Plattentektonik und Vulkanismus
Werbung
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 Klicken Sie auf die Felder, um Unterwasservideos abzuspielen 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: Tel: 0421 218 9205/9471 Fax: 0421 218 9460 email: [email protected] web: www.ozeankruste.de
