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Vorlesung 4 Pyroklastische Ströme.. Pyroklastische Ströme stellen eine heiße Feststoff-Gas Dispersion dar, die sich hangabwärts bewegt. Sie können hohe.

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1 Vorlesung 4 Pyroklastische Ströme.

2 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 L H Heim-Koeffizient ~ H/L

3 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 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.

4 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.

5 Dünnschliffbild eines Schmelztuffs (Ignimbrit): In einer glasigen, verschweißten Grundmasse "schwimmen" zahlreiche Kristalle. Bildbreite ca. 7 mm. Massiger Ignimbrit aus der nordchilenischen Westkordillere.

6 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.

7 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 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.

8 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

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10 U Gas mg=( - Gas )4/3 R³ 2R F=6 µRU Gas F=6 µRV V=2/9 ( - Gas )R²/µ-U Gas sin Partikelgrößen mit der Bedingung:V t >V>V mf werden vollständig fluidisiert V mf VtVt 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).

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12 Colima, Mexico

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

14 Mt. Pelée, Martinique, 8. Mai 1902

15 Mount Pelée, Martinique, 8. Mai 1902

16 Montserrat, 1997

17 Pyroklastische Strom

18 (r) ist Dichte des Strommaterials, S ist Sedimentationsrate, ist Aufnahmekoeffizient des Luftes, ist Dichte des Luftes r h U(r) U(r) ist laterale Geschwindigkeit, ist Hangwinkel

19 r h r+ r U(r+ r) S r+ r)h (r+ r)U(r+ r) t - rh (r) )U(r) t = Massebilanz durch seitliche Oberfläche r r S t =Massebilanz durch obere und untere Oberflächen f

20 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

21 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

22 Dichte der pyroklastischen Mischung 1. Potenzielle Energie des Stroms 2. Kinetische Energie des Stroms

23 1. R i <1 super-kritische Strom 2. R i >1 sub-kritische Strom 3. R i =1 kritische Strom

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26 Monserrat, July, 1997

27 15 sek 30 sek 40 sek 60 sek 5 min 22. Juni 1980 Mount St. Helens

28 7. August 1980, Mount St. Helens

29 22. Oktober 1980 Mount St. Helens

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

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32 Ignimbritische und Coignimbritische Glutwolke

33 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.

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