Hans-Ulrich Schmincke Vulkanismus · 2018. 10. 5. · Auf die vulkanologi-sche Kartierung und Interpretation unserer Nach-barplaneten mit vielen aufregenden Entdeckun-gen sowie auf

Hans-Ulrich Schmincke

VulkanismusMit 307 Farbabbildungen

4. Auflage

WB 26245-8 Schm Vulk 00 Tit_WB 23628-2 Schm Vulk 00 Tit 07.10.13 09:59 Seite 3

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4., unveränderte Auflage 2013© 2010 by WBG (Wissenschaftliche Buchgesellschaft), DarmstadtUmschlaggestaltung: Peter Lohse, HeppenheimUmschlagabbildung: Ausbruch des Tungurahua im Januar 2010bei Banos City (Ecuador) © picture alliance/dpaLayout, Illustrationen & Prepress: schreiberVIS, Bickenbach

Die Herausgabe des Werkes wurde durch die Vereinsmitgliederder WBG ermöglicht.Gedruckt auf säurefreiem und alterungsbeständigem PapierPrinted in Germany

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ISBN 978-3-534-26245-8

Die Buchhandelsausgabe erscheint beim Primus VerlagUmschlaggestaltung: Jutta Schneider, Frankfurt a. M.Umschlagabbildungen: oben: Lavastrom des Ätna auf Sizilien(2.11.2006) © Martin Rietze (www.mrietze.com); unten: Lavastrom des Ätna auf Sizilien (30.10.2006) © picture-alliance/dpa

ISBN 978-3-86312-367-3

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Elektronisch sind folgende Ausgaben erhältlich:eBook (PDF): 978-3-86312-944-6 (Buchhandel)eBook (epub): 978-3-86312-945-3 (Buchhandel)

Alle Fotos stam men von Hans-Ulrich Schmincke soweit nicht anders vermerkt.


Vorwort 7

1 Einleitung 9

Neptunisten, Vulkanisten, Plutonisten . . . . . . . . 9Kontinentaldrift – Sea Floor Spreading – Plattentektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Die Wurzeln der Vulkane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11Vulkane und Vulkaneruptionen . . . . . . . . . . . . . . . . 12Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 Plattentektonik 15

Das Förderband der Mittelozeanischen Rücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16Dynamische Gliederung der Erde . . . . . . . . . . . . . . 16Die Verteilung der Vulkane auf der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

3 Magma 21

Was ist Magma? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21Einteilung magmatischer Gesteine . . . . . . . . . . . . . 22Schalenaufbau der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23Wo entstehen Magmen?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24Wie entstehen Magmen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Warum steigen Magmen auf? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Magmatische Differentiation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27Magmakammern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29Zonierte Magmakammern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

4 Rheologie, magmatische Gase und Blasenbildung 35

Rheologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Schmelzstruktur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35Viskosität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37Explosive Eruptionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Magmatische Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Gasbudget Kilauea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Blasenbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Auslösung von Vulkaneruptionen . . . . . . . . . . . . . . 48Klassifizierung von Vulkaneruptionen . . . . . . . . 49Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

5 Mittelozeanische Rücken 51

Die Revolution in den Erdwissenschaften. . . . . 51Morphologie und Tektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Pillowlaven und Pillowvulkane . . . . . . . . . . . . . . . . . 55Schichtlaven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Pyroklastische Eruptionen in der Tiefsee? . . . . 58Wie häufig sind submarine Eruptionen? . . . . . . 59Magmakammern unter Mittel ozeanischenRücken und ihre Wurzeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6 Seamounts und Vulkaninseln 63

Seamounts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Vulkaninseln. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67Unterschiede Hawaii – Kanaren . . . . . . . . . . . . . . . . 79Ozeanische Plateaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80Hot Spots und Mantel Plumes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

7 Kontinentale Intraplattenvulkane 87

Riftzonen und Riftschultern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87Schlackenkegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Die quartären Vulkanfelder der Eifel. . . . . . . . . . . 90Der Yellowstone-Plume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94Flutbasalte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

8 Inselbögen und aktive Kontinentränder 101

Subduktionszonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101Vulkangürtel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103Subduktionsmagmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

9 Vulkanbauten und Vulkanbausteine 111

Lavaströme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111Dome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118Tephra und pyroklastische Gesteine . . . . . . . . . . . 121Schlackenkegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122Schlackenkegel Eifel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

5

InhaltKe pah’u nei kahonua – Die Erde knallt.Letzte Worte des Königsvon Vulkanesien, bevordie Insel im August1882 in den Fluten desPazifik versank.


Inhalt6

Stratovulkane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126Schuttlawinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128Calderavulkane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

10 Strombolianische, hawaiianische und plini ani sche Eruptionen 135

Pyroklastische Fragmentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 135Eruptionssäulen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137Strombolianische und hawaiianische Eruptionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Plinianische Eruptionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141Die Eruption des Mt. St. Helens am 18. Mai 1980. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

11 Pyroklastische Ströme, Glutlawinen und Glutwolken 155

Forschungsgeschichte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156Terminologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160Ignimbrite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163Pyroklastische Blockströme und ihre Ablagerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165Surges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169Die Eruption des Laacher-See-Vulkans vor 12 900 Jahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

12 Feuer und Wasser 179

Magma und Wasser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180Explosive Magma-Wasser-Wechselwirkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181Phreatomagmatische Eruptionen . . . . . . . . . . . . . . 183Maare, Tuffringe und Tuffkegel . . . . . . . . . . . . . . . . . 184Initiale phreatomagmatische Phasen . . . . . . . . . . 190Feuer und Eis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

13 Vulkaneruptionen, Vulkangefahren,Vulkankatastrophen 193

Terminologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194Vulkangefahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194Der Explosivitätsindex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

Können Vulkankatastrophen verhindert werden? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200Lehren aus großen Vulkankatastrophen . . . . . . . 213Nevado del Ruiz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213Pinatubo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214Vulkaneruptionen und Medien . . . . . . . . . . . . . . . . 218Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

14 Vulkane und Klima 221

Die wissenschaftliche Revolution. . . . . . . . . . . . . . . 222Gaseinträge in die Atmosphäre . . . . . . . . . . . . . . . . . 223Wie wirken sich die vulkanischen Aerosole in der Stratosphäre aus? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226Welche Vulkaneruptionen belasten die Atmosphäre? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228Back for the future . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229The chicken and the egg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

15 Mensch und Vulkan: Der Nutzen 233

Wärme aus der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233Heißwasserventile und die Bildung vonErzlagerstätten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236Vulkanische Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238Vulkane als Baustoff- und Werkstein-lieferanten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240Vulkanlandschaften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245Epilog . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

16 Physikalische Einheiten und Abkürzungen 247

17 Literaturverzeichnis 249

18 Stichwörterverzeichnis 259


ulkane sind: schön, erhaben, majestätisch,sinnlich, aufregend, mystisch, gefährlich,bedrohlich und lebensspendend – und da -

mit ein fassbarer, hörbarer, riechbarer Ausdruckeiner lebendigen, dynamischen Erde. Für einenWissenschaftler sind sie jedoch noch viel mehr:ein Fenster in große Erdtiefen, die nicht direktzugänglich sind und es nie sein werden. Und fürden Laien sind sie der sichtbare Gegenstand einerNaturwissenschaft, die viele unterschiedliche Dis-ziplinen in sich vereinigt. Deren Aufgabe ist eseinerseits, den sich ständig verändernden, dyna-mischen Zustand unserer Erde an Punktquellenzu messen und zu überwachen, um Vulkan-Magma-Systeme besser zu verstehen und um beianstehender Gefahr rechtzeitig Signale geben zukönnen – damit Katastrophen vermieden werdenkönnen. Andererseits die immensen Wohltatender Vulkane zu erforschen und sie für den Men-schen nutzbar zu machen.

Dieses Buch ist für Menschen geschrieben,die von Vulkanen fasziniert sind und etwas Vor-bildung mitbringen. Ich habe versucht, Fachjar-gon weitgehend zu vermeiden. Leser, die es ge -nauer wissen wollen, finden in den Kapiteln 3, 4, 10 und 11 stärker technisch abgefasste Ab -schnitte. „Vulkanismus“ ist nicht als ausgewoge-nes Lehrbuch – sei es didaktischer angelsächsi-cher oder enzyklopädischer deut scher Prägung –konzipiert, in dem alle Teilgebiete dargestellt wer-den, sondern als ein Einblick in aktuelle For-schungsthemen, deren logische Abfolge ich in derEinleitung begründe. Lehrbücher mit dem An -spruch, alle wesentlichen Aspekte des Fachgebietesabzudecken, gibt es nicht mehr und kann es nichtmehr geben – dazu hat sich die Wissenschaft zusehr spezialisiert.

Die erste Auflage des vorliegenden Bucheserschien 1986 insofern zu einem günstigen Zeit-punkt, als nach der stürmischen oder – um imBild zu bleiben – explosiven Entwicklung der Vul-kanologie in den 1970er- und 1980er-Jahren mitihren rasanten Paradigmenwechseln und metho-disch-analytischen Neuentwicklungen Mitte der1980er-Jahre ein gewisses Plateau erreicht war:mit der Interpretation von Vulkan-Magma-Syste-men im Lichte der Plattentektonik, Glutlawinen,Magma-Wasser-Wechselwirkung, Surges, DebrisAvalanches an Land, Klima, Mondlandung, Mt.St. Helens, Tiefseebohrungen usw. Die erste Aufla-ge blieb also für lange Zeit up to date.

Internationale De -ka den haben auch derVulkanologie neue Im -pulse gegeben. Das In -ter national Geosphere- Bio sphere Program(IGBP) hat zur Intensi-vierung der Forschungüber die Auswirkungengroßer Eruptionen aufKlima und Ozonschichtbeigetragen. In derInternational Decade forNatural Disaster Reduction (IDNDR) stand auchdie Frage im Vordergrund, wie wissenschaftlicheEr gebnisse in effektive Handlungsstrategienumgesetzt werden können – z.B. bei drohendengroßen Vulkaneruptionen. Die theoretische undexperimentelle Vulkanologie, die geochemischeAnalytik und die Altersdatierungsmethoden so wiedie In terpretation geochemischer Daten sind wei-terentwickelt worden. Über den submarinen Vul-kanismus und die Tiefenwurzeln der Vulkane(Manteltomographie) wissen wir heute erheblichmehr als noch vor 15 Jahren. Auf die vulkanologi-sche Kartierung und Interpretation unserer Nach-barplaneten mit vielen aufregenden Entdeckun-gen sowie auf weitere Themen kann ich hier ausPlatzgründen leider nicht eingehen. Jede große,gut untersuchte Vulkaneruption bedeutet jedocheinen Sprung in unserem Verständnis von vulka-nischen Vorgängen. Was für die 1980er-Jahre dieEruption des Mt. St. Helens (1980) war, ist für die1990er-Jahre die des Pinatubo (Juni 1991) und –was die Naturgefahren betrifft – auch die des Vul-kans Unzen in Japan. Aus der Katastrophe vonArmero in Kolumbien, wo am 13. November 1985bei der relativ kleinen Eruption des Vulkans Neva-do del Ruiz 23 000 Menschen umkamen, habenwir Wissenschaftler gelernt, unsere Informations-strategie realistischer zu gestalten: Wir haben eineffektives Video produziert, in dem Vulkangefah-ren drastisch geschildert werden. Durch die Ver-teilung vieler Kopien dieses Videos in den Dörfernrings um den Pinatubo im Mai 1991 ließen sichetwa 10 000 Menschen willig evakuieren, derenVerbleib in ihren Siedlungen am 15. 6. 1991 ihrenTod hätte bedeuten können.

Diesen Entwicklungen hat die umfangreiche-re zweite Auflage des Buches (2000) mit aus -schließlich farbigen Abbildungen, praktisch ein

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Vorwort

V „The object of the following Essay is to throwsome light on those phenomena which consist inthe development of subterranean activity in theform of Volcanos and Earthquakes, the investiga-tion of which appears to me of primary impor-tance to the progress of Geological science.“(George Poulett Scrope: „Considerations on Volcanos, theprobable causes of their phenomena, their laws whichdetermine their march, the disposition of their products,and their connexion with the present state and pasthistory of the Globe“. London, 1825)


neues Buch, Rechnung getragen – sie ist aber seitJahren vergriffen. Die englische Ausgabe (Volca-nism, Springer 2004) sowie die gerade erschienenejapanische Ausgabe sind umfangreicher und fach-lich stärker spezialisiert, so dass sie in vielen Län-dern als Lehrbuch für einen Grundkurs in Vulka-nologie verwendet werden.

Die vorliegende dritte Auflage bietet nach wievor eine breite Übersicht der wichtigsten The-menbereiche der modernen Vulkanologie. DieEinleitung (Kapitel 1) habe ich neu geschrieben,vor allem um den Systemcharakter der Vulkano-logie und ihren Bezug zu vielfältigen Zukunfts -problemen hervorzuheben. Auch wurden einigeFotos und Grafiken ausgetauscht. Die Wissen-schaft hat sich natürlich seit dem Jahr 2000 aufvielen Gebieten weiterentwickelt, wie z.B. in dertheoretischen und experimentellen Vulkanologieoder in der Fernerkundung mittels Satelliten –aber die we sent lichen Aspekte sind unverändertgeblieben.

Viele erdwissenschaftliche Teildisziplinen be -fassen sich mit Vulkanen. Eine vom Umfang hernatürlich nur begrenzt mögliche Darstellung wirddaher in ganz besonderem Maße die Interessenihres Verfassers widerspiegeln. In diesem Buchwerde ich, meiner eigenen Forschungsrichtungentsprechend, vorwiegend geologische und petro-logische Aspekte diskutieren und dabei vielfachauf die eigenen Erfahrungen und Forschungser-gebnisse meiner früheren und jetzigen Mitarbeiterund Kollegen zurückgreifen. Die jungen Vulkan-felder der Eifel und die vulkanischen Ozeaninselnder Kanaren sind seit über 40 Jahren regionale

Schwerpunkte unserer Arbeiten, die wir ohne fi -nanzielle Unterstützung nicht hätten durchführenkönnen. Daher geht auch an dieser Stelle meinDank in erster Linie an die Deutsche Forschungs-gemeinschaft und, was die großzügige Förderungausländischer Gäste betrifft, an die Alexander vonHumboldt-Stiftung sowie an die Studienstiftungdes deutschen Volkes für die Förderung durchDoktorandenstipendien.

Die unumgängliche Übernahme internationalgebräuchlicher, ausschließlich englischer Fachaus-drücke wie Seafloor Spreading, Mantle Plume, HotSpot und Surge braucht man heute nicht mehrapologetisch zu diskutieren. Zwei weitere wurdenschon in der ersten Auflage entsprechend verein-facht: Geotherm wurde anstatt des um ständ lichengeothermischen Gradienten und Volatile (volatiles)anstelle der „flüchtigen Be standteile“ verwendet.Andere Begriffe wie debris avalanche und debrisflow sind dabei, übernommen zu werden, jedochverwende ich hier noch die deutschen BegriffeSchuttlawine und Schutt strom. In einigen Fällen, indenen die englischen Begriffe zwar klarer sind,aber noch nicht von einer breiteren Allgemeinheitverwendet werden, setze ich sie in Klammern.

Bei der Gestaltung von Diagrammen hat mirvor allem Mari Sumita geholfen. Herr Schreiberhat auch das Layout der dritten Auflage ge wohntsouverän durchgeführt – ihm und Herrn Asche-meier, der bei der WBG die dritte Auflage betreuthat, gilt mein herzlicher Dank.

Ich würde mich freuen, wenn sich das Interes-se des einen Lesers oder der anderen Leserin auchin kritischen Hinweisen äußern würde.

Hans-Ulrich SchminckeLisch, im Mai 2010

Vorwort8


9

der Erdoberfläche lösenden Gase ab. Häufig wer-den sie auch von äußeren Einwirkungen und Fak-toren – dem externen Forcing – wie z.B. von derWechselwirkung aufsteigender Magmen mitGrundwasser oder vonErschütterungen durchgroße Erdbeben aus-gelöst. Dies sind Kau-salketten, die in denKapiteln 2 bis 8 sowiein Kapitel 12 ausführli-cher diskutiert werden.

Vulkan und Mensch:Eine ambivalenteBeziehung durch die JahrtausendeAlle drei Seiten des Systems Magma – Vulkan –Mensch gehören untrennbar zusammen – ausdem einfachen Grund, weil es keine andere Natur-erscheinung gibt, die in so vielfältiger Weise mitder Entwicklung der menschlichen Gesellschaft,ihren Grundbedürfnissen, ihren Ängsten und ih-

Das System Magma – Vulkan – MenschNach der Verteidigung meiner Dissertation Ende1964 hatte ich das Gefühl, einen Beitrag zumNachweis von riesigen Vulkanausbrüchen geleistetzu haben, bei denen im Nordwesten der USAGebiete von über 20 000 km3 (etwa der Fläche vonganz Nordrhein-Westfalen entsprechend) von ge-waltigen Lavamassen überflutet wurden – im Zeit-raum zwischen etwa 14 und 17 Millionen Jahrenimmer wieder und jeweils innerhalb wenigerWochen. Im entbehrlichen Slang des heutigenMedienhype handelte es sich um Supervulkane.Grundlagenwissenschaft, auf Englisch knapperund weniger hochtrabend basic science.

In den vergangenen 30 Jahren hat sich dieMotivation meiner Doktoranden wesentlich er-weitert. Neben die Neugier – nach wie vor Grund-voraussetzung für eine jahrelange Konzentrationauf ein enges wissenschaftliches Problem – ist eindiffuses, aber ernsthaftes Bestreben getreten, inihrer Dissertation auch einen Beitrag zur Gesell-schaft und Umwelt im weitesten Sinne leisten zuwollen. Denn Vulkane haben einen direktenBezug zu großen Zukunftsfragen unserer Zeit:erneuerbare Energien (Geothermik), Klimabeein-flussung durch in die Stratosphäre aufgestiegeneSO2-Gase, fruchtbare Böden, Gefahren für Mega-städte in unmittelbarer Umgebung von aktivenVulkanen – oder für ganz Mitteleuropa wie beider Eruption des Eyjafjallajökull (s.u.) – sowiezur Neige gehende Erzlagerstätten vulkanischenUrsprungs. Der Elfenbeinturm hat Durchzug be-kommen.

Die Beziehungen und Abhängigkeiten zwi-schen Vulkanen und dem Menschen kann mananschaulich an drei Themenbereichen verdeut-lichen (Abb. 1.1). Die inneren Kräfte – das inter-ne Forcing – in dem System Magma – Vulkan –Mensch umfassen alle planetarischen Aspekteeinschließlich der Entstehung der meisten Mag-men im Erdmantel. Magmen entstehen dadurch,dass der kristalline Erdmantel in langsamer Bewe-gung ist, er konvektiert. Nur ein kleiner Teil derMagmen schafft es, je bis zur Erdoberfläche vor-zudringen. Vulkane sind sozusagen Unfälle aufdem holprigen und meist erfolglosen Weg derGesteinsschmelzen ans Tageslicht. Vulkane sind,wenn sie denn mal entstehen, überdies äußerstlabile Gebilde. Ob, wann und wie sie ausbrechen,hängt nicht nur vom Druck des aufsteigendenMagmas oder der sich aus den Schmelzen nahe

Einleitung

Eruption

System Magma – Vulkan – Mensch

Inte

rnes

Forci

ng

Externes Forcing

Mensch

Plattentektonik

Magmaentstehung

Mantel Konvektion

Planet Erde

Sonnensystem

Lithosphäre

Hydrosphäre

Kryosphäre

Atmosphäre

Biosphäre

Gefahren und RisikenVorhersage und KatastrophenvorsorgeLandplanung

NutzenBöden, Erzlagerstättengeothermische EnergieTourismus

ReligionKunst

„A volcano is not made on purpose to frightensuperstitious people into fits of piety and devo-tion; nor to overwhelm devoted cities withdestruction; a volcano should be considered as aspiracle to the subterranean furnace, in order toprevent the unnecessary elevation of land, andletal effects of earthquakes.“(James Hutton: „Theory of the Earth“. Wheldon andWesley, Codicote, 1795)

˚ Abb. 1.1: Vulkanausbrüche werden gesteuert durch internes (innere Kräfte) und ex-ternes Forcing (äußere Kräfte). Alle Vulkanausbrüche sind in vielfältiger Weise mit demMenschen, seiner Kultur und seinen Lebensgrundlagen (z. B. Energie, Rohstoffe, Böden)verzahnt. Gefährdungen durch Vulkanausbrüche entstehen nur dann, wenn der Menschsich nicht vor ihnen schützt. Vulkangefahren sind aber vernachlässigbar im Vergleich zudem immensen Nutzen für den Menschen (277e).

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ren religiösen Gefühlen verwoben ist.Denn wenn Vulkane irgendwann dasLicht der Welt erblicken und wach-sen und wachsen, ist der Mensch inder einen oder anderen Weise immerunmittelbar betroffen. Kein Wunder,dass alle vier Elemente – Feuer, Was-ser, Erde und Luft – auf einen derUrahnen der Vulkanologie, den grie-chischen Naturphilosophen Empe-dokles, zurückgehen, der in der Nä-he des Ätna lebte.

Seit grauer Vorzeit haben Vul-kanausbrüche die Menschen in akti-ven Vulkangebieten mit Angst undSchrecken erfüllt und sie deshalb im-mer wieder nach den Ursachen, denWurzeln dieser Naturgewalten fra-gen lassen. In vielen Ländern, vompazifischen Siedlungsraum bis zuden Kulturen des abendländischenAltertums, haben sich unzählige My-

then über Dämonen und Götter in der Tiefe ent-wickelt. Seit Jahrtausenden wurden und werdenVulkane als Sitz der Götter angesehen, von denInkas im Norden Chiles bis in das dichteste Vul-kangebiet der Erde – die Inselreiche Indonesiensund der Philippinen. Selbst in modernen Gesell-schaften wie Japan schlagen die religiösen Kräfte,die Vulkane ausstrahlen, nach wie vor Millionenvon Menschen in ihren Bann (Abb. 1.2). Auch denFegefeuervorstellungen des christlichen Mittelal-ters liegt die orientalische Überlieferung eines rei-nigenden Feuerstroms in der Tiefe zugrunde.

Dass auch Mitteleuropa die geballte Wirkungeines Vulkanausbruchs in über 2000 km Entfer-nung zu spüren bekommen kann – mit Milliar-denschäden nicht nur für die Fluggesellschaftenund Millionen von Flugreisenden, die weder nachEuropa zurückkehren noch ausfliegen konnten –,ist eine völlig neue Erfahrung. Der sich seit En-de 2009 durch Erdbeben angekündigte und ab20. 3. 2010 ausgebrochene Vulkan Eyjafjallajökull(Island) wurde am 14. April hochexplosiv, weilsich seine Zusammensetzung von basaltisch zuintermediär (d.h. SiO2-reich) geändert und sichdas Eruptionszentrum in den Zentralschlot des

Einleitung10

¯ Abb 1.2: Aufstiegswege und Pilgersta-tionen an der Flanke des heiligen VulkansMt. Fuji (in Japan Fuji-san, im Westen Fud-schijama genannt).

¯ Abb 1.3: Aschenwolke des Vulkans Eyjafjallajökull am17. 4. 2010, deren Verdriftung durch starke Winde zur Schlie-ßung der Flughäfen in Mittel- und Westeuropa noch inüber 2500 km Entfernung führte (Bildausschnitt etwa800 km). NASA.


Schluss, dass unter Vulkanen ein Feuer im Innerender Erde brennen müsse. Ein Feuer entsteht, wennzwei Grundvoraussetzungen gegeben sind: einebrennbare Substanz und ein Anfachen. Als brenn-bare Grundsubstanz nahm man Schwefel an, derauf Sizilien bis ins vorige Jahrhundert hineinabgebaut wurde. Aristoteles postulierte durch dieTiefen der Erde brausende Winde, die das Feuerin Gang halten. Diese Grundvorstellungen überdie Natur der Vulkane waren so erfolgreich – oderintuitiv einsichtig –, dass sie sich bis in die ZeitGoethes, also weit über 2000 Jahre lang, hielten.

In der neueren Geschichte der Wissenschaftvon der festen Erde, der Geologie, gab es zweigroße, insgesamt jeweils etwa ein halbes Jahrhun-dert währende Auseinandersetzungen. Der ersteStreit betraf direkt die Frage nach den Wurzelnder Vulkane, der uralte Antagonismus zwischenFeuer und Wasser stand im Zentrum. Denn amEnde des 18. Jahrhunderts war die Frage, ob säuliggeklüftete Basalte aus Wasser abgeschieden wer-den oder als heiße Schmelze aus dem Erdinnerentreten, das fundamentale Thema schlechthin.

Die sogenannten Neptunisten, die den Basaltals aus dem Meerwasser abgeschieden ansahen

11Einleitung

Kraters verlagert hatte. Die bis maximal etwa 9 kmaufgestiegenen Eruptionssäulen wurden von star-ken vorherrschenden NW-Winden nach Europagetrieben und führten zu einer fast vollständigenSchließung der Flughäfen zwischen dem 15. und20. April (Abb. 1.3). Auch in den folgenden Wo-chen kam es immer wieder zu sporadischenSchließungen von Flughäfen, selbst auf den Kana-rischen Inseln. Unabhängig von der umstrittenenFrage, ob diese extremen Flugverbote wirklichwissenschaftlich begründet waren, d.h. die Aschen-partikel etwa mehrere 100 µg/m3 überstiegen – siewaren es vermutlich im Wesentlichen nicht –,bleibt die Einsicht, dass unsere hoch technisiertemoderne Gesellschaft gegenüber Naturereignissenextrem verwundbar geworden ist.

Neben der bedrohlichen oder gar lebenszer-störenden Seite wurde allerdings schon in der grie-chischen Mythologie auch die lebenserhaltendeSeite der Vulkangewalten angesprochen: Mit demGeschenk des Feuers, das er Hephaistos in derTiefe gestohlen hatte – eine Tat, für die er grausambestraft wurde –, verhalf Prometheus dem Men-schen erst zu seiner wahren Existenz. Diese Ambi-valenz charakterisiert bis heute unser Erkenntnis-interesse am Naturphänomen Vulkanismus.

Neptunisten, Vulkanisten, PlutonistenDie rational basierte, sozusagen naturwissen-schaftliche Beschäftigung mit der Natur der Vul-kane begann vor ungefähr 2500 Jahren (Abb. 1.4).Die erste der drei Hauptphasen in der Ideenge-schichte der Vulkanologie ging von den Vorsokra-tikern aus. Zwischen etwa 1780 und 1800 wurdenschließlich die Grundsteine der Vulkanologie alsWissenschaft gelegt. Jedoch erst im Rahmen derPlattentektonik, deren Vorstufen Alfred Wegenerbereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts vorstellteund deren allgemeine wissenschaftliche Anerken-nung jedoch erst im Laufe der 1960er- bis 1970er-Jahre erfolgte, konnten Magmen und Vulkaneglobal und geodynamisch als System verstandenwerden.

Die Naturphilosophen, von denen einige imdamals griechisch besiedelten und vulkanischaktiven Sizilien lebten, kamen zu dem logischen

˘ Abb 1.4: Frühe Ideen zum Wesen des Vulkanismus, diesich – von den griechischen Naturphilosophen ent-wickelt – bis in die Zeit Goethes hielten. Als brennbareSubstanzen des im Erdinneren wütenden Feuers nahmman Schwefel an (der in Sizilien, wo die frühen Vorstellun-gen entwickelt wurden, seit altersher abgebaut wird),später dann Bitumen, Kohle oder oxidierende Erze.Aristoteles entwickelte die Vorstellung von durch die Erdebrausenden Winden, die das Feuer entfachen und in Ganghalten. Im Hintergrund ist ein Porträt des NaturforschersPlinius der Ältere nach Thenet (1684) zu sehen. NachSchmincke „Volcanism“ (2004).

1

Kentmann

Pliniusder Ältere Seneca

Aristoteles

Anaxagoras Pythagoras

Thales von Milet

1800

1700

1600

1500

1400

100

200

300

400

500

600

Wind Feuer

Schwefel(Kohle)

ADBC

Goethe

Kant

Leibniz

Descartes

Kircher

Gesner AgricolaParacelsus Kopernikus

da Vinci


und sich überwiegend an den Vorstellungen desberühmtesten Erdwissenschaftlers jener Zeit –Abraham G. Werner aus Freiberg in Sachsen – ori-entierten, standen den Vulkanisten gegenüber.Diese interpretierten, fußend auf den Beobach-tungen von Nicolas Desmarest (Frankreich) in derAuvergne, säulig abgesonderte, prismatische Basal-te durch Erstarrung von an der Erdoberflächeeruptierten Gesteinsschmelzen (80, 277a). BeideSchulen allerdings erklärten das Feuer, d.h. diehohen Temperaturen der Vulkane, durch oxidie-rende Schwefelkieslager oder brennende Kohleflö-ze im Erdinneren, ähnlich den Vorstellungen derVorsokratiker. Nach den radikalen, zukunftswei-senden Vorstellungen von James Hutton (1795)jedoch entwickeln sich unter der Erdoberflächeheiße Schmelzherde, aus denen zu jeder Zeit Mag-men aufsteigen können – sei es bis an die Erd-oberfläche gelangend oder in der Tiefe abkühlendund so grobkörnige, plutonische Gesteine wie den

Einleitung12

˚Abb 1.5: SchematischesVulkan-Magma-System(nach 266).

Atmo-sphäre

StagnationundDifferentiation

Strato-sphäre

PartielleAufschmelzung

Litho-sphäre

Astheno-sphäre

Tropo-sphäre

Kruste

Mantel

Ablösungund Aufstieg

Eruption

Gaseintragin dieAtmosphäre

Moho

Granit bildend. Anhänger dieser Schule wurdendaher Plutonisten genannt, nach Pluto, dem Gottder Unterwelt. Es entbrannte ein Streit um dieErstarrung von Lavaströmen aus einer an derErdoberfläche eruptierten Schmelze, in demGoethe – ein Freund Werners – generell den Nep-tunisten zuneigte. Dieser Streit wurde schließlich,was die Quelle der Wärme betraf, zugunsten derVulkanisten und der Plutonisten entschieden.

Kontinentaldrift – Seafloor Spreading –PlattentektonikDass Vulkaneruptionen schon in den Anfängender Entstehung unseres Planeten vor 4,6 Milliar-den Jahren begannen, die Erdkruste aufzubauen –die erst später durch Erosion und Sedimentbil-dung modifiziert und durch Gebirgsbildung, De-formation und Metamorphose verändert wurde –,gehört seit langem zum Grundwissen der Erdwis-senschaften. Dass aber auch heute tagtäglich dieErdplatten in den Scheitelzonen der Ozeanbeckenaufreißen und durch aufdringende Gesteins-schmelzen wieder verheilt werden, ist eine ver-gleichsweise neue Erkenntnis und Kern der zwei-ten großen Kontroverse in der Geschichte derErdwissenschaften.

Im Jahr 1912 stellte Alfred Wegener der da-mals herrschenden Auffassung von der Perma-nenz der Ozeanbecken und Kontinente seine dy-namischen Vorstellungen von auseinanderbre-chenden und wandernden Kontinenten entgegen.Diese visionäre Sicht der Erdentwicklung revolu-tionierte erst in den 1960er-Jahren in der erwei-terten Form des Seafloor Spreading und der Plat-tentektonik das gesamte Weltbild der Erdwissen-schaften. Innerhalb weniger Jahre wurde eineneue Phase in der Erforschung der Vulkane undihrer Entstehung eingeleitet. Heute kann manVulkane sinnvollerweise nur innerhalb ihrerunterschiedlichen globalen Rahmenbedingungeninterpretieren. Diesen plattentektonischen Rah-men diskutiere ich in Kapitel 2 ausführlicher unddie daraus abgeleiteten drei vulkanischen Haupt-zonen in den Kapiteln 5 bis 8.

Die Wurzeln der Vulkane aus heutiger SichtEin Geomorphologe wird auf die Frage, was einVulkan sei, eine andere Antwort geben als einPetrologe, ein Geophysiker wiederum wird eineandere Vorstellung über das haben, was eigentlicheinen Vulkan ausmacht, als ein Geochemiker. Dieimmense Vielfalt der vulkanischen Vorgänge er-laubt keine einfache, schlüssige Antwort – einerundum befriedigende Interpretation der Beob-achtungen und eine Erklärung der Kausalzusam-menhänge wird für die Forschung immer Ziel-und Wunschtraum bleiben. Dies liegt vor allem

1


ge in der Vorhersage von Vulkaneruptionen undder rechtzeitigen Evakuierung vor großen Aus-brüchen erzielt hat, sind die Hauptthemen vonKapitel 13.

Bei aktuellen Vulkaneruptionen wird häufignachgefragt, ob die jeweilige Eruption auch dasKlima beeinflussen kann – denn alles was mitdem Klima zu tun hat ist heutzutage in derÖffentlichkeit mit Recht zu einem beherrschen-den Thema geworden. Wenn die Erde nicht seitihrer Entstehung vor 4,6 Milliarden Jahren stän-dig entgast wäre, gäbe es keine Lufthülle, keinWasser und ergo kein Leben auf unserem Plane-ten. Ob unser Klima, das sich im Verlauf der Erd-geschichte immer wieder drastisch verändert hat,ausschließlich astronomisch gesteuert wird oderauch von Vulkaneruptionen, ist daher für dieUrsachenforschung der Klimaänderungen vonsteigendem Interesse – insbesondere, weil anthro-pogen bedingte Klimaänderungen zu einer derHauptzukunftsängste der Menschheit gewordensind. Vom Klima, der Ozonschicht und den Vul-kanen handelt daher Kapitel 14.

Aus dem weiten Feld der angewandten oderpraktischen Vulkanologie habe ich im letzten Kapi-tel (15) mehrere Aspekte ausgewählt: (1) Geother-

13Einleitung 1Harzburgit(Ol,Opx,Sp)

Granatlherzolith(Gt, Ol, Cpx, Opx)

Restit Basaltmagma

Partielle Aufschmelzung

2cm0

2cm0

¯ Abb 1.6: Bei der parti-ellen Aufschmelzung vonMantelperidotit (z. B.Granatlherzolith), demHauptmechanismus fürdie Magmenentstehung,werden einige Mineral-phasen wie Granat undPyroxen zuerst aufge-schmolzen. Der Hauptteildes überwiegend ausOlivin bestehenden Man-telgesteins bleibt kristallin.Dies sind die häufigstensogenannten Olivinbom-ben, die in vielen basalti-schen Vulkanen wie in derEifel oder im Westerwaldmit an die Erdoberflächetransportiert werden. Diebei der partiellen Auf-schmelzung – meist unter10 % – entstehendenBasaltschmelzen könnendann aufsteigen und sichin Zwischenreservoiren imMantel, an der Basis oderinnerhalb der Krustesammeln. Nur ein kleinerTeil schafft es bis an dieErdoberfläche. Vulkanesind also eigentlich Unfälleim gesamten Vulkan-Magma-Mantel-System.Nach Schmincke„Volcanism“ (2004).

daran, dass die Ursprünge der Vulkane – ihreWurzeln und gewissermaßen ihr Herz, dieMagmakammer – in Erdtiefen liegen, diefür die direkte Beobachtung unzugäng-lich sind. Wenn man heute versucht,die Fragen nach der Natur eines Vul-kans befriedigend zu beantworten, mussman – neben dem eigentlichen Vulkan– das tief reichende, viel umfassendereWurzelsystem unter einem Vulkan mitbetrachten. Dieses Vulkan-Magma-Sys-tem habe ich der Einfachheit halber(Abb. 1.5, 1.6) in vier Tiefenzonen unterteilt: par-tielle Aufschmelzung, Ablösung und Aufstieg, An-sammlung in Magmareservoiren sowie Ausbruch.

Eine Diskussion dieser Wurzelbereiche mussam Anfang stehen, wenn wir verstehen wollen,wie und warum ein Vulkan entsteht – etwa aneiner bestimmten Stelle der Erde, zu einer be-stimmten Zeit und mit einer bestimmten Mag-menzusammensetzung – oder wie er ausbricht,ob ruhig effusiv oder hochexplosiv. Kapitel 3befasst sich daher mit den Tiefenregionen derVulkane, mit der Entstehung, Zusammenset-zung und Veränderung der Magmen undmit ihrer Kristallisation. Die magmatischenGase, die rheologischen Eigenschaften derMagmen und ihr Eruptionsverhalten be-handle ich in Kapitel 4.

Vulkane und VulkaneruptionenDie Form von Vulkanbauten ist zwar kein aktuel-les Forschungsgebiet, jedoch sagt uns die Morpho-logie von Vulkanen eine Menge über die physikali-schen Eigenschaften der eruptierten Magmen,über die spezifischen Eruptionsvorgänge unddestabilisierenden Ereignisse. Aus diesem Grundund als Ergänzung zu den Kapiteln 5 bis 8 sowieals empirischer Rahmen für die Kapitel 10 bis 12werden wichtige Vulkantypen und ihre extrusivenund effusiven Ablagerungen in Kapitel 9 vorge-stellt.

Die meisten Vulkane brechen überwiegendexplosiv aus. Explosive Vulkaneruptionen undihre Ablagerungen, seit vielen Jahren im Mittel-punkt vulkanologischer Forschung, werden invier Kapiteln diskutiert: einem allgemeinen (Kapi-tel 4) und drei speziellen (Kapitel 10 bis 12).

Wenn in den Medien über Vulkanausbrücheberichtet wird, geht es eigentlich immer um dieGefährdung von Menschen und Ansiedlungenund die sozialen Probleme, die sich aus der häu-fig notwendigen Evakuierung ergeben – d.h. alsoum die sogenannten Vulkankatastrophen, dieeigentlich gesellschaftliche Katastrophen sind. DieHauptgefahren, die von Vulkanen ausgehen, wieman heute Vulkane überwacht und wo man Erfol-


mische Energie, (2) Erzlagerstätten, (3) vulkani-sche Böden, (4) vulkanisches Rohmaterial und (5)Vulkanlandschaften und Vulkantourismus.

Fallgeschichten von rezenten oder gut unter-suchten Vulkaneruptionen – wie in den 1980er-Jahren die Eruption des Mt. St. Helens und desNevado del Ruiz (1985) sowie 1991 die Eruptiondes Pinatubo oder die Eruption des Laacher-See-Vulkans vor 13 000 Jahren – veranschaulichen ineinigen Kapiteln die generellen Ausführungen.

LiteraturDie ersten Kapitel (2 bis 9) sind so allgemeingehalten, dass es nur in einigen Fällen sinnvollerschien, spezielle Literatur zu zitieren. Der inter-essierte Leser kann sich über Detailaspekte inneueren Darstellungen informieren, von denenviele ausführliche Literaturverzeichnisse enthal-ten. Spezialarbeiten werden insbesondere alsQuellenangaben zu den Abbildungen zitiert; dieListe dieser Arbeiten ist daher keineswegs reprä-sentativ. Angesichts der umfangreichen, für diesesBuch verarbeiteten Literatur habe ich einzelneInformationen nicht immer auf die Urquellenzurückverfolgen können. Ich bitte um Nachsicht,wenn ich die eine Kollegin oder den anderen Kol-legen nicht zitiert habe.

Neben den beiden aktuellen internationalenLehrbüchern von Francis und Oppenheimer(2003) sowie Schmincke (2004) und der mit ca.4 kg etwas unhandlichen, aber informationsrei-chen „Encyclopedia of Volcanoes“ (Sigurdsson etal. 2000) gibt es eine Fülle von englischsprachigenMonographien und Sammelbänden, so z.B.: Hei-ken und Wohletz (1995), McGuire (1995), Sparkset al. (1997), Scarpa und Tilling (1996), Freundtund Rosi (1998), Oppenheimer et al. (2003), Par-fitt und Wilson (2008) sowie Schmincke undSumita (2010). Beispiele für deutschsprachige,mehr populärwissenschaftliche Bücher über aktu-

elle Vulkaneruptionen oder junge Vulkanfeldersind Decker und Decker (1994), Edmaier undJung-Hüll (1994) sowie Schmincke (2009) überdie Vulkane der Eifel. Das „Bulletin of Volcanolo-gy“ (Springer) und das „Journal of Volcanologyand Geothermal Research“ (Elsevier) sind die bei-den einschlägigen vulkanologischen Fachzeit-schriften. Vulkanologische Spezialarbeiten er-scheinen außerdem in verschiedenen Zeitschriftender Geologie, Petrologie, Geophysik, Geochemieund Geomorphologie.

Umfassende Informationen über die Vulkaneder Erde und über aktuelle Vulkanausbrüche fin-den sich auf der Homepage der SmithsonianInstitution (Washington DC, USA), z. T. in Kom-bination mit Informationen des US GeologicalSurvey (www.volcano.si.edu/). Dies ist eine ausge-zeichnete, verlässliche und immer hochaktuelleSeite, auch mit wöchentlichen Zusammenfassun-gen über laufende Eruptionen und vielen Links.Presseberichte über gerade ausgebrochene Vulka-ne sind natürlich tagesaktuell aber verständlicher-weise meist nicht mit den vor Ort arbeitendenWissenschaftlern abgestimmt. Die englischsprachi-ge Ausgabe von Wikipedia ist eine weitere Quellefür ausgewogene Informationen über Vulkane ge-nerell.

AbkürzungenDer Anhang enthält vor dem Literaturverzeichniseine Liste gebräuchlicher Abkürzungen und Ein-heiten. An sich sind seit Längerem die sogenann-ten SI-Einheiten maßgebend. Es ist aber ähnlichwie bei der umstrittenen Rechtschreibreform: DieMenschen ändern nicht gerne lieb gewordeneGewohnheiten, und so wird auch in manchenFachzeitschriften noch kb (Kilobar) anstatt Gpa(Gigapascal) verwendet; für Dichteangaben be-nutze ich das anschauliche g/cm3 anstelle vonkg/m3 usw.

Einleitung141


15

uf den ersten Blick mag es paradox erschei-nen, die großen Zusammenhänge zwischenVulkanen und Erdaufbau sowie den dyna-

mischen Vorgängen in der Erdkruste und den tie-feren Erdschichten vor der Darstellung der spezi-ellen Aspekte zu diskutieren. Wenn wir aber nachden Ursachen der vulkanischen Vorgänge fragen,den Zusammensetzungen der an der Erdoberflä-che eruptierten Schmelzen, den Eruptionsmecha-nismen, der Verteilung der Vulkane auf der Erdebis zur Zusammensetzung der vulkanischen Gase,werden wir überzeugende Antworten nur im Ge-samtrahmen der Magmen- und Vulkanentstehungfinden können.

Von grundlegender Bedeutung ist die Beob-achtung, daß die etwa 550 heute aktiven subaäri-

schen Vulkane (298) – die meisten basaltischerund andesitischer Zusammensetzung – und diegeologisch jungen quartären und tertiären Vulka-ne und Vulkanfelder nicht gleichmäßig über dieErde verteilt sind.

Alfred Wegener, der berühmte Schöpfer derKontinentaldrift, schenkte den Vulkanen, ihrer

Zusammensetzung und der Magmenentstehungkeine große Beachtung. Erst die meeresgeologi-schen und geophysikalischen Untersuchungen seitden sechziger Jahrendes vorigen Jahrhun-derts haben die grund-legenden Bausteine undBeweise geliefert, durchdie Wegeners Vorstel-lungen von der Mobi-lität der Kontinente – heute zusammen mit derozeanischen Lithosphäre Platten genannt – in den Hypothesen des Sea Floor Spreading und derPlattentektonik stark modifiziert und erweitertwieder auferstanden sind (Abb. 2.1). Seit Ende dersechziger Jahre haben diese Modelle das eingelei-

tet, was in der Wissenschaftstheorie ein Paradig-menwechsel genannt wird. Die an dramatischenEntdeckungen reiche Geschichte dieser wissen-schaftlichen Revolution ist inzwischen so oft er-zählt worden, daß ihre Grundzüge zur wissen-schaftlichen Allgemeinbildung gehören oder gehö-ren sollten. Ich will hier nur diejenigen Aspekte

Plattentektonik

Jeder Vulkan steht mit dem glühenden und auchnoch siedenden Erdkörper in Connexion.J. W. Goethe, „Naturwissenschaftliche Schriften“, Band 9,Weimar, 1892

40°S

Bandai-san

Unzen

PhilippinischerInselbogen

Taal

Mayon

Pinatubo

Myojin-syo

Marianen-Graben

Fuji-san

Japan-Graben

Kurilen-Graben

Bezymianny

Aleuten-Graben

RedoubtAugustine

Emperorseamounts

O-shima

Mauna LoaHawaii-

Inselkette

Cerro Negro

Parícutín

Mt. RainierMt. St. Helens

El ChichónPopocatépetl

Irazú

Ruiz

Cotopaxi

Coseguina

Misti

Azul

HeklaGrimsvötn

Askja

SurtseyLaki

Laacher See

Vesuv

Ätna

KanarischeInseln

Katmai

Fogo

Ost-afrikanischer

GrabenKilimandscharo

Santorini(Thera)

Heard Island

KrakatauTambora

Tarawera

Tong

a-Gr

aben

Kilauea

Stromboli

Mt. PeléeArenal

Crater Lake

La PalmaTenerife

Lanzarote

Ostp

azifi

sche

rRü

cken

Montserrat

Eurasische Platte

PhilippinischePlatte

Australische Platte

PazifischePlatte

Antarktische Platte

Cocos-Platte

Juan-de-Fuca-Platte

Nazca-Platte

NordamerikanischePlatte

KaribischePlatte

SüdamerikanischePlatte

AfrikanischePlatte

ArabischePlatte

EurasischePlatte

IndischePlatte

Scotia-Platte

Mittel-atlantischerRücken

Südostindischer Rücken

Mittelindischer Rücken

˚Abb. 2.1: Hauptplattenund globale Verteilungbekannter aktiver undruhender Vulkane.

A

2


Drummond Matthews entdeckten 1963, daß diemagnetischen „Zebrastreifen“ am Meeresboden,die auf der einen Seite eines Ozeanrückens einüberraschend ähnliches Bild vom Muster deranderen Seite bilden, nicht zufällig unterschied-lich breit sind. Von der Scheitelzone ausgehend,verglichen die Forscher die Breite der magneti-schen Streifen mit den bereits bekannten Zeit-spannen normaler und umgekehrter Orientierungdes Magnetfeldes in der jüngeren Erdvergangen-heit. Sie stießen auf einen deutlichen Zusammen-hang: Ein schmaler Zebrastreifen entsprach einerrelativ kurzen Zeitspanne bis zur Umkehr des Ma-gnetfeldes, ein breiter Streifen einem vergleichs-weise langen Zeitraum einer konstanten Ausrich-tung des Erdmagnetfeldes.

Nach diesen Untersuchungen konnte die ozea-nische Kruste der Tiefsee, drei Viertel der gesamtenErdoberfläche, kaum noch Milliarden Jahre altsein; sie mußte erst in der jüngsten geologischenVergangenheit gebildet worden sein. Und dieseKruste war offensichtlich nicht dort entstanden,wo sie heute liegt, sondern in den Scheitelzonender Ozeanbecken, war von dort nach beiden Seitenhin wie auf einem Förderband fortgewandert –und entstand ständig neu. Als feststand, daß dieunterschiedliche Breite dieser Zonen den ungleichlangen, an Land ermittelten Perioden normalerund umgekehrter Magnetisierung entsprach undder Nullpunkt, die heutige Richtung des Magnet-feldes, durch die Achse der mittelozeanischenSchwellen markiert wird, wurde klar, daß sich neueOzeankruste in der Mitte der Ozeane (Atlantik)bzw. im östlichen Randbereich (Pazifik) bildet, undzwar durch Intrusion und Extrusion von aus derTiefe aufsteigenden basaltischen Magmen.

Dynamische Gliederung der ErdeWer einen Blick auf den Globus wirft, wird zual-lererst von dem Gegensatz zwischen Kontinentenund den Ozeanbecken beeindruckt sein. Die Gür-tel seismischer und vulkanischer Aktivität zeigenjedoch ein zum Teil diametral abweichendes Bild.Jason Morgan (1972) hat die äußere Erdrinde ineine Reihe von Platten unterteilt, deren Grenzendurch Erdbeben und zum Teil vulkanische Akti-vität charakterisiert sind und die sich gegenein-ander bewegen (Abb. 2.1). Plattengrenzen fallenoft nicht mit den Grenzen zwischen kontinentalerund ozeanischer Kruste zusammen. Einige, wieder Mittelatlantische Rücken, verlaufen parallel zuden Ozean-Kontinent-Grenzen, während z.B. derOstpazifische Rücken in einem Winkel auf denamerikanischen Kontinent trifft.

Da nach dem heutigen Wissensstand die Erdenicht expandiert, mußte diese ständige Krusten-entstehung durch Krustenzerstörung an anderer

Plattentektonik

herausgreifen, die zum Verständnis der Magmen-entwicklung und Vulkanbildung wichtig sind, Pro-zesse, die allerdings eine zentrale Stelle im neuenWeltbild der Erdwissenschaften einnehmen.

Das Förderband der Mittelozeanischen RückenSeit Mitte der sechziger Jahre war bekannt, daßsich das Magnetfeld der Erde in Zeitabständenvon wenigen hunderttausend bis einigen Millio-nen Jahren umkehrt. Mit anderen Worten, dermagnetische Nordpol, auf den die Kompaßnadelzeigt, liegt abwechselnd am geographischen Nord-pol bzw. in seiner Nähe – wie heute – oder amgeographischen Südpol. Die gegensätzlichen Orien-tierungen, die das Magnetfeld im Laufe der Erdge-schichte immer wieder eingenommen hat, lassensich gut nachweisen, weil sie in alten Lavaströmenregelrecht „eingefroren“ sind: Beim Abkühlen derheißen Gesteinsschmelzen kristallisieren magneti-sche Minerale aus, welche die Richtung des jeweilsherrschenden Magnetfeldes für die Ewigkeit fest-halten.

Bei der magnetischen Vermessung der aus vul-kanischen und plutonischen Gesteinen aufgebau-ten Ozeanböden ergab sich nun ein erstaunlichesBild: Der Boden der Tiefsee erwies sich als „ge-streift“. Auf dem Meeresgrund wechseln, so zeigtesich, normal und umgekehrt magnetisierte Streifenmiteinander ab, die parallel zu den Scheitelzonender Mittelozeanischen Rücken verlaufen (Abb. 2.2).Weshalb sollte der – nach den noch Mitte dersechziger Jahre gängigen Vorstellungen – uralteMeeresboden magnetisch gestreift sein? Die eng-lischen Wissenschaftler Frederick Vine und

OzeanischeIntraplatten-

vulkane

Mittel-ozeanischer

Rücken

Subduktions-zone

KontinentaleIntraplatten-

vulkane

MittelozeanischerRücken

Tiefsee-graben

Subduktionszonenvulkane

Kontinentale Platte

2

0,4

8

0,6Extrusiv

Intrusivkm3/a

Ozeanische PlatteOzeanische PlatteOzeanische Platte

18

3

Litho-sphäre

Litho-sphäre

0,1

1,5

Transform-verwerfung

Sub-konti-nentalerMantel-keil

˚ Abb 2.2: Divergierende(Mittelozeanische Rückenund Transformverwerfun-gen) und konvergierende(Subduktionszone, Wadati-Benioff-Zone) Plattenränder(nach 238). JährlicheMagmaproduktionsraten(km3/a) nach verschie-denen Quellen (aus 266).

216


Documents

Hans-Ulrich Schmincke Vulkanismus · 2018. 10. 5. · Auf die vulkanologi-sche Kartierung und Interpretation unserer Nach-barplaneten mit vielen aufregenden Entdeckun-gen sowie auf