Endogene Kräfte

Endogene Kräfte
Vulkanismus an den Plattenrändern und Intraplattenvulkanismus
Die Mehrzahl der aktiven Vulkane befindet sich an Subduktionszonen. Ob
Tiefseegräben oder Vulkanketten an den Kontinenträndern - all diese Vulkangürtel
stellen Erdnähte erster Ordnung dar. Der Name „Feuerring“ für die aktiven
Vulkanketten rings um den Pazifik kommt nicht von ungefähr. 65% der, in den letzten
10 000 Jahren, aktiven Vulkane liegt in diesem Bereich des pazifischen Feuerrings.
Dieser Gürtel zieht sich von Chile über Mittelamerika, den Westrand von
Nordamerika, Japan bis Neuseeland. All diese Vulkangebiete liegen über
Subduktionszonen. Ebenso gehören auch die relativ jungen Vulkane des mediteranen
Raumes oder des Nahen Ostens zu dieser Gruppe.
Der größte dieser Andesitvulkane ist der Fujiyama, wobei wohl bedacht
werden muß daß er mit seiner Masse von ca. 900 km³ nur ungefähr 5% der Masse
einer der großen ozeanischen Vulkaninseln hat.
Vulkane an solchen Subduktionszonen treten erst 150 bis 300 km von
Tiefseegräben entfernt auf. Sie erreichen in der sogenannten „vulkanischen Front“
ihre höchste Dichte. Diese beginnt zwischen 100 und 200 km oberhalb einer
Subduktionszone. Somit sind Magmaaufstieg und die Eruptionsraten entlang dieser
Front am höchsten. Hauptvulkanzonen entlang dieser Front sind zwischen 10 und 50
km breit. Die schmalen Vulkangürtel einer vulkanischen Front sind an Orten wie
Japan, wo eine hohe vulkanische Dichte herrscht, in 100 bis 300 km lange,
gegeneinander versetzte, Segmente unterteilt.
Die Andesite, welche die für die Subduktionszonen charakteristische Form des
Vulkangesteins darstellen, sind die komplexeste Magmengruppe mit der sich die
Wissenschaft heute befaßt. Es gibt hier nicht nur verschiedene Mechanismen zur
Magmenentstehung, sondern auch verschiedene Arten von Ausgangsgesteinen. So
wird der meiste Teil des Wassers der abtauchenden ozeanischen Lithosphäre wieder
„ausgeschwitzt“ und löst beim Aufstieg die Magmenentstehung aus die für die
Bildung der Vulkane beispielsweise des zirkumpazifischen Feuerrings verantwortlich
ist.
Somit vollzieht sich in den Subduktionszonen ein gewaltiger geologischer
Kreislauf. Die abtauchende Erdkruste enthält so viel Wasser, daß die gesamte
Wassermenge der Ozeane in ca. 500 Mio. Jahren wieder dem Erdinneren zugeführt
wird. Dieser Zyklus schließt sich mit der Erosion der Vulkane die somit wieder
mitsamt der subduzierten Kruste bis ca. 700 km in den Erdmantel abtauchen um
wieder als neues Material ausgegeben zu werden.
Intraplattenvulkane sind all jene kontinentalen und ozeanischen Vulkane, die
nicht an Plattenrändern entstanden sind. Hier ist die Menge des aufsteigenden
Magmas geringer, jedoch sind sie leichter zugänglich und deshalb besonders gut
untersucht.
Ozeanische Vulkaninseln haben wahrscheinlich die größte Bedeutung aller
Vulkane für die Vulkanforschung. So ist der aktivste und bestuntersuchteste Vulkan
ist Kilauea auf Hawaii. Er ermöglichte die besten Einblicke in Aufstieg,
Differentiation und Eruptionsmechanismus. Weitere ozeanische Intraplattenvulkane
sind die gesamten Inselgruppen und -ketten von Hawaii, Samoa, Tahiti, Galapagos
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oder die Osterinseln; auch Island, die Azoren, Madeira oder die Kanaren gehören
dazu. Vom Meeresboden aus gerechnet sind die höchsten Berge der Erde vulkanische
Ozeaninseln. Die gewaltige Erhebung des Mauna Loa auf Hawaii beispielsweise, der
sich noch 4500 m über den Meeresspiegel erhebt, enthält genug Lava um die gesamte
Schweiz mit einer 1 km dicken Basaltschichte zu bedecken. Die häufigsten Vulkane
sind jedoch die oft über 1000 m hohen submarinen Seeberge, deren Magmamengen
nicht reichten sie über den Meeresspiegel zu heben. Allein im Pazifik gibt es ca. 30
000 solcher Seeberge.
Über die submarinen Sockel der Vulkane weiß man so gut wie nichts (und
diese machen immerhin über 90% aus!) Mit wachsender Größe und abnehmendem
Wasserdruck kann das im Magma gelöste Gas Blasen bilden. Diese zerreißen die
Schmelze und es kommt zu einer explosiven Reaktionen die Größe des Berges
erweitern. Bei zunehmender Größe wird der Kern vom Wasser isoliert und kann durch
Lavaströme stabilisiert werden. Dies konnte 1963-64 bei dem neu entstandenen
Vulkan Surtsey gut beobachtet werden. Bei hohen Eruptionsraten bauen sich die
sogenannten Schildvulkane auf, die das Grundgerüst für Inselketten bilden.
Die meisten kontinentalen Intraplattenvulkane befinden sich entweder auf sich
noch hebenden paläozoischen Blöcken oder in tektonischen Gräben. Die typische
Form dieser Vulkane ist der Schlackenkegel. Meist sind es hierbei gleich
Vulkanfelder von 30 bis 80 km Durchmesser die aus bis zu mehreren hundert
Schlackenkegeln bestehen. Zu den bekanntesten zählen der Eifel und Chaine des Puys
(beide in Frankreich).
An Intraplattenvulkanen lassen sich einige geodynamische Hypothesen
aufstellen und erforschen. So ist es möglich, daß sie nur an sogenannten mantle
plumes auftreten - Mantelströme die aus dem oberen oder sogar unteren Mantel
aufsteigen. Sie könnten kontinentale Riftzonen anzeigen, die für ein
auseinanderbrechen der Kontinentalplatten verantwortlich wären.
Hierbei stellt sich auch eine Theorie, nach der die ozeanische Lithosphäre über
einen im Mantel verankerten Kern, den hot spot, wandere, in dem die aufsteigenden
Basaltmagmen erzeugt werden. Spuren hierfür lassen sich an der mehr oder weniger
linearen Altersabnahme der pazifischen Vulkanreihen erkennen. Hier zeigt sich eine
systematische Altersabfolge mit einer Wandergeschwindigkeit von ca. 8-10 cm pro
Jahr. Außerhalb des Pazifiks sind diese Beispiele für regelmäßige Vulkantätigkeit
jedoch selten.
Das auffälligste Zeichen für hot spots ist jedoch nicht die erhöhte
Magmaproduktion sondern die deutlich erkennbaren Aufwölbungen. Hawaii sitzt zum
Beispiel auf einem Hochgebiet der hawaiianischen Schwelle, das einen Durchmesser
von 2000 km und eine Höhe von ca. 1,2 km hat. Ungefähr 10-40% der Erdoberfläche
bestehen aus solchen Hot-spot-Aufwölbungen.
All diese Intraplattenvulkane bilden in eine Tiefe von bis zu 200 km
„Wurzelzonen“ aus, in denen beispielsweise Erdbebenwellen gedämpft werden. Diese
Wurzelzonen haben eine geringere Dichte als die restlichen Mantelzonen. Diese
Wurzeln können nun in Hot-spot-Gebieten „nur“ bis 100 km tief reichen, während
man am Roten Meer, in ruhigeren Gebieten, eine bis 550 km reichende Wurzelzone
vorfand.
Vulkane an Subduktionszonen sind gegenüber anderen von höherer
Explosivität, da das von ihnen geförderte Magma wasserreicher ist und leichter zur
Bildung von Gaskammern einläd. Bei Intraplattenvulkanen müssen auch exogene
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Faktoren berücksichtigt werden (Wasserspeicher in nahen Sedimentschichten oder
Klüfte in der Umgebung des aufsteigenden Magmas). Somit sind viele der
Explosionen einfache Wasserdampferuptionen. Die Forschung wird also in Zukunft
noch stärker versuchen auf die Morphologie oder die Gesteins-beschaffenheit
einzugehen.
Negative und positive Auswirkungen des Vulkanismus
In den letzten 400 Jahren starben mehr als 250 000 Menschen bei
Vulkaneruptionen. Aufgrund der ständig wachsenden Bevölkerungsdichte vergrößern
sich auch die Gefahren durch Vulkaneruptionen ständig. Die direkten Gefahren dieser
Vulkanausbrüche sind Aschenfälle, austretende Gase, Druckwellen und Schlammund Lavaströme. Besonders gefährdet sind Gebiete um Vulkane deren Eruptionen
durch jahrhundertelange Ruhepausen getrennt sind. Ein Beispiel hierfür ist der
berühmte Vesuv bei Neapel. Zur Zeit seiner großen Eruption siedelten ca. eine
Million Menschen in dieser, höchst gefährdeten, Zone.
Hauptgefahren bei solchen Eruptionen sind die extrem heißen Gase oder
anderen Partikel, die als Dichteströme mit Geschwindigkeiten von 10-100 m/s die
Hänge des Vulkans herunterbrausen können. Diese sogenannten pyroklastischen
Ströme sind wegen ihrer Geschwindigkeit eben besonders gefährlich (ihretwegen
kamen 1902 in Martinique 30 000 Menschen bei der Eruption des Montagne Pelée
ums Leben)
Vulkanische Schlammströme können sowohl aus Wasser von Kraterseen als
auch von Gletschern bestehen. Die, durch die Vermischung der heißen Vulkanpartikel
und des Wassers, entstehenden Schlammstöme sind oft kochendheiß und können
ganze Städte überfluten.
Lavaströme sind, ebenso wie die Schlammströme, sehr gefährlich und können
auch ganze Städte verschwinden lassen.
Somit ist eines der vordringlichsten Ziele der Vulkanerforschung die
Vorhersage von Eruptionen. Dies ist vor allem in dicht besiedelten Gebieten sehr
wichtig um eine rechtzeitige Evakuierung zu ermöglichen. Auch für weitere
Vulkanforschung wäre der genaue Zeitpunkt sehr hilfreich um weitere Forschungen
direkt nach der Eruption betreiben zu können. Vulkaneruptionen sind genau so
unvorhersagbar wie das Wetter - sie gelingen nur in den seltensten Fällen und nur bei
ausreichend dokumentierten Vulkanen.
Gefahren können durch genaue geologische Untersuchung der Geschichte des
Vulkans gefunden werden, aber meist lassen sich dadurch nur Rückschlüsse auf Art,
Größe und Wahrscheinlichkeit zukünftiger Eruptionen schließen - jedoch nicht deren
Zeitpunkt. Der Zeitpunkt kann nur durch genaue, ununterbrochene Beobachtung
geschätzt werden. In den letzten 25 Jahren gab es aber eine enorme Entwicklung in
der Vorhersage von Vulkaneruptionen. So wurden manche Ausbrüche bis auf ein paar
Tage genau vorhergesagt. Besonders bedeutend sind hierbei Analysen von Erdbeben
und Bodendeformationen. Am immer noch aktiven Mt. St. Helens wurden Eruptionen
oft auf den Tag, ja, auf die Stunde genau vorhergesagt. Doch wegen der hohen Kosten
dieser Eruptionsvorhersage können nur ca. ein Dutzend Vulkane ständig überwacht
werden.
Heute unterscheidet man zwei Arten der Vorhersagen:
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• Die Prognosen, die nur eine vage Ankündigung einer zukünftigen Eruption geben
(in Monaten, Jahren oder Jahrzehnten).
• Und die Vorhersagen, die eine genaue Zeit und Art der Eruption beinhalten. Nur
wenn diese Vorhersagen mit größtmöglicher Genauigkeit gemacht werden können,
kann die Glaubwürdigkeit bewahrt bleiben. Denn Evakuierungen ohne nachfolgende
Eruption sind lähmend und haben meist zur Folge, daß auf die nächste Warnung nicht
mehr gehört wird. Somit ist es für die Vulkanforscher ein hartes Stück Arbeit, wenn
sie ihre Glaubwürdigkeit behalten wollen.
Durch Vulkaneruptionen können auch gigantische, globale Wirkungen zeigen,
wie zum Beispiel das „Jahr ohne Sommer“, in dem die nördliche Halbkugel stark
abkühlte. Diese Abkühlung war durch eine gigantische Aerosolwolke aus dem
indonesischen Tambora-Vulkan bedingt. Die Landwirtschaft wurde in Indonesien so
stark in Mitleidenschaft gezogen, daß durch die nachfolgende Hungersnot auf den
beiden Inseln Sumbawa und Lombok 80 000 Menschen starben.
Diese Klimaveränderung kann natürlich auch noch weitaus länger anhalten
und weit stärkere Auswirkungen zeigen. So, zum Beispiel, die Faunawende an der
Grenze Kreide/Tertiär, als die Dinosaurier und viele andere Arten ausstarben. Diese
vulkanischen Aerosole ähneln nicht nur dem sauren Regen, sondern stellen auch ein
realistisches Naturmodell des nuklearen Winters dar. Diese Aerosole haben eine
Zusammensetzung, die ihnen einen jahrelangen Aufenthalt in der Stratosphäre
ermöglicht. So z.B. das magmatische Gas SO2. Dieses Gas kann sich in Verbindung
mit dem atmosphärischen H2O in kondensierte Schwefelsäurepartikel umwandeln.
Erdbeben - Vorhersage und Verhütung
Erdbeben sind schon seit der frühesten Geschichtsschreibung bekannt. Das seit
Jahrhundertsten schwerste Erdbeben ereignete sich 1976 in China, in der
Provinzhauptstadt Tangshan. Damals starben 240 000 Menschen. Nur ein Jahr zuvor
hatten chinesische Wissenschafter eine Gesetzmäßigkeit in der Erdbebenwanderung
entdeckt. Die Bevölkerung wurde auch im Erkennen von ErdbebenVorläuferphänomenen geschult. Dadurch konnte ein Beben in der Stadt Haitsheng
hervorgesagt und die Bevölkerung rechtzeitig evakuiert werden.
Es gibt kein bestimmtes Muster für Vorläuferphänomene. Man kann also nicht
mit Sicherheit ein herannahendes Erdbeben vorhersagen. Auslöser für Erdbeben sind
ruckartige Bewegungen an Bruchzonen der Lithosphäre. Diese Ansammlung von
Spannung ist mit gewissen Sekundärphänomenen verbunden. Wie kann man sich
dennoch wirkungsvoll gegen Erdbeben schützen? Die zur Zeit sicherste Methode ist
eine erdbebensichere Bauplanung.
Es gibt verschiedene Ursachen für Erdbeben. Durch die Untersuchung von
Erdbebenwellen konnte das Erdinnere in groben Zügen erforscht werden. Somit
besteht die Erde aus Kruste, Mantel und äußerem und innerem Erdkern.
Erdbebenwellen laufen nun von einem Punkt ausgehend in alle Richtungen. Wellen
die direkt zum Erdkern laufen, werden dort reflektiert und kommen zurück. Je länger
der Weg, desto tiefer im Erdkern und umgekehrt. So wurde auch festgestellt daß der
Erdkern eine unregelmäßige, flüssige Masse ist. Währe er fest, hätte er inzwischen
aufgrund der Gravitation eine Ellipsenform angenommen. Dies ist somit ein Indiz für
die gewaltigen Konvektionsströme im Erdinneren. Auf diesem strömenden
Mantelmaterial schwimmen die leichteren Kontinentalplatten.
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Durch die Kenntnis der, bei Erdbeben ablaufenden Prozesse, können
zukünftige Erdbeben einigermaßen genau vorhergesagt werden. Aus vorgegebenen
Parametern kann die seismische Wellenenergie berechnet werden. Um
die
Wellenausbreitung zu berechnen sind genaue Kenntnisse der Lithosphäre erforderlich.
Oft ist der lokale Baugrund über die schwere des Erdbebens sehr entscheidend.
Die mit dem Erdbeben verbundene Bodenbewegung ist ausschlaggebend für
die Untersuchung der Boden-Bauwerk-Wechselwirkung. Heutzutage wird oft nur die
maximale Beschleunigung abgeschätzt. Diese leitet sich von der Erdbebenintensität
her. Die Intensität ist jedoch kein sehr zuverlässiges Maß, da sie auf der menschlichen
Wahrnehmung und dem Zerstörungsgrad beruht. Ein Vorhersagemodell sollte aber
auch über die Dauer der Starkstoß-bewegung und den Frequenzinhalt der
Bodenerschütterung enthalten. Die Boden-Bauwerk-Wechselwirkung kann auf
verschiedene Arten untersucht werden. Wichtig ist die Schadensinspektion nach
Erdbeben. Für Bauingenieure sind dann auch Computer-simulationen oder
Simulationen auf Rütteltischen sehr hilfreich. Auch Verwundbarkeits-studien und
Verlustabschätzungen sind sehr nützlich. Hierbei geht es um die Effekte eines Bebens
in Hinblick auf Schäden an Gebäuden und leibliche Schäden und Verluste sowie
Unterbrechungen der Versorgungssysteme. Für solche Schadensszenarien sind auch
genaue Kenntnisse des Erdbebens erforderlich.
Genaue Kenntnisse über die Boden-Bauwerk-Wechselwirkung sind
unerläßlich für die Ergreifung von Gegenmaßnahmen. Sehr wichtig ist die
Absicherung von Bauwerken (zum Beispiel mit Gummipackungen oder Federn). Dies
gilt nicht nur für Wohnhäuser sondern auch für Fabriken, Geschäfte, Kraftwerke,
Brücken, Tunnelbauten, etc. In Gebieten wo gezwungen auf Untergrund mit erhöhtem
Erdbebenrisiko gebaut wird, müssen eingehende Voruntersuchungen des Baugrundes
vorgenommen werden. Auch die Katastrophen-bereitschaft ist eine wichtige
Maßnahme zur Begrenzung des Schadens. Sie umfaßt Nahrungsmittellagerung,
Notunterkünfte, Hilfstruppen und Evakuierungspläne. Doch durch das große Risiko
eines falschen Alarms ist die Erdbebenwarnung noch sehr umstritten, da durch einen
falschen Alarm sowohl das Wirtschaftswesen als auch die Psyche der betroffenen
Menschen grundlos belastet wird.
Die Kontinentalverschiebungstheorie von Wegener
Alfred Wegener (1880-1930), ein gebürtiger Berliner, fiel im Jahre 1910
(völlig unbeeinflußt vom Amerikaner F.B. Taylor) bereits die „gute Paßform“ der
Kontinente beiderseits des Atlantischen Ozeans auf. Bereits 1912 referierte er das
erste Mal über seine Hypothese der Kontinentalverschiebung. Nach seiner Theorie
durchpflügen die Kontinente, bestehend aus Material mit relativ geringer Dichte
(„Sial“, hauptsächlich Silicium- und Aluminiumreiche granitische Gesteine mit einer
Dichte von ca. 2,7 g/cm³) eine zähflüssige Gesteinsmasse. Diese ist nur an der
Oberfläche erstarrt und tritt in den Ozeanböden zutage („Sima“, Silicium- und
Magnesiumreiche Basalte mit einer Dichte von 3,0 bis 3,3 g/cm³). Durch diesen
Dichteunterschied erfahren die Kontinente einen Auftrieb und ragen über die
Ozeanböden hinaus.
Wegener machte besonders zwei Kräfte für die Kontinentalverschiebung
verantwortlich: Die Polfliehkraft, die durch die Erdrotation erzeugt wird und für die
Kontinentaldrift von hohen in niedrige Breiten verantwortlich ist, und die Westdrift,
die durch Zusammenwirken der Rotationsrichtung von Westen nach Osten und die
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Präzession der Erdachse verursacht wird. Damit wollte Wegener die Hochgebirge an
der Westseite der amerikanischen Kontinente und die entsprechenden tiefen
untermeerischen Grabenspalten in Ostasien erklären. Seiner Meinung nach waren sie
Ausdruck der Westdrift. Er sah darin das Ausfransen und Abbrechen kontinentaler
Krustenschollen während der Wanderung. Die Antillen und die Süd-Sandwich-Inseln
beispielsweise würden somit durch die Westdrift entstanden worden sein, während die
Kontinente wanderten.
Wichtige Stützen für Wegeners Theorie waren paläontologische und
paläoklimatische Aspekte. Durch genaues Studium des Wissens seiner Zeit, fand er
charakteristische Faunen- und Florenprovinzen des ausgehenden Paläozoikums in
zusammengehörigen Zonen. Somit konstruierte er einen zusammenhängenden
Kontinent, Pangäa, aufgrund dessen er viele weitere Beweise für seine Theorie fand.
So fand man Eis von der Vereisung der Antarktis sowohl in Südamerika und
Australien als auch in Südafrika und Indien. Es konnten um den rekonstruierten
Kontinent Pangäa viele Floren kälterer bis gemäßigterer Klimazonen nachgewiesen
werden. Auch an den Rändern von Südamerika und Afrika konnten einige völlig
gleiche Gesteinszonen nachgewiesen werden. Eine moderne Rekonstruktion Pangäas
unterscheidet sich zwar in Details von Wegeners, bestätigt aber im Großteil die
Richtigkeit seiner These.
Wegener gab 1915 sein Buch „Die Entstehung der Kontinente und Ozeane“
heraus, das bis zu seinem Tode vier Auflagen hatte. Aber trotz seiner guten
Beweisführung fand Wegeners Theorie nur wenige Anhänger. Der Grund dafür war,
daß Wegener keinen befriedigenden Mechanismus für die Kontinentaldrift hatte. Da
er hauptsächlich Astronomie studiert hatte suchte er die Gründe für die
Kontinentalverschiebung in außerplanetaren Kräften. Heute steht jedoch fest, daß die
Kontinentaldrift von den erdeigenen Kräften verursacht wird, besonders von
Konvektionsströmen im Erdmantel. Die von Wegener in Betracht gezogenen Kräfte
wären viel zu schwach. Somit hatte Wegener zwar das Phänomen der Kontinentaldrift
richtig erkannt, konnte es aber nicht hinreichend erklären. Dies war
Hauptangriffspunkt seiner Feinde und verhinderte eine breite Anerkennung seiner
Theorie.
Neuesten Untersuchungen lassen noch weitere Erkenntnisse zu. So lassen sich
an Intraplattenvulkanen einige geodynamische Hypothesen aufstellen und erforschen.
Es ist möglich, daß Intraplattenvulkane nur an sogenannten mantle plumes auftreten Mantelströme die aus dem oberen oder sogar unteren Mantel aufsteigen. Sie könnten
kontinentale Riftzonen anzeigen, die für ein auseinanderbrechen der
Kontinentalplatten verantwortlich wären.
Hierbei stellt sich auch eine Theorie, nach der die ozeanische Lithosphäre über
einen im Mantel verankerten Kern, den hot spot, wandere, in dem die aufsteigenden
Basaltmagmen erzeugt werden. Spuren hierfür lassen sich an der mehr oder weniger
linearen Altersabnahme der pazifischen Vulkanreihen erkennen. Hier zeigt sich eine
systematische Altersabfolge mit einer Wandergeschwindigkeit von ca. 8-10 cm pro
Jahr. Außerhalb des Pazifiks sind diese Beispiele für regelmäßige Vulkantätigkeit
jedoch selten.
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