Matthias Günther

Vulkanismus

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Vulkanismus

INHALT

1. VULKANTYPOLOGIE

2. FORMEN EMITTIERTEN MATERIALS UND MECHANISMEN

DER MATERIALEMISSION

3. ERUPTIONEN UND ERUPTIONSTYPEN

Matthias Günther

1. Klassifizierung von Vulkanen morphologisch nach tektonischem Ort

Tafelvulkan Vulkanismus auf mittel-

Schildvulkan ozeanischen Rücken

Schichtvulkan (Stratovulkan) Intraplattenvulkanismus/Hot-

Schlackenvulkan (Aschenvulkan) Spot-Vulkanimus - Seamounts/Vulkaninseln

Caldera (einschl. Supervulkane) - intrakontinentale Vulkane

Vulkandome (Staukuppe) Vulkanismus in Subduktionszonen

Maar

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1. Vulkantypen (morphologisch)

Tafelvulkan: subglaziale EntstehungSchildvulkane: Vulkane

mit sehr dünnflüssiger

basaltischer Lava, flach, Hot-Spot-Vulkanismus

Herdubreid, Island (Wikipedia)

Mauna Loa, Hawaii (Wikipedia)

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1. Vulkantypen (morphologisch)

Schichtvulkane (Stratovulkane):Schichtenaufbau, explosive Eruptionen,typisch für Subduktionszonen-Vulkanismus

Osorno, Chile, Januar 2004

Llaima, Chile, Dezember 2004

Lanín, Argentinien/Chile, März 2008

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1. Vulkantypen (morphologisch)

Schlackenvulkan (Aschenvulkan)

Vulkane ohne Lava-Ausstoß, nur Tephra-Auswurf

oft Flankenvulkane größererVulkane

Lonquimay, Chile, März 2006

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1. Vulkantypen (morphologisch) Calderen

Einbruchs-oder Explosionskrater (oft schwer voneinander zu unterscheiden)

Supervulkane sind große Calderen (Yellowstone, Toba-See )

Quetrupillán, Chile, Januar 2006

Aniakchak, Alaska (Wikipedia)

Toba-See, Indonesien, 100 x 30km (Wikipedia)

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1. Vulkantypen (morphologisch)Lavadome ( Staukuppe, Vulkandom)

Auspressung von kühler hochviskoser Lava,

Maare

Explosionstrichter phraetomagmatischer

Eruptionen (unter Mitwirkung von Ober-

flächen-wasser)

Novarupta-Dome, Alaska (Wikipedia)

Siebengebirge (Wikipedia)

Eif

el

(Wik

iped

ia)

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2. Materialemission

Formen von Materialemissionen in vulkanisch aktiven Zonen:

Nichtexplosives Ausgasen nichtexplosiver Ausfluss von Lava

explosive Eruption

Produkte: Gase Pyroklasten Lavaströme

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2. Gase

H2O (35 – 90 mol%)

CO2 (5 – 50 mol%)

SO2 (2 – 30 mol%), H2S

HCl, HF, HBr

CO2 ist das Gas mit der größten freigesetzten Masse (Ätna: 35.000 t/d, Eifel: viele 10.000 t/d)

Villarrica, Chile, September 2009

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2. Ausgasung

Ausgasung: Freisetzen von Gasen aus flüssigem oder festem Material

in Flüssigkeiten (z.B. Magma): Löslichkeit eines Gases nimmt mit sinkendem Partialdruck und steigenden Temperaturen ab; dominierend bei Magmaaufstieg: Partialdruckabhängigkeit Henry-Gesetz

cl : Konzentration in der Lösung

kH,pc : Henry-Konstante

p : Partialdruck der Substanz

(gilt exakt nur unter relativ geringen Drücken und wenn keine chemische Reaktionen des gelösten Stoffes in der Lösung stattfinden)

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2. Ausgasung

Zwei Prozesse, die die Ausgasung beim Magma-Aufstieg bestimmen:

1) Aufstieg von Magma durch thermische Konvektion Druckabnahme Partialdruck der einzelnen gelösten Gase sinkt Konzentration in der Lösung und Partialdruck pendeln sich durch Ausgasung in ein neues Gleichgewicht ein.

2) Aufstieg von Magma Temperaturabnahme Auskristallisieren Reduktion der flüssigen Magmamasse Erhöhung der Konzentration von Volatilen im Restmagma Ausgasung

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2. Ausgasung

nichteruptive Ausgasung eruptive (offene)

vorrangig Wasserdampf: Ausgasung

Schwefelverbindungen:

Villarrica, Chile Januar 2005

Puyehue, Chile, März 2009

Villarrica, Chile, September 2009

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2. PyroklastenPyroklasten

Gesteinsfragmente, die durch Zerreißen oder Zerbrechen oder durch direkte

Kristallisierung infolge vulkanischer Aktivität aus einem festen oder flüssigen

vulkanischen Ausgangsmaterial entstanden sind

Asche: < 0,2cm

Lapilli: 0,2 – 6,4cm

Blöcke (kantig (fest bei Auswurf)): > 6,4cm

Bomben (rund (geschmolzen bei

Auswurf)): >6,4cm

Str

oh

n, E

ifel

(Wik

iped

ia)

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2. LavaLava ist an der Erdoberfläche austretendes Magma

Magma ist teilweise aufgeschmolzenes Mantel- und in geringerem Maße

auch Krustenmaterial, Hauptbestandteil SiO2 (Basalt: bis 50%, Granit: bis

75%)

Normalerweise sind Einsprenglinge (Phänokristalle) enthalten (auskristallisierte Bestandteile).

Magma hat etwa 800 bis 1250°C bei Eruption, gebildet im Erd-Mantel 20 bis 70km Tiefe in Ozeanen, 80 bis 150km unter Kontinenten

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2. LavaUnterscheidung von Lavatypen nach physikalischen (Viskosität) und chemischen Kriterien (insbesondere SiO2-Gehalt)

basaltische Lava (basische Lava): < 50% SiO2, 25 – 35% MgO, FeO, CaO,

Viskosität: 10 – 100 Pa s1000 bis 1300°C

rhyolitische Lava (saure Lava): 70 – 75% SiO2, 15 – 20% Al2O3, K2O, Na2O, <5% MgO, CaO, FeO,

Viskosität 106 bis 108 Pa s,800 – 1000°C

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2. Lava

Magma hat keine bestimmte Schmelz- bzw. Siedetemperatur, sondern

eine Solidus- und Liquidustemperatur

Solidustemperatur: Magma ist vollständig erstarrtLiquidustemperatur: Magma ist vollständig geschmolzen

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2. Lava

Kristallisation Magmatische Differentiationschrittweises und selektives Auskristallisieren von bestimmten Mineralien im Magma

Mehrstoffsysteme (Gemische, Lösungen) haben eine tiefere Schmelztemperatur als die entsprechenden reinen Substanzen und sie haben i.Allg, eine Liquidus- und Solidus-temperatur, insofern das Mischungsverhältnis nicht dem Eutektikum entspricht

Eutektikum (Wikipedia)

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2. LavaWarum kommt es zum Aufschmelzen von Material?

- Radioaktiver Zerfall als Wärmequelle? keine ausreichendeWärmeproduktion

- Reibung in Subduktionszonen als Wärmequelle? keine Belege dafür

- aufsteigendes Material (Mantelkonvektion) schmilzt teilweise auf (Asthenosphäre ist hochviskos, 1016 bis 1019 Pa s (etwa im Bereich von Glas ), Magma ist im Bereich 10 bis 108 Pa s)(adiabater Aufstieg, Druckentlastung, Aufschmelzen, Konvektions-bewegungen schnell gegen Wärmetransport) gilt besonders für Hot-Spot- und Rift-Vulkanismus

- Herabsetzen der Solidustemperatur durch Wassergehalt besonders bei Subduktionszonen-Vulkanismus

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2. Lava

Schmelzkurve liegt i.Allg. über der p-T-Kurve

Überschneidungen sind unterden folgenden Bedingungen möglich:

a) lokal ansteigende Temperaturb) sinkender Druckc) Absenkung des Schmelzpunktes

durch Beimischung von Wasser und CO2

Schmincke 2004, 24

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2. Lava phänomenologische Klassifizierung

„Pahoehoe-Lava“

(basaltische Lava)

dünnflüssig, heiß (etwa 1200°C) Hawaii (Wikipedia)

Wulstlava Seillava Stricklava Fladenlava

Villarrica, Chile, März 2008

Villarrica, Chile, März 2008

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2. Lava phänomenologische Klassifizierung

„Aa-Lava“

(rhyolitische Lava)

weniger heiss, höhere Viskosität (manchmal noch Abgrenzung gegen

noch gröber struktur- ierte Blocklava)

Pahoehoe-Lava kann beim Abkühlen

in Aa-Lava tranformiert werden(durch Abkühlung, Kristallisation, Blasenbildung),der umgekehrte Prozess ist nicht möglich

Hawaii (Wikipedia)

Villlarrica, März, 2008

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2. Lava phänomenologische Klassifizierung

Kissen-Lava: entsteht bei sehr schneller Abkühlung der Lava im Wasser (typisch an mittelozean. Rücken) Basaltsäulen

(langsame Abkühlung basaltischer Lava)

Lavatunnel

La Palma (Wikipedia) Quetrupillán Chile, Januar 2006 Curarrehue, Chile, September 2009

La Palma (Wikipedia) Osterinsel, Juli 2005

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3. EruptionenAufsteigen des Magma durch Auftriebskräfte

i.Allg. Abbremsung an der Moho-Diskontinuität (zw. Mantel und Kruste), dort Sprung von 3,3 g/m3 auf 2,8 g/m3

Ausstoß nur eines winzigen Teils des aufsteigenden Magmas

stets Ansammlung in Magmakammern in der Kruste

Eruptionsauslöser:- Auftriebskräfte- Gesteigerter Auftrieb durch Ausgasung- Magma-Wasser-Kontakt- Erdbeben, Dekompression durch Bergstürze

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3. Eruptionen Klassifizierung

1) Hawaiianische Eruptionen

2) Strombolianische Eruptionen

3) Plinianische Eruptionen

1) Hawaiianische Eruption ( Hawaii): Lava geringer Viskosität, gasarm,

kontinuierliche Lavafontainen (teils geringer Höhe teils bis 500m); Antrieb: permanenter Überdruck in großräumigerer Lavakammer, rascher Aufstieg ohne Bildung großer Blasen

2) Strombolianische Eruption ( Stromboli): periodisches Auswerfen geringerer

Mengen von Lava unter Gasentweichung; Antrieb: langsamer Aufstieg der Lava unter Bildung großer Gasblasen, Platzen aufsteigender Gasblasen,

keine Eruptionssäule

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3. Eruptionen Klassifizierung

3) Plinianische Eruption ( Plinius der Jüngere, Vesuv 79 n.C.):explosive Eruption unter Ausbildung von Eruptionssäulen von 10 bis 40km Höhe, i.Allg. von kurzer Dauer (Stunden, Tage), Ausstoß zwischen 1000 und 1.000.000 t/s, Austrittsgeschwindigkeiten zwischen 100 und 600m/sErscheinungsform des Ausbruchs (Stärke, Explosivität) hängt ab von:- Viskosität der Lava - Gasgehalt (bes. Wasser)- Struktur des Magma- kanals (z.B. Radius)- Eruptionsrate- Menge des ausgewor- fenen Materials

Sch

min

cke 2

00

4, 5

6

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3. Vulkanismus Eruptionssäulen Struktur einer Eruptionssäule: Gasschubzone, Konvektive

Eruptionssäule und Wolke

Schmicke 2004, 156

Matthias Günther

3. Vulkanismus Pyroklastische Ströme

heiße Staub-/Gaswolken mit hohem Anteil an festen Bestandteilen

im Inneren 300°C bis etwa 800°C

große Zerstörungskraft, größtes Gefahrenpotenzial unter allen

vulkanischen Erscheinungen

Vulkan Mayon , Phillipinen (Wikipedia)

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3. Vulkanismus Lahar

Lahar: Schlamm- und Geröll-Lavine

- Nevado del Ruiz (Col) 1985 (22000 Tote, zweitgrößte Anzahl von Todesopfern durch einen Vulkan im 20. Jh., nach Mont Pelé 1902 (Martinique))

- Mt. St. Helens (USA) 1980

Mount St. Helens, USA (Wikipedia)

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3. Erkenntnisse aus seismischer Tomografie Vulkanologische Erkenntnisse durch Anwendung von seismischer Tomografie

- Identifikation von tiefreichenden Zone reduzierter Dichte unter intrakontinentalen und intraozeanischen Vulkanen, auch unter Riftzonen, z.B. unter Yellowstone, Island, Hawaii, Rotes MeerInterpretation: Zonen halbgeschmolzenen Materials, das etwa 50 bis 150 K heißer ist als das umgebende Gestein

bis zur Kern-Mantel-Grenze konnten die so genannten Super-Plumes unter Hawaii und unter Afrika verfolgt werden (bis fast 3000km Tiefe)

- Identifikation von Magmakammern: niedgrigere Wellengeschwindigkeit-en, Scherwellen gehen durch Material nur teilweise aufgeschmolzen

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Vielen Dank Vielen Dank

für für

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Vulkanismus Quellen- Schmincke, Hans-Ulrich (2004): Volcanism; Berlin,

Heidelberg, New York: Springer

- Wikipedia: Artikel Pahoehoe-Lava, Aa-Lava, Kissenlava, Magmatische Differentiation, Eutektikum, Lahar, pyroklastischer Strom, vulkanische Bombe, Tafelvulkan, Schildvulkan, Caldera, Supervulkan, Maar

- http://www.geophysik.uni-frankfurt.de/~schmelin/convection1.mpg