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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Vulkanismus
Vielen Dank Vielen Dank
für für
Ihre Aufmerksamkeit!Ihre Aufmerksamkeit!
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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