Der Magmenaufstieg in rotierenden Systemen

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Geologische Rundschau 75/3 ] 525-534 [ Stuttgart 1986

Der Magmenaufstieg in rotierenden Systemen Von ALBRECHT GIESECKE, Tucson':-)

Mit i2 Abbildungen

,,Es gibt ein allgemeines Gesetz, nach welchem alle mate- riellen Massen sich gestalten, und dieses offenbaren uns die Gebirge, und wer es kennt, dem sind sie offenbar<,. - Goethe, 1817.

Zusammenfassung

Als Ausgangspunkt einer Diskussion magmatischer Vorg~inge wird hier die von HANS CLOOS (1922) gegr/.in~ dete Granittektonik gew~ihlt. Die Kinematik und Dynamik der Fliegvorg~nge eines aufsteigenden Magmas sind Aus- druck der archimedischen Auftriebskraft. Diese Kraft gleicht alle thermisch verursachten Ungleichgewichte der irdischen Dichteverteilung wieder aus.

Der Magmenaufstieg ist jedoch kein rein archimedischer Vorgang, sondern wird durch Nebenkr~ifte, die sich aus der Rotation der Erde ergeben, verzerrt, deformiert, abgelenkt und in Eigenrotation versetzt. Die gleichzeitig vor sich ge- hende stufenweise Erstarrung des Magmas bewirkt eine gravitative Differentiation, die yon einer lateralen Differ- entiation iiberlagert wird. So erstarrt das Magma schlieglich in Asymmetrie, Fraktionierung und azimutaler Ausrich- tung. Diese Effekte k6nnen sowohl im individuellen Mag- mak6rper, als auch in einer petrographischen Provinz zum Ausdruck gelangen. Die Schluf~folgerung besagt, daf~ kein Magma homogen und vertikal emporsteigen kann. Der ge- samte Vorgang des Aufstieges, das sich daraus ergebende inhere Gefiige und die ~iugere Formgebung eines magmatischen K6rpers unterstehen den Gesetzen yon Archimedes, Coriolis und Cloos.

Abstract

The present discussion about magmatic processes deve- lops out of granite tectonics which goes back to HANS CLOOS (1922). Kinematics and dynamics of the flow within an uprising magma result from archimedean buoyancy. This force equilibrates all disequilibria of the terrestrial density distribution caused by thermal actions.

*) Adresse des Autors: Dr. A. GIESECKE, 740 E Calle de Ciboia, Tucson, AZ 85718, USA.

Magmatic uprising, however, is not a strictly archimedean process, but suffers from distortion, deformation, de- viation, and self-rotations caused by secondary forces which originate from the rotation of the earth. Simultane- ous stepwise crystallization of the magma leads to gravitat- ional differentiation which is accompanied by lateral differentiation. Thus, in the end the magma solidifies asymmetri- cally, fractionated, and exhibiting an azimuthal tendency. These features may be expressed either by an individual magmatic body, or by a whole petrographic province. Ap- parently, no magma is able to rise homogeneously and ver- tically upwards. The entire process of magmatic uprising as well as the resulting inner fabric and outer shape appear to be controlled by the laws of Archimedes, Coriolis, and Cloos.

R~sum~

La pr~sente note est une discussion relative aux procesus magmatiques, avec comme point de d~part la tectonique du granite, telle qu'elle a &~ ~tablie par Hans CLOOS (1922). La cin~matique et la dynamique d'un flux ascendant de magma sont des expressions de la force d'Archim~de. Celle-ci tend ~. aplanir tousles d~s~quilibres provoqu~s par les actions thermiques dans la distribution des densit~s an sein de la Terre.

Toutefois, la mont~e d'un magma n'est pas un processus strictement archim~dien: elle comporte des distorsions, des deformations, des d~viations et des rotations internes, provoqu~es par les force secondaires dues 5. la rotation de la Terre. Simultan~ment la cristallisation fractionn~e du magma conduit h une diff~renciation par gravit~ accompag- n~e d'une diff~renciation lat~rale. De la sorte, le magma se solidifie finalement de mani~re asym&rique, fraction~e et avec une orientation azimuthale. Ces caract~res peuvent s'exprimer soit dans un pluton unique, soit dans toute une province p~trographique. Apparemment, aucun magma n'est capable de s'elever verticalement de mani~re homog~- ne. L'ensemble du processus de mont~e, les fabriques internes qui en r~sultent et la forme ext&ieure d'un corps magmauque sont d&ermin~s par les lois d'Archim~de, de Coriolis et de Cloos.

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KpaTKOe co~ep~aHne

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1. Die Granittektonik

Die Granittektonik ist die wissenschaftliche Dar- stellung und Ausdeutung der F1ief~gefiige und der tektonischen Zerlegung eines Granitmassivs. Aus den bei der Erstarrung des Magmas miteingefrorenen linearen und planaren Daten und den im Anschluf~ entstandenen Kluft- und Gangsystemen sind grund- legende Riickschliif~e m6glich, die den Intrusions- mechanismus und die Fliegdynamik in ihrer Ge- setzm~il~igkeit erkennbar werden lassen. Die bahn- brechenden wissenschaftlichen Untersuchungen yon Hans Cloos sind die musterg/,iltige Grundlage dieses wichtigen Teilgebietes der endogenen Geologie. - (CLoos 1922, 1925, 1936).

2. Die archimedische Kraft

Die Erde befindet sich seit dem Archaikum in el- hem ann~hernd ausgesaigerten Zustand der Dichte- verteilung: die spezifisch schweren Substanzen un- terlagern die spezifisch Mchten Substanzen in globaler Sicht, wie es in der Untergliederung des Erdballes in Kern, Mantel und Kruste zum Ausdruck kommt.

Die archimedische Kraft iiberwacht diesen status quo seit eh und jeh. Interne Abweichungen werden bereits im Entstehen durch kompensierende Mas- senverlagerungen ausgeglichen. Mit anderen Wor- ten, die archimedische Kraft ist auf Erhaltung der geologischen Stabilitiit ausgerichtet und ist damit eine streng konservative Kraft im turbulenten geologischen Geschehen. Die archimedische Kraft ist also keinesfalls die wirkliche Ursache geologischer Revo- lutionen, wie Orogenesen, Taphrogenesen oder magmatischer Aktivit~iten.

Die Tatsache, daf~ archimedische Kr~ifte seit An- beginn der geologisch belegten Zeit immer und immer wieder magmatisches Geschehen gelenkt und ausgeglichen haben, bedeutet, daf~ es eine geologisch destabilisierende Gegenkraft zur archimedischen Kraft schon immer gegeben haben muff, und dat~ diese Gegenkraft noch heute mit offenkundiger In- tensit~t am Werke ist. Diese Gegenkraft muf~ iiber- wiegend thermischer Natur sein, da die begleitenden magmatischen Prozesse ihren Ausgang von anoma- len Temperaturimpulsen nehmen.

Ausdieser Sicht ergibt sich eine urewige Konfron- tation zwischen der destabilisierenden thermischen Kraft und der auf Erhaltung der Stabilit~it zielenden archimedischen Kraft, wobei die Gesamtheit aller in plutonischer Tiefe entstehenden Dichtekontraste durch st~ndige Neusaigerungen wieder ausgeglichen wird. Dai~ dieser Gegensatz nach 4 Milliarden Jahren noch immer nicht zur Ruhe gekommen ist, bedeutet, daf~ die Erde thermisch kein harmonisches GMch- gewicht findet.

3. Der station~ire Magmatismus

Magma bildet sich in der Tiefe der Erdkruste oder des Erdmantels als Folge thermischer Impulse. So- fern das Magma spezifisch leichter ist als sein Neben- und Dachgestein, so steigt es archimedisch angetrie- ben empor. Dieser Aufstieg geht solange vor sich, wie archimedische Ungleichgewichte bestehen, oder bis die innere thermische Energie des Magmas aufge- braucht ist.

Je nach lokaler Dichteverteilung im Nebengestein und im Magma selber ergeben sich unterschiedliche Aufstiegsbedingungen. Der Grenzfall einer nut mi- nimalen Wan&rung ergibt sich, wenn die spezifische Dichte des Magmas nut wenig unter der des Neben- gesteins liegt. Soich weitgehend station~rer Magma- tismus finder sich vor allem bei spezifisch schweren Magmen, wie etwa gabbroiden Typen.

Der station~ire Magmatismus bildet in seinem internen Flieggefiige die gravitative Differentiation ab, ohne daf~ dabei echt-intrusive Aufstiegsgef~ige eine

Der Magmenaufstieg in rotierenden Systemen 527

Rolle spielen. Damit sind hier der granittektonischen Methode Grenzen der Anwendbarkeit gesetzt.

4. Der mobile Magmatismus

Werden im Magmaherd spezifisch leichte Teil- magmen abgesondert, die eine geringere Dichte als das Nebengestein aufweisen und einen hohen Ener- gievorrat haben, so kommt ein intrusiver, mobiler Magmatismus ingang. Dieser mobile Magmatismus ist jedoch volumen- und massenm~iffig nur ein rand- liches Ph~inomen des gesamten Herdmagmatismus. Mit anderen Worten, aufsteigende Magmen entlee- ren den urspriinglichen Magmenherd nicht, sondern sind weiter nichts als untergeordnete Abspaltungen spezifisch leichter Fraktionen. Es versteht sich, dat~ dutch die Abspaltung eines spezifisch leichteren Teilmagmas das Restmagma eine erh6hte spezifische Dichte erh~ilt und dadurch mehr und mehr zum station~iren Magmatismus tendieren wird.

Der entscheidende Dichtekontrast zwischen einem aufsteigenden Teilmagma und dem Nebenge- stein ist keine Konstante, sondern variiert im Laufe des Aufstieges. Was das mobile Magma anbetrifft, so wird seine spezifische Dichte durch teilweise oder v611ige Erstarrung h6her werden, sofern keine Frak- tionierungsprozesse einsetzen, und damit wird der archimedische Aufstieg nachlassen. Andrerseits variiert die spezifische Dichte des Nebengesteines in der Art, daft ganz allgemein die Dichte yon der Tiefe zur Erdoberfl~iche hin st~indig abnimmt, und somit ein aufdringendes Magma in spezifisch immer leichtere Nebengesteine gelangt, und auch auf diese Weise geht ein Teil der archimedischen Auftriebskraft ver- loren. Beide Faktoren sind also in gleicher Weise am Werk, den Auftrieb des Magmas zu verringern. Ganz allgemein ist zu erwarten, daf~ jedes aufsteigende Magma nut soweit vordringt, wie ein Dichte- kontrast zwischen Innen und Augen besteht.

Schluflfolgernd l~if~t sich konstatieren:

1. je spezifisch leichter ein Magma, je gr6t~er der Auftrieb und je h6her der Aufstieg. Je spezifisch schwerer ein Magma, je geringer der Auf- trieb und je kleiner der Aufstieg.

2. je spezifisch schwerer das Nebengestein, je gr6t~er der Auftrieb und je h6her der Aufstieg. -Je spezifisch leichter das Nebengestein, je geringer der Auftrieb und je kleiner der Aufstieg.

Maximaler Auftrieb eines Magmas wird also dann herrschen, wenn ein spezifisch leichtes Magma, etwa alaskitischen oder carbonatitischen Charakters, in einem spezifisch schweren Nebengestein, etwa el-

nero Dunit oder Eklogit, auftritt. - Umgekehrt ist der Auftrieb minimal, wenn ein spezifisch schweres Magma, etwa von gabbroidem Chemismus, in einem spezifisch leichten Rahmengestein, etwa einem sau- ten Vulkanit mit hohem Porenvolumen, vorliegt.

Im Grunde ist also jeder mobile Magmatismus ein archimedischer Ausgleichsprozet~, bei dem die Dich- tekontraste wichtiger sind, als die absolute Dichte des einen oder anderen Mediums. Mit anderen Wor- ten, dem magmatischen Aufstieg liegt eine Relativit~it zugrunde.

4.1 D ie m a g m a t i s c h e E i n o r d n u n g

Das Magma im Magmaherd bahnt sich bei genii- gender archimedischer und thermischer Energie einen Weg nach oben. Der Aufstiegsweg wird dabei der Weg des geringsten Widerstandes sein, d. h. des geringsten Energieverbrauches. Als Ansatzpunkt wird diejenige Stelle im Dach des Magmaherdes die- nen, wo der Schmelzpunkt des Dachgesteins am niedrigsten und die Temperatur des Magmas am h6chsten ist. Sobald hier der Aufstieg ingang gekommen ist, wird durch allseitiges Nachfliet~en fri- schen Magmas dem Prozef~ neue Energie zugefiihrt (Boss A. P. et al. 1985, OLSON, I). 1985). Die Platz- nahme dutch das thermisch aufwendige Schmelzen wird durch das weniger aufwendige Zerblocken und Umschliegen von Mini- und Megafragmenten des Daches ergiinzt (stoping). Das Endstadium des Auf- stieges wird erreicht, wenn einer der drei Zust~nde eintritt:

1. Erreichen der Erdoberfl~che, oder 2. archimedisches Gleichgewicht yon Magma und

Nebengestein, oder 3. Ersch6pfung des thermischen Uberschusses.

Das aufsteigende Magma kann zwei grundver- schiedene geotektonische Rahmenbedingungen vor- finden. Beim anorogenen Magmatismus steht das Dach- und Nebengestein unter keiner tektonischer Beanspruchung (stress) und ist daher durch starre Passivit~it gekennzeichnet. Beim orogenen Magma- tismus hingegen dringt das Magma in Rahmenge- steine auf, die zu diesem Zeitpunkt tektonisch deformiert werden, so dab Magma und Nebengestein sich aktiv aneinander anpassen miissen und gemein- sam der allgemeinen Verformung nachgeben. Der magmatische Flieflvorgang und das sich abbildende inhere Gefiige sind beim anorogenen Magmatismus einfach und iibersichtlich, w~ihrend die Verh~iltnisse beim orogenen FlieBvorgang erheblich schwieriger darzustellen sind.

528 A. GIESECKE

4.2 D e r t e k t o n i s c h v o r b e r e i t e t e M a g m a t i s m u s

Magma steigt passiv empor ohne Schmelzarbeit leisten zu miissen, sobald tektonische Prozesse einen Weg nach oben freimachen, und sofern archimedischer Auftrieb vorhanden ist. Solch direkter, oftener Aufstiegsweg wird dem Magma vor allem beim Auf- reitgen von tektonischen Gr~iben in der ozeanischen als auch in der kontinentalen Kruste angeboten. Abet auch das passive Emporsteigen untersteht den Gesetzen des Archimedes und wird beim Erreichen eines Dichtegleichgewichtes zwischen Magma und Nebengestein zum Stillstand kommen.

Fiir die spezifisch schweren, weitgehend immobi- fen Magmen der Tiefe, ist das tektonische Offnungs- angebot eine wichtige M6glichkeit, magmatisch aktiv zu werden und gegebenenfalls bis an die Erdober- fl~iche aufzusteigen, wobei der interne Gasgehalt und das retrograde Sieden mitwirken.

4.3 D e r e x p l o s i v e M a g m a t i s m u s

Neben den geologisch so weitverbreiteten Auf- stiegsarten des aktiven Emporschmelzens und des passiven Emporsteigens gibt es eine dritte, weniger hiiufige M6glichkeit, - niimlich das explosive Auf- steigen. Auch in diesem Forschungsgebiet hat Hans Cloos wegweisende Erkenntnisse erzielt (CLoss 1941).

Wenn im Magmaherd der interne Gasdruck den physikalischen Zusammenhalt des Dachgesteins iiberwindet, kommt es zu einem elastischen Nach- geben. Dieser Vorgang ist ein gewaltsamer, iiberwie- gend physikalischer Prozefg ohne thermisch aufwendige Schmelzarbeit. Ein gasreiches Magma oder Gasvolumen bahnt sich den Weg durch das Neben- gestein nach oben. Im allgemeinen diirfte es sich hierbei urn blasenartige Aufstiegsk6rper handeln (blob), nach deren Durchgang sich das Nebengestein wieder schliefgt. Dabei wird der Aufstiegsweg wahr- scheinlich rasch verwischt oder zu einem Phantom- kanal werden. Erst bei Erreichen der Erdoberfl~iche diirften zus~itzliche Brekzienbildungen entstehen und unauswischbare Merkmale des Aufstiegsweges hinterlassen.

Wenn auch der explosive Magmatismus nur eine geringe Materieforderung darstellt, so geh6rt dieses geologische Ph~inomen dennoch in die magmatische Erscheinungswelt und unterliegt damit ebenso dem archimedischen Gesetz. Die minimaIe Dichte des gasreichen Magmas oder des Gasvolumens sind dabei sogar durch einen besonders starken Auftrieb charakterisiert, und der Aufstieg geht relativ rasch und unter geringer Energieabgabe vonstatten.

4 . 4 0 b e r b l i c k

Die drei verschiedenen Arten des Magmenaufstie- ges sind nun keine streng getrennten Prozesse, sondern k6nnen ineinander iibergehen. Bei allen drei Varianten wird nur ein volumenm~l~ig geringer An- tell des Magmaherdes zur F6rderung gelangen, w~ihrend der allergr6f~te Tell des Magmas im Herd ver- bleibt.

Der bisherige Oberblick magmatischer Prozef~ er- schien notwendig, um die Tragweite der neuen geologischen Einsichten ermessen zu k6nnen, bei denen Herdtiefen nicht mehr wie bisher mit etwa maximal 30 km postuliert werden, oder 150 km bei Kimberli- ten, oder sogar 300 km bei Benioff-bezogenem Magmatism, sondern jetzt bis 2.900 km herabrei- chen. Es handelt sich dabei um eine Ausdeutung des seismischen D"-layers als geologisch aktive Zone, der die markanteste Dichte- und Tempera- turunstetigkeit des Erdinnern zueigen ist. (YFEN & PELTIER 1980, STACEu & LOPER 1983, BOSS & SACKS 1985).

Diese enorme Zunahme des Aufstiegweges um einen Faktor yon 10 bis 100 bringt physikalische Aspekte ins Bild, die bisher vernachl~if~igt werden durften. So wird es nunmehr u. a. notwendig werden, den Einfluf~ der Westabweichung und der Co- rioliskraft auf das irdische magmatische Geschehen einzubeziehen.

4.5 D e r m a g m a t i s c h e S t r e u k e g e l

Rein theoretisch werden sich diskrete Volumina einer spezifisch leichten Substanz innerhalb eines spezifisch schweren Mediums bei v611iger Bewe- gungsfreiheit genau senkrecht nach oben liings der Feldlinien des Schwerefeldes bewegen.

Dieser ideale Zustand besteht allerdings nicht beim magmatischen Aufstieg, da lokale St6rungen des Schwerefeldes und aktive Mobilit~it des Me- diums, z. B. Konvektionsstr6mungen, den Vorgang modifizieren. Als Resultat werden die Aufstiegs- wege um eine zentrale Achse streuen und auf diese Art einen Streukegel erzeugen, der alle Aufstiegsva- rianten beinhaltet.

Ein magmatischer Streukegel kann als geometri- sches Dreieck behandelt werden (Fig. 1). Die drei Parameter sind:

1. Der Offnungswinkel 2. Der Radius des Streufeldes an der Erdober-

fl~iche 3. Die Herdtiefe Nach den Gesetzen der Geometrie l~iigt sich aus

zwei bekannten Parametern die dritte unbekannte Gr6t~e bestimmen. Bei einem magmatischen Streu-


Herd

R - R a d i u s T - T ie fe

2 cx - 0 f f n u n g s w i n k e l

Abb. l. Geometrische Parameter eines Streukegels: - Ra- dius, T - Tiefe, 2 a - Offnungswinkel

kegel ist jedoch im allgemeinen nut ein Parameter erfal~bar, - die Gr61~e des Streufeldes (Radius). Die beiden anderen Parameter sind nur grob oder gar nicht absch~itzbar. So scheidet beim gegenw~irtigen Stand geologischer Erfahrungen eine streng mathe- matische Behandlung aus. Doch sind in erster An- n~iherung bereits einige Gesetzm~igigkeiten erfal~bar, da der Offnungswinkel invers proportional zum lokal herrschenden Auftrieb sein mut~, mit anderen Worten, zur bestehenden Dichtedifferenz. Daraus ergibt sich: bei sehr starkem Auftrieb werden die St6rkr~ifte einen relativ geringeren Anteil an der Ausgestaltung des Aufstiegweges haben, als bei schwachem Auftrieb. Somit wird der Streukegel eng ausfallen, und das Streufeld wird klein sein. Andererseits nimmt bei schwachem Auftreib der Einflut~ der St6rkr~ifte relativ zu. Es wird sich daher

Herd

A - A ffir hohen Auftrieb spez. leichter Magmen B - B fQrgeringen Auftrieb spez.schwerer Magmen

Abb. 2. Streukegel. A - A fiir hohen Auftrieb spez. leichter Magmen, B - B fiir geringen Auftrieb spez. schwerer Mag- m e n

ein breiter Streukegel ergeben, und das Streufeld wird grofl ausfallen (Fig. 2). Gleichzeitig deutet nun ein kleines Streufeld auf eine geringe Herdfiefe hin, und ein grof~es Streufeld auf einen tiefen Herd.

Diese ersten Ans~itze zu einer L6sung verdeutli- chen, daf~ derzeit noch keine Eindeutigkeit in der Aussage erreichbar ist. Dieser Zustand k6nnte sich jedoch in naher Zukunft vorteilhaft ver~indern, denn der Offnungswinkel des magmatischen Streukegels ist einer experimentellen Behandlung zug~inglich. Sobald verl~ii~liche empirische Daten verfiigbar werden, k6nnte die geometrische Methode realistische Beitr~ige zur Kennmis des irdischen Magmatismus beisteuern.

4.6 D i e S o r t i e r u n g n a c h d e r Gr6 f~e

Der magmatische Aufstieg erfordert einen thermischen Energievorrat des Magmas. Ein unzureichen- der Vorrat bedeutet, dag das Magma vorzeitig zum Stillstand kommt. Ein ausreichender Vorrat erm6g- licht dem Magma einen Aufstieg bis an die Erdober- fl~iche.

Da nun der thermische Energievorrat pro Ober- fl~icheneinheit bei einem gr6i~eren Magmenk6rper gr6ger ist, als bei einem kleinen, haben gr6gere Magmenk6rper einen energetischen Vorteil und somit eine bessere Aufstiegschance. Aus diesem Grunde besteht ein magmatischer Streukegel aus diversen, der Gr6f~e nach sortierten Magmenk6rpern (Fig. 3). Es versteht sich, dag dieses Bild eine erhebli- che Vereinfachung der mannigfaltigen Erschei- nungswelt der plutonischen Tiefe ist.

Herd Abb. 3. Streukegel mit Gr6f~ensortierung.

4.7 D i e W e s t a b w e i c h u n g u n d d ie C o r i o l i s k r a f t

In einer nicht-rotierenden Erdkugel w~ire jeder magmatische Aufstieg ein einfacher, rein vektorieller Vorgang. Unter solchen Idealbedingungen wiirde ein Intrusivk6rper, oder auch ein Streukeget, in ra- dialer Symmetrie abgebildet werden.

530 A. GIESECKE

In einer rotierenden Erdkugel kompliziert sich die Kinematik und Dynamik des magmatischen Aufstie- ges erheblich. Massenverlagerungen, die im Innern oder auf der Oberfl~iche der Erdkugel nicht-parallel zur Rotationsachse erfolgen, d. h. auf nicht-tauto- zonalen Fl~ichen ablaufen, rufen rotative Neben- kr~ifte hervor, die den einfachen archimedischen Aufstieg beeinflussen und vom Lot ablenken. Die physikalische Ursache liegt daran, daf~ jedes aufsteigende Teitvolumen seinen bestehenden Drehimpuls beibehalten soltte.

Der kinematisch einfachste Fall einer rotativ verursachten Ablenkung eines aufsteigenden Magmen- kSrpers tritt am Kquator auf. Dort ist die ablenkende Nebenkraft ein genau nach Westen gerichteter Vek- tot. Diese lateral wirkende Kraft l~if~t sich zusammen mit der archimedischen, vertikal wirkenden Kraft als ein Kr~ifteparaIlelogramm darstellen. Im Endeffekt wird der Aufstiegsweg nach Westen umgebogen. Je gr6f~er die Herdtiefe, um so starker wird diese Westabweichung an der Erdoberfl~che in Erschei- nung treten. Handelt es sich beim Magmenaufstieg um einen differenzierten, pulsierenden Vorgang, so werden alle Aufstiegswege in gleicher Weise nach Westen umgebogen. Mit anderen Worten, der magmatische Streugkegel wird eine nach Westen umge- bogene Form vorweisen (Fig. 4).

Die Westabweichung erreicht am _Kquator ihren maximalen Wert. In Abh~ingigkeit yon der geographischen Breite nimmt sie zu den Polen hin ab (Fig. 5).

Neben der Westabweichung treten abet auch an- dere rotativ bedingte Effekte hinzu. Die eigentliche Corioliskraft ist streng genommen auf Massenverla- gerungen auf der Erdoberfl~iche beschr~inkt, sofern eine Nord-Si~d gerichtete Komponente vorliegt. Analoge Fliet~bewegungen im magmatischen Bereich plutonischer Tiefe, wie etwa grot~r~umige Konvek- tionsstr6mungen, miissen entsprechende Coriolis-

W E

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Herd

Abb. 4. Streukegel und West-Abweichung.

N

S

Abb. 5. West-Abweichung eines aufsteigenden Magmas.

kr~ifte induzieren und Abweichungen in der Flief~- richtung hinnehmen.

4.8 D i e r o t a t i v e n N e b e n k r ~ i f t e u n d d i e e x t e r n e S y m m e t r i e

Die rotativen Nebenkr~ifte rufen nun nicht nur vertikale und horizontale Umbiegungen des Mag- maweges hervor, sondern greifen auch in die interne und externe Ausgestaltung des magmatischen Fliei~- vorganges ein.

Das Idealbild eines Magmenaufstieges in einer nicht-rotierenden Erdkugel verlangt eine strenge ra- diale und konzentrische Symmetrie und ein entspre- chendes Flief~gefiige. Dabei w~ire die ~iuf~ere Form des Magmak6rpers kreisrund.

In einer rotierenden Erdkugel wird dieses Ideal- bild durch den Ansatz der rotativ bedingten Neben- kr~ifte deformiert. So wird aus einem kreisrunden Magmenk6rper ein elliptischer werden. FOr den ein- fachsten Fall eines Aufstieges am Kquator wiirde dabei die lange Achse der Ellipse in Ost-West-Rich- tung zu liegen kommen. Die gleiche Verallgemeine- rung gilt fiir den magmatischen Streukegel und seine als petrographische Provinz zum Ausdruck kom- mende Ob erfl~ichenexpression.

4.9 D i e N e b e n k r ~ i f t e u n d d ie i n t e r n e A s y m m e t r i e

Die Nebenkr~ifte beteiligen sich nicht nur an der ~iut~eren Gestaltung des MagmakSrpers, sondern nehmen auch Einfluf~ auf das interne Geschehen.


Dabei unterscheiden sie sich in GrGi~e und Richtung, aber nicht in der Wirkungsweise, vonder gleichzeitig ansetzenden Schwerkraft.

Im aufsteigenden Magma wird bei der stufenwei- sen Erstarrung dutch den senkrecht wirkenden Auf- trieb eine gravitative Differentiation bewirkt. Das Magma fraktioniert, wobei die spezifisch leichten Bestandteile rascher emporsteigen als die spezifisch schweren (Fig. 6 a).

Die lateral wirkenden Nebenkr~ifte erzeugen zu- s~tzliche, wenn auch schw~ichere Differentiationen, wobei statt senkrecht zu trennen, horizontal ge- schieden wird. So wiirde die Westabweichung bewirken, dat~ die spezifisch leichteren Komponenten nach Osten und die spezifisch schweren nach Westen wandern (Fig. 6 b).

In der Natur miissen sich die beiden verschieden gerichteten Trennungsvorg~inge vollkommen iiber- lagern und sind nach der Erstarrung des Magmas nicht getrennt erfat~bar. Ganz allgemein l~it~t sich jedoch aussagen, dat~ das Oben der gravitativen Dif- ferentiation dem Osten der durch die Nebenkr~ifte bewirkten Differentiation entspricht (Fig. 6 c). Ge- m~it~ dieser Vorstellung sollte sich also die doppelt fraktionierte, allerleichteste Fraktion stets im ober- sten und 6stlichsten Teil einer Intrusion, oder auch einer petrographischen Provinz, befinden. Umge- kehrt w~ire die spezifisch schwerste Fraktion im un- teren, westlichsten Teil zu finden. Mit anderen Wor- ten, die rotativ bedingten Nebenkr~ifte verschieben den inneren, engeren Streukegel der spezifisch leichten Magmen in 6stlicher Richtung (Kquatoriale Si- tuation). Die zonale Anordnung spezifisch schwerer und spezifisch leichter Magmen wird elliptisiert und asymmetrisch.

Durch den verschieden raschen Aufstieg der leichten und schweren Magmenfraktionen ergibt sich in-

W E

6 a + 6 b = 6 c

L - l e i ch te F rak t i on S - s c h w e r e F rak t i on

Abb. 6. Gravitative (6a) und Coriolis (Gb) Differentiation. L - leichte Fraktion, S - schwere Fraktion.

nerhalb einer Magmenprovinz eine zus~itzliche zeit- liche Gliederung, wobei die rasch aufsteigenden, spezifisch leichten Magmen zuerst am Ziel ankom- men im 6stlichen Teilgebiet, w~ihrend die langsame- ren, spezifisch schweren Fraktionen sp~iter im west- lichen Teil der Provinz eintreffen.

Unter rein archimedischen Bedingungen sind die gravitativ entstandenen Pseudoschichtungen horizontal. Durch die zus~itzliche Mitwirkung der rotativ bedingten Nebenkr~ifte wird sich eine Abwei- chung yon der Horizontalen ergeben mtissen, um dem bestehenden Kriifteparallelogramm gerecht zu werden (Fig. 6 c). Am _Kquator sollte diese Abwei- chung ein generalles 6stliches Einfallen der Pseudo- schichtung bewirken.

4.10 D i e C o r i o l i s k r a f t

Aufsteigende Magmen innerhalb einer rotierenden Erdkugel werden nicht nut nach Westen abweichen, sondern auch vonder Corioliskraft s.s. beeinfluf~t, wobei ein rotativer Effekt in Abh~ingigkeit vonder geographischen Breite und vonder Nord-Siid gerichteten Bewegungskomponente zustande kommt. Die Analogie zu den Zyklonen im atmosph~irischen Bereich ist eine vollkommene. Die Drehbewegung eines Zyklones oder Antizyklones ist hemisph~risch charakterisiert: auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn, und auf der Stidhalbkugel im Uhr- zeigersinn (Fig. 7). Im magmatischen Geschehen sind zyklonische Drehbewegungen zu erwarten, die ihr eigenes rotatives Flief~gefiige hervorbringen. Aus der 13berlagerung der Internrotation mit der Westabweichung und dem archimedischen Aufstieg resultieren Fliet~vektoren, denen ein schraubenfGr- miges, spiralartiges Bild zu eigen ist.

Alle geologischen Modellvorstellungen des Erd- inneren, wie etwa KonvektionsstrGmungen innerhalb des Erdmantels, oder etwa Plumes, oder etwa Magmenaufstieg in kontinentalen oder ozeanischen Riftzonen, miissen die Westabweichung und Corio- liskraft i.e.S, miteinbeziehen, wodurch sich das simple Biid erheblich komplizieren wird.

4.11 D as K r e i s e l p h ~ i n o m e n

Jede interne Rotation eines aufsteigenden Magma- volumens kann vereinfacht als simple Kreiselbewe- gung verstanden werden. Damit erGffnet sich die MGglichkeit, die physikalischen Gesetze der Krei- selkr~ifte in die Diskussion magmatischer Vorg~inge hineinzubringen.

Auf oder innerhalb einer nicht-rotierenden Erd- kugel wtirde ein sich frei drehender Kreisel seine Drehachse und seinen Drehimpuls ohne jede ~iuf~ere

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Abb. 7. Zyklonische Internrotation beim Aufstieg.

Einfluf~nahme in v611iger Peffektion erhalten k6n- hen. Mit anderen Worten, solch Kreisel wiirde keine Pr~izession ausfiihren und bliebe am Ort.

Auf oder innerhalb einer rotierenden Erdkugel hingegen werden rotativ bedingte Nebenkr~ifte (Co- rioliskr~ifte i.w.S.) direkten Einflug auf den Kreisel nehmen und die stabile Situation st6ren. So wiirde am Kquator solche Kreisel innerhalb eines aufsteigenden Mediums durch die Kr~ifte der Westabwei- chung beeinflufk und wi.irde auf Kreiselart mit einer ausweichenden Drehung reagieren. Dieses Auswei- chen w/irde senkrecht zur Westabweichung und senkrecht zur Drehachse erfolgen, mit anderen Wor- ten eine Nord-Siid gerichtete Tendenz haben (Fig. 8). Dadurch warden nicht nut Pr~izessionsbewegun- gen ins Spiel kommen, sondern der Kreisel wiirde sich aul%rdem vom urspriinglichen Standort fortzu- bewegen versuchen.

Die Kr~ifte der Westabweichung und die Coriolis- kr~ifte wiirden in mittleren geographischen Breiten ein sehr viel mannigfacheres Bild erzeugen, das sich aus den diversen Einzeleffekten der Kreiselreaktio- nen zusammensetzt. In erster Ann~iherung l~itgt sich die globale Situation als eine Anzahl lokal wirksa- mer, unterschiedlicher Kriifteparallelogramme ver- stehen (Fig. 8).

4.2 D i s k u s s i o n u n d F o l g e r u n g

Die im Vorhergehenden dargebotene Verflech- tung yon archimedischen und rotativen Kr~iften als mat~gebende Faktoren beim magmatischen Aufsteig bedeutet, dat~ aus vertikalen Massenbewegungen stets laterale Kr~ifte induziert werden. Die archime-

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1. West-Abweichung 2. Nord-S(Jd Ausweichen des Kreisels

Abb. 8. Corioliskr~ifte, 1. West-Abweichung, 2. Nord-Siid Ausweichen des Kreisels.

dische Kraft ist allgegenw~irtig und unabh~ingig von der geographischen Breite. Da sie die weitaus st~irk- ste Kraftkomponente im magmatischen Bereich darstellt, ist sie fiir die inhere und ~iuflere Gestaltung eines Magmenk6rpers von entscheidender Bedeutung. Bisher stand sie bei allen B etrachtungen der Kinema- tik und Dynamik im ausschlie!~lichen Vordergrund. Da sich nun die archimedische Kraft kaum vom _~quator zu den Polen hin veriindert, hatten alle Er- kennmise magmatischer Gesetzm~iffigkeiten globale Bedeutung und unbegrenzte Anwendbarkeit.

Mit der Einbeziehung yon rotativ bedingten Ne- benkr~iften, die stark yon der geographischen Breite abh~ingen, ist die globale Einheitlichkeit des magmatischen Geschehens infrage gestellt. In Anatogie zu den Zyklonen und Antizyklonen des atmosph~irischen Bereichs miissen sich auch im magmatischen Milieu spezifische Typen ausbilden, die in ihrer Ei- genart vonder jeweiligen Breite, oder Palaeobreite, abMngen. Ein schematischer Versuch, die vektoriel- len Kr~ifte und Effekte global darzustellen (Fig. 9) basiert auf einer Unterteilung der Erdkugel in einen Kquatorgiirtel, zwei Zonen mittlerer Breite und zwei Polarkappen. Jedes Teilgebiet besitzt seine ei- gene vektorielle Besonderheit. Die Eiliptizit~it der ~iufleren Form und die Richtung der langen Achse der Ellipse spielt dabei die gleiche Rolle, wie der Drehsinn des internen Gefiiges. Auch wird die un- gleichartige Verteilung spezifisch leichter und


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~ 50 ~ S

S

L -leichte Magmen S -schwere Magmen

Abb. 9. Globale Azimutation und Fraktionierung als Co- riolis Effekte. L - leichte Magmen. S - schwere Magmen.

schwerer Magmen innerhalb eines Intrusivs, oder el- her Magmaprovinz, als vektorieller Effekt ausdeut- bar sein.

Aus diesen Darlegungen l~ii~t sich ableiten, dat~ die verschiedenen Richtungstendenzen (Azimutatio- nen) magmatischer Prozesse yon autonomer Eigen- art sind und der direkten tektonischen Kontrolle lokaler oder globaler Kdiftefelder entzogen sein m6- gem In der Tat dtirfte z. B. beim anorogenen Mag- matismus sehr oft eine v611ige Unabh~ingigkeit bestehen.

Aus dem Vorhergehenden ergibt sich u. a. die Einsicht, dai~ ein Magmenk6rper, oder auch eine Magmenprovinz, nie genau senkrecht tiber dem ent- sprechenden Magmenherd zu liegen kommt (Kqua- tor und mittlere Breite). Im allgemeinen wird der Herd schr~ig unter seinem Streufeld liegen, und zwar in stid6stlicher, 6stlicher oder nord6stlicher Rich- tung. (Fig. 10, 11, 12). Dieser Umstand muf~ auch ftir die Plumes und Hot Spots zutreffen (WILSON 1963, DI~TZ & HOLD~N 1970, CLAQFZ & JAe,~ARD 1973, OL- SON& SINctt~ 1985, Boss & SACKS 1985). Die physikalischen Bedingungen des magmatischen Aufstieges bei einem Plume sind nicht grundlegend verschieden yon anderen magmatischen Prozessen.

t ~ Initial- \ \\ "~\ / , ~ b .~'eruption

\ ) H e r d

\ / L -spez. leichte Magmen S -spez. schwere Magmen - Coriolis Model-

Abb. 10. Petrographische Provinz auf der Nordhalbkugel. - L - spez. leichte Mamgen. S - spez. schwere Magmen. - Coriolis Model.

t Initial- eruption (L) ',,

H e r d

/ ,

L - spez. leichte Magmen S -spez.schwere Magmen - Coriolis Model-

Abb. 11. Petrographische Provinz am ~-quator. L - spez. leicht Magmen, S - spez. schwere Magmen, - Coriolis Mo- del -.

534 A. GIESECKE

' In i t ia l - eruption

(L) L -spez. leichte Magmen S -spez. schwere Magmen - Corlolis Mode l -

Abb. 12. Petrographische Provinz auf der Sfidhalbkugei. L - spez. leichte Magmen, S - spez. schwere Magmen, - Co- rioiis Model-.

5. Ausblick

Die nach Archimedes und Coriolis benannten Kr~ifte sind in der AtmospMre in ihrer Auswirkung am offenkundigsten. Die Zyklonisation der Luft- massen ist seit langem ein bekanntes Ph~inomen. Die fdbertragung der Gesetze der atmosph~irischen Dy- namik auf die Hydrosph~ire, und schliel~lich auf den liquiden B ereich der ErdkugeI stellen natiirliche und logische Erweiterungen wissenschaftlicher For- schung dar (siehe u. a. PEDLOSKY 1979).

Der magmatische Bereich ist allerdings dadurch charakterisiert, daf~ hier die vertikalen Verlagerun- gen die lateralen B ewegungen welt iibertreffen. Es ist verst~indlich, dat~ bisher dem rein archimedischen Auftrieb eine iibergrof~e, oder sogar alleinige Bedeu- tung, beigemessen wurde. Die Zeit ist nunmehr gekommen, um die Gesetze des Coriolis i.w.S, ins magmatische Geschehen miteinzubeziehen. Fiir die Granittektonik er6ffnet sich dabei ein zus~itzlicher Aspekt, die Zyklinisation. M6glicherweise riickt dabei das Triumvirat, das alle Vorg~inge der plutonischen Tiefe regiert, n~iher zusammen: Archimedes, Coriolis und Cloos.

6. Wiirdigung

Die yon Hans Cloos begr~indete Arbeitsweise der geologischen Auswertung interner und externer Texturen und Strukturen der Magmatite hat unter der Bezeichung ,,Granittektonik,, die Erforschung der Erde lichtvoll erweitert und belebt. Seither sind die Intrusivgesteine einer [iberaus klaren und einfachen Darstellung zug~inglich. Aus dem Granittekto-

nischen Bild haben sich u. a. genaue Vorstellungen der magmatischen Platznahme ableiten lassen. Auf seine kiinstlerische und intuitive Art hat Hans Cloos die komplexen Vorg~inge einer systematischen Ana- lyse erschlossen und von Anfang an ein abgerundetes System geschaffen.

In der Granittektonik von Hans Cloos sind die drei aufeinander senkrecht stehenden Kluftfl~ichen wichtige Kriterien der kinematischen Analyse. Doch gerade hier hat Hans Cloos einen ,,granittektoni- schem< Vorg~nger, den es bereits vor mehr als hun- dert Jahren machwolI zur ,,granitenen Grundfeste unserer Erde,, hinzog. Dieser historische Vorg~inger sprach schon yon ,,Hauptspaltungem, und unter- schied genau wie Hans Cloos drei Kluftfl~ichen: ,~WSinde, Fl6zkliifte und Gangkliifte~. - Wer war dieser Vorg~inger? Nun, niemand anders als Goethe! (GOETHE 1785). Welch olympische Seelen- und plu- tonische Wahlverwandtschaft tut sich hier kund!

Schriftenverzeichnis

B oss, A. P. & SACKS, S. I. (1985): Formation and growth of deep mantle plumes. - Geophys. J. R. astr. Soc., 80.

CLAQUE, D. A. & JARRARD, R. D. (1973): Tertiary pacific plate motion deduced from Hawaiian Emperor chain. - Geol. Soc. Am., 84.

CLOOS, H. (1922): Tektonik und Magma. Untersuchungen zur GeoIogie der Tiefen. - Abh. Preuss. Geol. L. A., N. F. 89.

- (1925): Einfiihrung in die tektonische Behandlung magmatischer Erscheinungen. -Verl. Borntr~iger, Ber- lin.

- (1936): Einf/ihrung in die Geologie. - Ein Lehrbuch der inneren Dynamik. -Verl. Borntr~iger, Berlin.

- (1941): Bau und T~itigkeit von Tuffschloten. - Geol. Rd. 32.

DIETZ, R. S. & HOLDEN, J. S. (1970): Reconstruction of Pangaea, breakup and dispersion of continents, Per- mian to present. - J. Geophys. Res., 75.

GOETHE, J. W. (1785) (1963): Zerkliifmng des Granits. Schriften zur Geoiogie etc. - D.T.V. Gesamtausgabe, 38, S. 16-17. Miinchen.

OLSON, P. & SINGER, H. (1985): Creeping plumse. - J. Fluid. M., 158.

PEDLOSKY, J. (1979): Geophysical fluid dynamics. - Sprin- ger Verh

STACEY, F. D. & LOPER, D. E. (1983): The thermal boun- dary-layer of D" and its role as a plume source. - Phys. Earth. Plan. Int., 33.

WILSON, J. T. (1963): A possible origin of the Hawaiian Is- lands. - Can. J. Phys., 41.

YUEN, D. A. & PELTIER, W. R. (1980): Mantle plumes and the thermal stability of the D" layer. - Geophys. Res. L.,7.

Documents

Der Magmenaufstieg in rotierenden Systemen