Hole
Oceanographic Institute science.whoi.edu/DiveDiscover/
Das heiße Magma im Untergrund treibt eine heftige
Wasserzirkulation durch Konvektion an. Kaltes Wasser
dringt an den Rückenflanken ein (1), wird erwärmt und
reagiert mit den Gesteinen (2, 3, 4), so dass eine saure,
sauerstofffreie und metallhaltige Lösung entsteht. Diese
hydrothermale Lösung erreicht schließlich Temperaturen
um 370°C (5) und steigt wegen einer geringeren Dichte
auf (6). Auf dem Weg zur Oberfläche (6) und bei Kontakt
mit dem Meerwasser (7) werden Metallsulfide
ausgeschieden. Beim Austritt (7 und Fotos) erzeugen
diese Ausscheidungen trübes Wasser, sog. „Schwarzer
Raucher“.
Spreizungsachsenvulkanismus
Weiße Krebse
Riesenmuschel
Auf und um die Schwarzen Raucher leben viele Tiere und Pflanzen, die als
Hauptenergiequelle nicht die Sonne sondern die magmatische Wärme nutzen. Sie
enthalten meist symbiotische Mikroorganismen, die die Schwefelwasserstoffe in den
austretenden schwefeligen Lösungen oxidieren und die gewonnene Energie für die
Produktion von Kohlenwasserstoffen nutzen. Besonders unempfindlich gegenüber
Temperaturschwankungen müssen die Tiere sein, einige Würmer zum Beispiel können
Temperaturunterschiede zwischen ca. 80°C am „Fuß“ und 2°C am „Kopf“ standhalten!
Blinder Fisch
Alle Bilder auf dieser Seite © Woods Hole
Oceanographic Institute science.whoi.edu/DiveDiscover/
Rohrwürmer
Spreizungsachsenvulkanismus
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Subduktionsvulkanismus
An Subduktionszonen werden Ozeanplatten zurück ins
Erdinnere recycelt. Die Ozeanplatte hat sowohl während
des Hydrothermalismus kurz nach ihrer Entstehung als
auch während der Jahrmillionen, als sich der Meeresboden
gebildet hat, viel Wasser in sich aufgenommen. Das
Wasser ist sowohl in Form von Flüssigkeit als auch in
verschiedenen Mineralen (wie Tone, Amphibole, Glimmer)
vorhanden. Bei der Erwärmung der subdukzierten Platte
während des Abtauchens wird das Wasser freigesetzt. Es
dringt in den darüberliegenden Mantel hinein und
verursacht eine Schmelzpunkterniedrigung. Dadurch fängt
der Mantel an zu schmelzen.
Oben: Tolbachik Vulkan, Kamchatka, Rußland. Rechts:
Profil durch einer Subduktionszone mit kontinentale
Kruste. Beide aus Davidson et al. 1997 „Exploring Earth“
Prentice Hall
Subduktionsvulkanismus
Vom Buch „Vulkanismus“ von H.-U.
Schmincke, Wiss. Buchgesellschaft
Das Wasser, das in der Tiefe den Mantel zum Schmelzen bringt, löst sich bei dem hohen Druck in den Magmen (ähnlich
wie CO2 in Mineralwasser). Die Magmen steigen wegen ihrer geringeren Dichte relativ zum Mantel auf, der Druck nimmt
ab. Im flachliegenden Magmareservoir ist der Druck so gering, dass das Wasser nicht mehr in Lösung gehalten werden
kann (Gasfreisetzung). Die „Sprudelflasche“ wird geöffnet, aus Magma wird ein Magma+Dampf Gemisch. Die
entstehenden Dampfblasen dehnen sich explosionsartig aus und reißen das Magma auseinander (Fragmentierung), zwei
getrennte Phasen (Magma und Dampf) entstehen. Der Vulkanschlot wirkt wie ein Kanonenrohr, glühende Magmabrocken
(Pyroklastika - „pyro“ = Feuer, „Klasten“ = Stücke) werden hinausgeschleudert. Geschwindigkeiten von bis zu 600m/s sind
in der Gasschubregion gemessen worden. Luft wird in der Gasschubregion reingesaugt und durch Kontakt mit den
Lavabrocken und Asche erhitzt. Das Luft+Asche Gemisch erreicht eine geringere Dichte als die umgebende Luft, die
Eruptionssäule steigt konvektiv auf. Langsam kühlt die Säule mit zunehmender Höhe ab, die Dichte gleicht sich die der
umgebenden Luft an. Die Aschewolke wird von den Winden weiter transportiert.
Subduktionsvulkanismus
Pyroklastische Ströme
Ströme fließen die Flanken von Mount Mayon, Phillipinen herunter
Film eines Stromes auf Martinique, Antillen
Pyroklastische Ströme sind Lawinen vulkanischer Asche und -blöcke, die auf ein Kissen von
erhitzter Luft gleiten. Sie sind heiß (300-700°C) und schnell (> 100km/Std.). Sie können sehr
große Blöcke transportieren (unten links, die Ablagerungen eines solchen Stromes) und nicht
mal Stahlbeton kann ihnen standhalten (unten rechts). Sie entstehen an vielen
Subduktionsvulkanen entweder durch seitlichen Kollaps einer Lavakuppel oder am Ende einer
Eruption wenn, da heiße Materie nicht mehr
aus dem Schlot gefördert wird, der konvektive
Teil der Eruptionssäule (siehe vorherige Seite)
kollabiert.
Mount St Helens. Pyroklastischer Strom
(oben) und Ablagerungen (unten)
Pyroklastischer Ströme vom El
Chichon, Mexiko, haben
umliegenden Täler verwüstet.
Auch Betonopfähle hielten nicht
stand.
Subduktionsvulkanismus
30 Sekunden im
Leben eines Vulkans:
Die Eruption vom
18.05.1980
Siehe übernächste Seite
Der sog. Lateral Blast hat die Umgebung
verwüstet (siehe nächste Folie)
Subduktionsvulkanismus
Der Lateral Blast (seitlich
gerichtete Explosion) machte
ein Urlaubsparadis zu
Mondlandschaft binnen
einiger Sekunden.
Neben dem Lateral Blast richteten
Schlammlawinen (Mudflows),
pyroklastische Ströme und Schuttlawinen
(debris avalanches) große Schäden an.
Schlammlawinen sind an allen
schneebedeckten Vulkanen eine große
Gefahr, da die Vulkanhitze den Schnee zu
Wasser umwandelt, das sich dann mit
Asche zu einer zähflüssigen Masse
vermischt. Die Schlammmassen fliessen
die Hänge hinunter und reissen alles mit
sich.
Subduktionsvulkanismus
Mount St Helens am
18.05.1980 tagsüber
Es gibt im Netz viele Information zu dieser
Eruption. Versuchen Sie http://
vulcan.wr.usgs.gov/Volcanoes/MSH/ (US Geological Survey)
www.fs.fed.us./gpnf/mshnvm/ (National Park Forestry Service)
volcano.und.nodak.edu (Volcano World)
Vom Buch „Vulkanismus“ von H.-U.
Schmincke, Wiss. Buchgesellschaft
Subduktionsvulkanismus
Vorschlag zu einer Projektarbeit „Mount St Helens“
A. Eruptionssäulen (Mathematik, Geographie, Biologie, Chemie). Wie weit kann Asche
transportiert werden? Welche Faktoren spielen eine Rolle. Berechnung von ballistischen
Bahnen für Lavastücke - wie weit können sie fliegen? Wie hoch werden die
Eruptionssäulen? Welche Partikelgröße findet man in diesen Höhen? Beziehungen
Partikelgröße - Entfernung von Vulkan, Windeinfluß. Effekte der Asche auf das menschliche
Leben. Flugzeuggefährdung. Wiederbesiedelung von Vulkanlandschaften durch Pflanzen,
Tiere, Verwitterungsprozesse und -raten für die Pyroklastika. Alle Informationen hierzu gibt
es auf den genannten Web-Seiten
B. Pyroklastische Ströme (Physik, Geschichte, Mathematik). Historische Ereignisse (Mt
Pelée Martinique, Pompeii, St Helens). Bewegungsmechanismus, Reichweite, Temperatur
(thermische Kapazität Luft gegen Lava, Messen??). Ablagerungen. Viele Information hierzu
findet man im Schmincke-Buch
Hotspot-Vulkanismus
Es gibt eine Art von Vulkanismus, der nicht an den Plattenrändern, sondern im
Intraplattenbereich vorkommt, der sog. Hotspot-Vulkanismus. Typisch für solche
Aktivität ist eine Kette von Vulkanen, die oft, wie bei Hawaii oder den Kanaren,
Inseln bilden. Die Vulkanaktivität scheint mit einem unter der Platte liegenden
stationären Schmelzherd verbunden zu sein, da beobachtet wird, dass das Alter der
Vulkane in der Kette mit Entfernung vom aktiven Vulkan zunimmt (siehe Bild, links).
Solche Hotspot-Ketten sind in allen Ozeanen zu finden, aber besonders gut im
Pazifik zu sehen (unten rechts).
Hotspot-Vulkanismus
Hotspot-Vulkane zeigen meist eine ruhige
Eruptionsart, nur selten kommen
Eruptionssäulen wie bei den Subduktionsvulkanen vor. Auch Lavafontänen, wie rechts
gezeigt, erreichen maximal einige hundert
Meter. Grund für das ruhige Verhalten ist, dass
die Hotspot-Laven relativ wasserarm und
dünnflüssig sind. Statt bei der Eruption zu
explodieren (siehe Subduktionsvulkanismus),
fliessen sie als Lavaströme über große
Entfernungen
La Palma, Kanaren. Foto A. Klügel
Mauna Loa, Hawaii von der Stadt Hilo aus gesehen
Hotspot-Vulkanismus
Die Lava (bei den meisten Hotspot-Vulkanen
ist es Basalt) fliesst in engen Kanälen über
die Landschaft (links). Eine Kruste bildet sich
auf der fliessenden Lava und wirkt wie eine
Decke. Die Lava im Kanal bleibt heiss (ca.
1200°C) und kann dadurch weit vom Schlot
fliessen. Am Ende des Flusses bildet die
Lava entweder eine blockige Masse (unten
links), sog. „A´a Lava“ oder fliesst
zungenförmig (unten rechts) als „Pahoe hoe
Lava“ aus. Beide Namen kommen aus dem
Hawaiianischen
Hotspot-Vulkanismus
Ursache für den Hotspot-Vulkanismus
sind vermutlich heisse aufsteigende
Ströme im Mantel, sog. Plumes.
Plumes haben sich als schwer
nachzuweisen herausgestellt. Erst in
letzter Zeit hat seismische
Tomographie (wie RöntgenTomographie im Krankenhaus, nur die
Erde ist der Patient und
Erdbebenschallwellen sind die
Strahlen) die Dichteunterschiede
zwischen dem warmen Plume und dem
kälterem Mantel sichtbar gemacht. Das
Bild zeigt die Mantelstruktur unter
Island bis 350km Tiefe (Achsenstriche
sind 50km), hervorgehoben ist ein
Bereich wo reduzierten
Schallgeschwindigkeiten auf weniger
dichtes -und daher vermutliche
wärmeres - Mantelmaterie hindeuten.
Hotspot-Vulkanismus
Auch unter Europa werden Plumes als Ursache für
den jungen Vulkanismus (z.B. Eifel, Rhön,
Zentralmassif in Frankreich) vermutet.
Tomographische Untersuchungen haben einige
der Plumes sogar nachgewiesen.
Vulkane des Osteifels. Von Uni. Münster Webseite, Foto G. Hofbauer
Chaine des Puys, Zentralmassif, Frankreich. Von Uni. Münster
Webseite, Foto G. Hofbauer
Seismische Tomographie unter Zentraleuropa. Von Schmincke „Vulkanismus“
Weitere Quellen
Alles über Vulkane:
http://www.uni-muenster.de/Chemie/MI/museum/Vulkane/Uebersicht.htm
Hawaii
http://www.nps.gov/havo/
http://www.soest.hawaii.edu/GG/hcv.html
Vulkane Weltweit
http://volcano.und.nodak.edu/
http://vulcan.wr.usgs.gov/Volcanoes/
Zum Schluß eine Bitte
Die Entstehung solcher Unterlagen ist ein iteratives Prozess
und wir sind daher für die Weiterentwicklung der Unterlagen
auf Ihre Hilfe angewiesen. Vielleicht zielen wir an Ihren
Interessen und Bedürfnissen als naturwissenschaftlicher
Lehrer vorbei. Vielleicht finden Sie die Unterlagen prima.
Haben Sie Anregungen, Kritik, Vorschläge oder Interesse an
weiteren Informationen, dann kontaktieren Sie uns einfach.
Wir sind zu erreichen unter:
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Fax: 0421 218 9460
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