Zusammenfassung - Mitschriften Vulkane PDF

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Summary

Es geht hier um die Vorlesungsinhalte über Vulkanismus und auch Entstehung des Grand Canyon....

Description

Vulkane

1 1.1

Einleitung

Die meisten Erkenntnisse u¨ber Vorga¨nge im Erdinneren stammen aus den letzten Jahrzehnten. Alfred Wegeners Theorie der Kontinentaldrift von 1912 wird erst seit den sechziger Jahren in erweiterter Form (sea floor spreading, Plattentektonik) akzeptiert. Wichtig fu¨ r neu e Erkenntnisse waren vor allem die Seismik (b egu ¨nst igt dur ch Atomtest ), der Er kundung von Lagerst a¨tten (wirtschaft li ch e Interessen ), die Ent stehung der Insel Surtsey (1964) bei Island, neue Technologien (Satelliten, Laser usw.).

1.2

Plattentektonik

Heute sind ca. 550 subaerische Vulkane aktiv. Der meiste Vulkanismus spielt sich aber an den mittelozeanischen Ru¨cken ab. Dort entsteh t n eue Er dkr uste wohi ngegen d sie an den Subdukti onszonen verschwindet. Der Pazifik b esit zt keinen mittelozeanischen Ru¨cken meh r. Auf der ameri kanischen Se ite gibt es ein paar kleinere P lat ten ( u.a. Cocos-, Nazca- u nd Juan-de-Fuca-Platt e), aber deren Ra¨nder zur pazifischen Platt e sind heu te inaktiv – außerdem werden diese Platten in geologisch absehbarer Zeit komplett subduziert worden sein (dies passiert z.B. in Kalifornien, dehalb kommt es dort zu Vulkanismus und Erdbeben), dann ist die pazifische Platte komplett von Subdukti onszonen umgeb en. Der mittelozeanische Ru¨cken, der die Sc hrump fung des P azifi k au sgleic ht, liegt im Atlantik und schiebt Amerika nach Westen – dadurch kommt es im Pazifik zum Ring of Fire. Ein Ozeanboden ist wi e ein Fo¨ rderband, das vom mittelozeanischen Ru¨ cken losla¨uft. D ies fu¨hrt zu d en typischen symmetr ischen magnetischen St reifen must ern, die ein e Au fzeichnung der wechselnden P olar ita ¨t d es Erdmagnetfeldes darst ellen (Frederick Vine, Drummond Matthews 1963). Die Kon ti nentalplatten schwimmen auf der Asthenospha¨ re und werden von Konvekt ionswirbeln angetrieb en. Ob Konvektion i n einem Mater ial auftri tt, ha¨n gt von der Temperaturdi fferenz im Materi al, seiner Viskosi ta¨ t und sei ner Wa¨ rmeleit fa¨higkeit ab. E s gibt verschiedene Definitionen der Lit hospha¨re. • seismi sche: definiert durch ihre Grenze zu einer Zone niedr iger G eschwin digk eiten (LVZ). Ma¨chti gkeit nimmt mit dem Alter zu ( mittelozean ische Ru¨ck en < 20km – Kraton e 200km) • elastische: ergi bt si ch rechnerisch aus den Verformungen der E rdoberfla¨ che, wenn sie belastet wird ( z.B. durch Hawaii oder Gebirge) ◦ • t hermische: ku¨hle a¨ußer e Sc hale (kon dukt iver Wa ¨r megradient bi s 1280 C an der Unterseite), ungefa¨hr doppelt so heiss und somit auch dick wie die beiden anderen Definitionen.

Vulkane treten an den Plattengrenze auf, aber auch innerhalb der Platten (Hotspots). Vulkane in den Subdukti onszonen erupt ieren nur ca. 10% der global en Magmamenge von ca. 4km 3 / Jahr (?), repra ¨sen tieren aber u¨ber 80% der ca. 5350 historischen Eruptionen. Je nach Entstehungsursache haben Vulkane eine unterschiedlichen chemischen Aufbau und damit auch ein anderes Erscheinungsbild.

1.3

Magma

Magma ist partiell aufgeschmolzenes Gestein aus dem Erdmantel bzw. Kruste (kleinerer Anteil). Die Gesteine der meisten Vulkan e si nd basaltisch, oberhalb von Subduktionszon en ha¨ ufig rhyolithisch. Magma ist si likat isch, entha ¨lt 40-75 Gewichtprozent Si O2 (Basalte 50%, Granit e 70-75%). S ehr selten gibt es auch karbonatische und sulfidische Schmelzen. Eruptiertes Magma wird Lava genannt. 1.3.1

Einteilung

→ • Plutonite ku¨ hlen langsam im Erdinner en ab, desh alb k¨onnen in i hnen große K ri stalle entstehen gr ob- ko¨rnige Gesteine (z.B. G ranit , Gran odiori t). • Subvulkanite erstar ren dichter unter der Er doberfla ¨che und d amit sc hneller → feinko¨rniger. • La va erstar rt seh r schnell an der Oberfla¨che. Feinko¨rnig bis glasig, die Feinstru ktur ist nur unt er dem Mikroskop zu erkennen. Man unterscheidet scharfkantige Aa-Lava und glatte Stricklava (Pahoehoelava; wird beim Kontakt mit Wasser zu Kissenlava).

Vulkanite lasses sich nach ihrer chemischen Zusammensetzung einteilen: • dunkel – z.B. Basalt • heller, i ntermedia¨ r – z.B. Andesi t • hell, ho chdi fferenziert , felsi sch (fa¨lschli ch sauer) – z.B. Rhyolith , Phonolit h 1.3.2

Aufbau der Erde

Die Erde besteht aus Sili kat en und Metallen, wob ei sich die Metalle im Kern konzent rieren, wa ¨hren d der Mantel und di e Kruste aus Sil ikaten best eht. Di e Entstehu ng ist n och nicht gek la¨rt; zur Debat te st ehen eine heterogene Entstehung (um den Eisenkern hat sich der Mantel und die Kruste gebildet) oder eine homogene Entstehung (i n d er gl utfl u¨ ssi gen Erde war en d ie Elemente vermischt und hab en sich erst im Laufe d er Zeit getren nt). •

Er dkruste, 5-30km ma ¨chtig, Basalt, Dicht e 2,67g/ cm 3

•

Er dmantel, 2870km ma ¨c htig, Fe- und Mg-reiche Silikate, i nsbesonder e O li vi n, D ichte 4,6g/cm3

• Er dkern, 3480km ma¨ chtig, Nickel, Eisen , Dic hte 10,6g/cm 3 Der thermische Gradient vermindert sich mit zunehmender Tiefe. 1.3.3

Entstehung

Basaltische Magmen h aben bei der Eruption eine Temperatur von 1100-1250◦ C, d eshalb ko¨nnen sie nicht aus der Krust e stammen. Oft enthalten sie Br uchstu ¨ cke von Peridot it (Olivin /Orthopyroxen), sie kommen also aus dem Mantel. Der Kern scheidet als Quelle aus, da man keinen Eisenvulkanismus beobachtet. 3 Mo¨ glichk eiten der Ent stehung (in der Natur nat u¨ rlich gemischt) • Temperat urerho ¨h ung • Druckentlastung • Zufuhr fluider Phasen Es gibt drei Arten von Vulkanismus: – an Spreizungszonen (sea floor spreading); es entsteht MORB (middle ocean ridge basalt). Der meiste Vulkanismus tritt an solchen Spreizungszonen auf. Weil diese meistens unter Wasser liegen, ist ein sehr großer Teil des Vulkanismus auf der Erde unsichtbar. – an Subduktionszonen: Das abtauchende Gestein ist relativ wasserhaltig, das Wasser erniedrigt den Soli dus von Peridotit , wo durch dieser flu ¨ssig wird und oberh alb d er Subduktionszone aufsteigt. (Das Wasser liegt dabei nicht in flu¨ ssiger Form vor, denn die wa¨ sserigen Sedimente werden ni cht mit subduziert, sondern am Tiefseegraben aufgeschoben; das Wasser ist statt dessen in die Kristalle mit eingebaut. Unter Druck und Hitze kommt es zu Phasenumwandlungen, das Kristallwasser wird dabei fr ei. Man verm utet sogar, d ass die Vol umen a¨ nderung durch frei werdendes Wasser verantwortl ich fu¨r Tiefbeben ist.) Es entsteht CMB (continental margin basalt) bei Subduktion einer ozeanischen Platte unter einer kontinentalen Platte bzw. IAB (island arc basalt) bei Subduktion unter einer anderen ozeanischen Platte. – an Hot-Spot-Stellen (Plume: dort, wo die Mantelkonvektion heißes Material nach oben transportiert); es entsteht OIB (ocean island basalt). Auf der Erde sind die Hot-Spot-Vulkane relativ klein, weil sich (wie z.B. bei Hawaii) die P latten u¨ber dem Plume bewegen, wodurc h der V ulkan wandert und die alten Best andteile wegero dieren ko¨nnen. Auf dem Mars gibt es keine Platten tektonik – der Olympus Mons (entsprechend ein Hot-Spot-Vulkan, weil es keine Plattengrenzen gibt) bleibt an der gleichen Stelle un d kann sich deshalb immer ho¨her auftu¨r men. Es sin d auch Kombinationen mo¨gl ic h. Beispielsweise l iegt Island sowohl auf dem Mi ttelatlant ischen Ru¨ ck en als auch auf einem Hot-Spot. • Es gibt folgende Typen von Vulkanen:

– Ein Schildv ulkan ist relativ flach, weil sei n Magma wenig Si liziumdioxid en tha¨lt und dad urch sehr flu¨ssi g ist. Gase ko¨ nnen aus der flu¨ ssigen Lava leicht ent weic hen, dar um sind bei einem Ausbr uch die schnell fließenden ro t glu¨henden Lavastro ¨me ( roter Vulkan“) charakteristisch. 90% der Vulkane auf der Welt geho¨ ren zu den Schildvulkanen. ” – Ein Schichtvulkan (Stratovulkan, grauer Vulkan“) entsteht bei relativ kaltem und ” Viskosit a¨t viel Gas ent ha ¨lt. Di e ex plosiv verlaufenden siliziumhaltigem Magma, das wegen seiner Ausbru¨ che fo¨r dern oft abwechselnd Lava und Lockermaterial (Asche, Bomben, Lapilli), wodurch die Schichtung des Vulkangesteins zustande kommt. – Ein Maar ist ein Krater, der durch Kontakt von Magma mit Grundwasser gesprengt wurde. – Eine Cal dera ist ein kessel fo¨r miger Krater , der durch den Ei nst urz einer Magmakammer oder durch das Wegsprengen von Teilen eines Vulkankegels entstanden ist.

Es sind auch Mischungen mo¨glich . Z.B. ist der A¨ tna im unteren Teil ei n Schildvulkan, im oberen jedo ch ein Schichtvulkan. Au ch Kissenla va fin det sich auf dem A¨ tna. • Die Erde einen festen Kern. E rmittelt wurde das mit Hilfe der Seismik ; n ur in fest en Medi en ko¨ nnen ne- ben P-Wellen (Longitudinalwellen, Kompressionswellen) auch S-Wellen (Transversalwellen, Scherwellen) auftreten, und beide Wellentypen haben unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Man kann also bei Wellen, die durch den Kern laufen, zwei unterschiedliche Geschwindigkeiten beobachten. Es ist mo¨ glich , d ass der Erdk ern fru¨her flu¨ ssig war . E ine K onseq uenz daraus wa ¨re, dass gro¨ßere Kon vekti- onswirbel mo ¨glich gewesen wa¨ren (d.h. nich t nur um den Kern herum, sondern die ganze Er de ausfu ¨llen d). • Subdu ktion: Wenn der Dr uc k auf eine d er beteili gten Pl atten nachla¨ sst (z.B. weil sich der mittelozean ische Ru¨cken langsamer ausdehnt) oder wenn sehr schwer es Materi al subduziert wird, das in einem entspr echend steilen Winkel in den Erdmantel eintaucht, wird damit der Rand der Kontinentalplatte entlastet. Dadurch kommt es im hinteren Teil (hinter den Vulkanen an der Subduktionszone) zu einer Entspannung, wodurch die Kr uste einbrec hen und sich ein G raben parallel zum P lattenr and bilden kann. ( In d ieser Schwa¨ chezone kann sich weiterer Vulkanismus bilden.) Dieser Effekt scheint beispielsweise in Japan aufzutreten: Die japanischen Inseln liegen auf der eurasischen Platte, am Plattenrand zur pazifischen Platte, und aus dem Graben im Hinterland“ scheint das ” japanische Meer entstanden zu sein. • Beurteilung der Gefahren, die durch einen Vulkan ausgehen: – Wo ist die Landhebung am sta¨r ksten (= Hinweis auf Magmakammer)? – Wo ist der mo¨gl ic he Schaden am gro¨ßt en ( weil dor t viele Menschen wohnen und t eure Infr astrukt ur vorhanden ist)? – In w elche Ric htungen wu¨rd e aufgrun d der Topogr aphie die Lava fl ießen? – Wohin wu¨ rde di e Asc he durch den Wind verfrachtet werden? • Magma ist teilweise oder vollkommen geschmolzenes Gestein. ”Teilschmelze“ bedeutet, dass nur bestimmte Bestandteile des Gesteins geschmolzen sind. Bereits wenn wenige Prozent des Gesteins geschmolzen ist, kann es fli eßen; wen n ein Dr ittel geschmolzen ist, h at es bereit s praktisch die gleiche Viskosita ¨t wie als w enn es komplett geschmolzen ist. Bestandtei le von Magma: silikat ische Schmelze, gel o¨ste Gase, Kristal le, Gasblasen. • Die Viskosita¨t von Magma wird neben der Temperatur und dem Druck auc h vom Kristal lgehalt (je meh r Kr istalle, desto viskoser) und dem Wassergeh alt beeinflusst. Bereits 1-2%(mol) Wasser sorgen fu ¨r eine seh r starke Senk ung der Vis kosita¨t, d.h . aufsteigendes Wasser (z.B. bei der Subduktion wasser hal tiger Gesteine) verflu¨ ssigt Magma, wa¨ hrend M agma, die i hre Volatil en verloren hat, viskos wird. Gru nd: Sil izi- umdioxid ist ein Netzwerkbildner (d.h. erzeu gt ein Kr istallgi tter mit Tetraeder bindungen) , wa¨ hrend Wasser und Alkalimetalle (v.a. Natrium und Kalium) Netzwerkwandler sind (d.h. sie behindern den Aufbau ei- nes Kristallgitters) – entsprechend haben Alkali-reiche Gesteine (Phonolite, Trachyte) einen niedrigeren Sc hmelzpunkt als Alkali-a ¨r mere Gesteine ( z.B . Basalt ). Koh lendioxid schwa¨cht die Wir kung von Wasser ab, d.h. stabilisiert die Magma. Helle Magma ist SiO2-haltig, dunkle Magma hat wenig SiO2 (z.B. Basalt) • Der obere Erdmantel besteht aus Peridotit (= Olivin und Pyroxen/Orthopyroxen). Basalt ist eine Teilschmelze aus Peridot it ( MORB-Basal t: 10-20%; Alkalibasalt: 3-5%); man fin det auch an der Er doberfla¨ che Peridotit, der mit der Basaltmagma nach oben transportiert wurde – • Die Explosivita ¨t von Magma ha¨ngt vom Gasgehalt und von der Visk osit a¨t ab. Nied rig viskose Magma kann bereits in der Magmakammer entgasen. • Bradysei sm = Hebung oder Senku ng der Erdkrust e durch Fu ¨llu ng od er Ent leeru ng einer darunt er lie- gend en Magmakammer. Beispiel: Im Ort Pozzuoli (bei Neapel) steh en auf d em Mar ktplat z dr ei r o¨misch e Marmorsa¨ulen; heute stehen sie im Troc kenen , wa¨hrend sie i n den 1960er-Jahr en noc h im

Wasser standen. An den Sa¨ulen sind Spuren von Meerestieren bi s in 7m Ho¨he zu sehen, d.h. so t ief mu¨ ssen die Sa¨ulen zwischenzeitlich unter Wasser gewesen sein. • Cald eren sind oft st ark erod iert und sehen d adurch bi s zu 10% gro¨ ßer als bei ihrer Entst ehung aus. • En tstehungspri nzip einer Cald era: Wie bei einem u ¨berkoch endem Topf mi t zu kleinem Decken , bei dem, nachdem der Dr uck abgebaut ist, der Dec kel nach innen fa¨ llt . • Freies Gas in der Magma (d. h. nicht gelo ¨st) erho ¨ht die Ausbruchswahrschein lichkeit, weil Gas leichter als Magma durch das Gestein dringt. • Entstehung von Magma: – Druckentlastung ⇒ V erflu¨ ssigung (tr itt z.B. an einem mittelozeanischen Ru ¨cken auf) – Temperaturerho¨hung (z.B. u¨ber einem Hotspot) ⇒ an einem Hotspot steigt keine Sc hmelze auf, sondern es ist eine Wa¨rmeanomalie, dur ch die Schmelze entstehen kan n – Zufuhr von verflu¨ssigenden Stoffen ( z.B. Wasser , an Sub duktionszon en) • Wen n Basaltmagma abku ¨ hlt, kr istallisieren manc he Best andteil e aus, di e verbl eib ende Magma ist Rhyolith. Man kann aus der chemischen Zusammensetzung der Magma also auf die Temperatur, die in der Magmakammer herrschte, schließen. • Vulkanismus in Deutschland: – Der meiste Vulkanism us stammt aus d em Tert ia¨ r, ledi glich die E i fel-Vulkane stammen aus dem Quar- ta¨ r. Die ju¨ngsten vulkanischen Erscheinungen sin d di e Maar e in der Eifel . – Plutonite (d.h. Granit) findet man u.a. im Bayerischen Wald, Fichtelgebirge und Schwarzwald. – Vul kanit e findet man in der Eifel, West erwald, Vogelsberg, Hassb erge, Rho¨ n u nd am K aiserst uhl • Dol arit ist ein Zwischend ing zwischen Vulkanit und Plutoni t, d.h. Magma, die d icht unter der Er doberfla¨ che erstarrt ist. • Magma steigt nur wegen Dichteunterschiede auf. Weil der Dichteunterschied zum umgebenden Gestein umso geringer wird, je weiter oben die Magma ist, bilden sich Magmakammern. • Magma hat eine deutlich geringere Dichte als das daraus entstehende Gestein, d.h. die Schmelze hat ein ausgedehntes Volumen. • Magma kann nur au fst eigen, wenn ein Kanal vorhanden i st, der zur Obe rfla¨che fu ¨hrt. Sie kann sich nicht von alleine durch das Gestein durchschmelzen. • Vulkanisches Material: – Lav a: flu ¨ssig austreten des Gestein – Tephra: Materi al, das ballistisch ausgeworfen wi rd, z.B. Bims, Blo¨cke (beim Auswurf fest ), Bomb en ( beim Auswurf flu¨ssig, d.h . aero dynamisch geformt), Größenstaffelung von Tephra (Asche (kleiner als 2mm), Lapilli (bis 64mm), Bomben und Blocke (größer als 64mm)) – Vulkanisches Lockermaterial: Pyroklastika -/ Tephren (Auswurf vulkanischen Förderschlot) – Tuff: verfestigtes vulkanisches Lockermaterial – Gas – -> Aufenthaltsdauer in der Magmakammer: zwischen einigen Stunden und hunderttausend Jahren

• Arten von Plattengrenzen: – divergent : Vulkanismus vorhanden, es entsteht MORB – transfer faults: Die Platten schieben sich horizontal in verschiedene Richtungen, dabei gibt es Erdbeben, aber keinen Vulkanismus. – kon vergent: E ine P lat te taucht unter der anderen ab. Hier gibt es drei Fa¨ lle zu unt ersch eiden . ∗ kontinental-kontinental: Hier wird kein Wasser subduziert, darum kann kein Magma aufgeschmolzen werden, es kommt zu keinem Vulkanismus. ∗ ozeanisch -ozeanisch: Hier taucht die a¨ltere (= ka¨ltere, schwerere) Platte unt er die ju ¨ngere Pl atte, die abtauchende Platte, die aus Basalt (MORB) besteht, wird aufgeschmolzen und setzt Wasser, das sich im Gestein als auch in den darauf liegenden Sedimenten befindet (5-8 Prozent Wasserge- halt ), frei => mi t Hilfe der Volatil en kann fl u¨ssige Magma aufsteigen, es komm t zu basalt ischem Vulkani smus. In gr o¨ßerer Entfern ung von der P lattengr enze ist der V ulkanismus eher andesitisch, weil der Aufstiegsweg la ¨nger i st => meh r D iffer enziation fin det st att, bei der Olivin ausgefa¨llt und SiO2 angereichert wird. ∗ ozeanisch -kontinental: Die ozeanisc he Platte sorgt fu¨r Volat ile ( Wasser), wodurch V ulkanismus mo¨ glich wird, der aber wegen des langen Au fstiegsw egs (vi el Differ enziation) andesi tisch i st. Inselbo¨gen werd en ni cht mi t subduziert, sondern abgetr ennt und an di e K ontin entalplat te ange- lagert, sie werden zu Terranes. • Faktoren, die die Gefahr der Hangrutschung beeinflussen: – Hangneigung: je gro¨ ßer, desto gro ¨ßer die Rutsc hgefahr – Dichte des Materials: je gro¨ßer, desto gr o¨ßer d ie Rut schgefahr – Rauigkeit des Materials: je kleiner, desto gro¨ ßer die Rutschgefahr – Gle i ch fo¨rm igke i t: je gleichfo¨rmiger (d. h. al le P art ikel h aben a¨ hnliche Gro¨ße), desto gro¨ ßer di e Rutsch- gefahr – Beschaffenheit des Un ter grunds: je schlechter der Untergrund haftet, desto gro ¨ßer ist d ie Rutschge- fahr, entsprechend bildet sich auf einem Untergrund, auf dem die Partikel besser haften als unterein- ander, ein steilerer Hang, dessen Neigung nach oben hin abnimmt – Erd beb en: beispielsweise die Eruption des Mount St. Helens wur de durch ein Erdbeben ausgel o¨ st (das zu einem Hangru tsch und damit zu einer Druckent lastung fu ¨hrt e, was ein Auskochen der Lava ermo¨ glichte) – Fallho¨ he der P artikel: je mehr kinetische Energie sie hab en, desto gro ¨ßer d ie Rutschgefahr • Entstehung einer Caldera: Der Boden wo¨lbt sich unter dem Dru ck einer dar unter liegenden Magmak ammer auf, es bi lden sich ringf o¨rmige Risse, durc h die Lava ausgeworf en werden kann; wegen des anschließend fehlend en Magmas in der Magmakammer br ic ht di e Mi tte der Aufwo¨ lbung ein.

Entstehung eines Doms: Magma kristallisiert im Schlot aus, der entstehende Propfen wird durch • den Dru ck immer weiter nach außen gesc hoben und wa¨ chst gl eichzeitig unt en weiter an und ero diert oben. Der herausgedru¨ ckte und er odierte Teil des P ropfens ergibt einen Dom. • Ein Ascheregen bildet sehr gut sortierte Schichten, weil die Absetzgeschwindigkeit des Materials von der Dicht e abha¨ngt – leichtes Material set zt sich zul etzt ab.

Grand Canyon

- Genese des Grand Canyon: fluviale Erosion (Colorado River) und Hangrückzug -> Hangentwicklung durch gravitative Massenbewegungen (Bergsturz, Rutschung), Rinnenerosion und Denudation - Geologische Betrachtung: Gesteine des Canyon stammen alle aus dem Präkambrium d.h. das sind metamorphe Gesteine und aus innerer Schlucht. Und aus dem Paläozoikum; das sind die darüber liegende Sedimentgesteine - Geomorphologische Betrachtung: Bildung von Talform, also des Canyon, erfolgte erst in den letzten 7 Mio Jahren (seit dem oberen Miozän bis heute)...