Vorlesung 4

Pyroklastische Ströme.

Pyroklastische Ströme stellen eine heiße Feststoff-Gas Dispersion dar, die sich hangabwärts bewegt. Sie können hohe Geschwindigkeiten erreichen ca. 100 km/St. Als Ignimbrite (lat. ignis = Feuer, nimbus = Wolke) werden die Ablagerungsprodukte der pyroklastischen Ströme bezeichnet. Sie haben, bedingt durch den Ausbruchsmechanismus, einen meist sauren, seltener einen intermediären Chemismus. Die Temperaturen bei der Ablagerung lagen über dem Erweichungspunkt der Glasanteile, so daß eine plastische Verformung und ein Verkitten nach der Ablagerung erfolgte. Sie zählen also zu den Schweißtuffen . Pyroklastika oder Pyroklastite ist eine Sammelbezeichnung für klastische vulkanische Produkte, verfestigt werden sie als Tuff bezeichnet.Staubartige vulkanische Auswurfmasse werden als Aschen bezeichnet ( < 4 mm Durchmesser). Welded Tuff sind verschweißte Pyroklastite (Schweißtuffe)

Dichte ~ 0.01 g/cm³

Dichte ~ 1 g/cm³

LH

Heim-Koeffizient ~ H/L

PYROKLASTISCHE STRÖME Ein einzelner pyroklastischer Strom aus Gesteinspartikeln kann noch 100 Kilometer von seinem Ursprungsort entfernt mit einer Geschwindigkeit von 100 Stundenkilometern dahinrasen und dabei auf Tausenden von Quadratkilometern mehrere Meter mächtige Ablagerungen hinterlassen. Pyroklastische Ströme, auch in kleinerem Maßstab, treten bei ungefähr der Hälfte aller Vulkaneruptionen auf. In der Terminologie der pyroklastischen Ströme herrscht bis heute Verwirrung, hevorgerufen durch eine Überzahl an mögliche Begriffen. Das Phänomen einer giftgeschwängerten Aschewolke, die den Berg hinabrast, wurde erstmals bei der Eruption des Mt. Pelée am 8. Mai 1902 beschrieben. Damals starben fast alle 29.000 Einwohner der Stadt St.Pierre. Nur zwei blieben am Leben. Die sogenannte Nuée Ardente (Glutwolke) hinterließ kaum Ablagerungen. Heute weiß man, dass zu dieser Glutwolke auch eine Glutlawine gehört, in der die meisten Partikel transportiert werden. Von der Lawine aus steigt die Glutwolke auf.Man gliedert pyroklastische Ströme und deren Ablagerungen in drei Gruppen.

Drei Arten pyroklastischer Ströme

Man gliedert pyroklastische Ströme und deren Ablagerungen in drei Gruppen:1. Ignimbrite. Es handelt sich dabei um bimsreiche pyroklastische Massenströme. Alternativ benutzt man den Begriff Bimsströme oder auch Ascheströme, wenn die Aschefraktion überwiegt.2. Block- und Ascheströme. Sie bestehen aus mikro- bis feinblasigen, oder gar blasenfreien Pyroklastika aller Korngrößen. Sie sind sehr häufig und sehr gefährlich.3. Pyroklastische Surges. Sie treten besonders bei phreatomagmatischen Eruptionen auf und repräsentieren die den anderen beiden Typen vorauseilenden Druck- oder Stoßwellen. Sie hinterlassen selbständige (oft nur geringe) Ablagerungen und gelten als die destruktivste Phase der Eruption.

Dünnschliffbild eines Schmelztuffs (Ignimbrit): In einer glasigen, verschweißten Grundmasse "schwimmen" zahlreiche Kristalle. Bildbreite ca. 7 mm.

Massiger Ignimbrit aus der nordchilenischen Westkordillere.

Besonders häufig werden Bimsstein-Tuffe gefördert. Deren Partikel bestehen aus rhyolitischem Gesteinsglas, welches extrem porös ist. Die Schmelze wurde im Schlot bei lebhafter Gasentmischung regelrecht aufgeschäumt.

Die Eruption des Mt. Pelée am 8. Mai 1902

Die Insel Martinique, auf der der Mt. Pelée liegt, ist Teil der Kleinen Antillen, die sich in einem Bogen von den Jungferninseln bis fast zur Küste Südameriaks ziehen und allesamt rein vulkanischen Ursprungs sind. Zwei Jahrhunderte lang hatte außer ein wenig Ascheregen keine ernsthafte Eruption stattgefunden. Obwohl es im Mai 1902 genügend Anzeichen für eine Eruption gab, wurde die Stadt nicht evakuiert. Am Morgen des 8. Mai, um 7.52 Uhr erreichte die tötliche Glutwolke die Stadt und löschte das Leben fast der gesamten Einwohnerschaft von 29.000 Menschen aus. Zwei überlebten das Unglück. Die Menschen starben an Verbrennungen und erstickten an den Gasen.

Diese Eruption hatte eine gute Seite: sie gilt als die Geburtsstunde der Vulkanologie als eigenständige Wissenschaft. Die Eruption und die nachfolgend stattfindenden Eruptionen wurden gründlich untersucht.

Durch die meist sehr rasene Druckentlastung bei der Exposion bildet sich eineSuspension von glühenden Materialien aller Größen in dem sich ausdehnenden Gase, eine Glutwolke. Diese Mischung ist so schwer, daß sie nicht wie eine Eruptionswolke nach oben steigen kann, son dern der Landschaftoberfläche folgt.

Schlämmerung

„Ground“-surge

Einmischung des Luftes

UGas

m•g=(-Gas)•4/3••R³

2R

F=6••µ•R•UGasF=6••µ•R•V

V=2/9• (-Gas)•R²/µ-UGas•sin

Partikelgrößen mit der Bedingung:Vt>V>Vmf werden vollständig fluidisiert

Vmf

Vt

Bei den pyroklastischen Strömen kommt zu der geschwindigkeit noch eine geringe Viskosität. Heiße Gasen bilden mit im Strom erhaltenen Schwebstoffen wie z. B. kleinen Bimspartikeln ein Art Schmiermittel für die größeren Klasten. Dadürch verhält sich der Strom wie eine Flüssigkeit. Bevor die größten Partikeln fluidisieren werden, bereits die maximale Fallschwindigkeit der kleinsten Partikel von Gasstromung überschritten ist. Sie verlassen das Gas-Stromsystem (Schlämmerung).

Colima, Mexico

Pyroclastic flow from Galunggung. Photograph by John Dvorak, U.S. Geological Survey, June 19, 1982.

Mt. Pelée, Martinique, 8. Mai 1902

Mount Pelée, Martinique, 8. Mai 1902

Montserrat, 1997

Pyroklastische Strom

(r) ist Dichte des Strommaterials, S ist Sedimentationsrate,ist Aufnahmekoeffizient des Luftes, ist Dichte des Luftes

r

hU(r)

U(r) ist laterale Geschwindigkeit, ist Hangwinkel

r

h

r+rU(r+r)

S

r+r)•h•(r+r)•U(r+r)•t

- r•h•(r) )•U(r)•t =

Massebilanz durch seitliche Oberfläche

r•r••St =Massebilanz durch obere und untere Oberflächen

Srrudr

hrrurd

)(

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f

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Su

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cos)(

2

1

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2

2

2

Massebilanz

Bilanz des mechanischen Momentum

1. Positive Beschleunigung - negative Beschleunigung wegen Dickeverlust

2. Negative Beschleunigung wegen Dichteverlust

3. Negative Beschleunigung wegen Reibung

4. Negative Beschleunigung wegen Sedimentation

TCS

pTCrru

rur

pTCrhrur

dr

d

S

ag

g

)(

)(2

1

)()()( 2

Energiebilanz

1. Thermische Energie des pyroklastischen Stromsmaterials

2. Kinetische Energie des Stromsmaterials

3. Thermische Energie des aufnehmenden Luftes

4. Verlust des thermischen Energie durch die Sedimentation

Dichte der pyroklastischen Mischung

11

S

n

p

TRn

3

2

)(

)(

ur

grhu

u

hgRi

1. Potenzielle

Energie des Stroms

2. Kinetische Energie des Stroms

h

uf

h

u

r

uR

dr

rduR ii

...sincos

)(1

1. Ri<1 super-kritische Strom

2. Ri>1 sub-kritische Strom

3. Ri=1 kritische Strom

Monserrat, July, 1997

15 sek

30 sek

40 sek

60 sek

5 min

22. Juni 1980

Mount St. Helens

7. August 1980, Mount St. Helens

22. Oktober 1980 Mount St. Helens

Pyroclastic flow, August, 1986, flowing down valley from St. Augustine volcano, Alaska.

Ignimbritische und Coignimbritische Glutwolke

Der Colima liegt wie alle Vulkane Mexikos über einer Subduktionszone. Hier taucht die Cocos-Platte mit einer Geschwindigkeit von rund 6 cm pro Jahr unter die Nordamerikanische Platte in den Erdmantel hinab. Die abtauchende Platte wird in der Tiefe aufgeheizt und gibt im Gestein gefangenes Wasser ab. Dieses Wasser setzt die Schmelztemperatur der Gesteine im umgebenden Erdmantel herab, die so teilweise aufschmelzen.