Vorlesung 8 Physik der Magmakammer und Caldera. Magmakammern sind große Aushöhlungen im Vulkan, in denen sich das Magma sammelt und differenziert.

Magmakammer Beendet ein Magmenkörper seinen Aufstieg (vorläufig) durch die Erdkruste, nennen wir die so entstandene Magmenansammlung Magmakammer. Erstarrt das Magma in der Erdkruste entstehen Plutone (Tiefengesteinskörper), die z.T. später durch Erosion der oberen Gesteinsschichten freigelegt werden (z.B. Yosemite N.P. USA). Andere Magmenkammern schaffen sich ein Fördersystem an die Erdoberfläche, wo das Magma als Lava ausfließt und Vulkane bildet.

Die Bildung des Magmas Vulkanismus ist grundsätzlich an aktive Schwächezonen der Erdkruste gebunden. Denn zur Bildung eines Magmas muss das feste Gestein aufgeschmolzen werden. Der Schmelzpunkt der Gesteine wird unter statischen Bedingungen in der Erdkruste aber nicht erreicht, obwohl die Temperatur mit der Tiefe zunimmt. Der Schmelzpunkt hängt nämlich vom Druck ab und steigt mit zunehmendem Druck, also mit zunehmender Tiefe in der Erdkruste. Beträgt der Schmelzpunkt beispielsweise an der Erdoberfläche etwas über 1 000 °C (Basaltlava hat diese Temperatur), so ist er in 100 Kilometer Tiefe auf etwa 1 500 °C angestiegen.

Es gibt also drei Situationen, bei denen Gestein in der Astenosphäre schmelzen kann: a. Durch zunehmende Temperatur bei gleich bleibendem Druck von oben und gleich bleibender chemischer Zusammensetzung des Gesteins. b. Durch nachlassenden Druck von oben bei gleich bleibender Temperatur und gleich bleibender chemischer Zusammensetzung des Gesteins. c. Durch Veränderung der chemischen Zusammensetzung des Gesteins bei gleich bleibendem Druck und gleich bleibender Temperatur. Und wenn das Gestein geschmolzen ist, nennt man es Magma. Das kommt aus dem Griechischen und bedeutet so viel wie „geknetete Masse“.

"Schmelzpunkt" heißt dabei nicht, dass sich das gesamte Gestein verflüssigt. Zur Bildung einer beweglichen Gesteinsschmelze reicht es, wenn 2 Prozent verflüssigt sind (eine so genannte partielle Schmelze). Durch die Druckentlastung beim Aufstieg des Magmas schmilzt das Gestein weiter auf, an der Oberfläche kann eine fast vollständige Aufschmelzung erreicht sein.

Sedimentationsgeschwindigkeit Kristalle leichter als Schmelz tauchen nach oben auf Kristalle schwerer als Schmelz sinken auf dem Boden Kumulative Schichte der Kristallen Prinzipien der gravitativen Differenziation in einer Magmakammer

Magmenkammern können in verschiedene Bereiche unterteilt werden, die von der Temperatur, der Viskosität und des Kristallgehaltes abhängig sind. Die Magmakammer ist der eigentliche Ort der Magmendifferentiation, einem Prozess bei dem aus einem „chemisch primitiven“ Primärmagma ein chemisch differenzierteres „reiferes“ Derivatmagma entsteht.

Ausgangsmagma Folgemagma Wenn nur Olivin kristallisiert Wenn Olivin, Klinopyroxen, Magnetite und Plagioklas kristallisieren zusammen

Fraktionierte Kristallisation im Verlauf der Magma-Differentiation in einem Magmakammer.

Entwicklung des Wassergehalts (a), der Dichte (b) und der Viskosität (c) des Magmas bei fraktionierter Kristallisation. Fraktionierung

Veränderung der Magmadichte mit dem Grad der Differentiation. Auswirkung der Kristallisation wasserfreier Pyroxene oder wasserhaltiger Amphibole, und der späteren Umwandlung von Amphibolen in Pyroxene auf Wassergehalt eines Magma.

Bei bestimmten Temperatur-Druckbedingungen kristallisieren Mineralien bestimmter chemischer Zusammensetzung aus der Schmelze. Diese steigern zum Boden der Kammer und bilden ein Kumulat. Auf jeden Fall entziehen sie dem Magma bestimmte chemische Komponenten. Die Restschmelze hat nun eine etwas andere -differenziertere- Zusammensetzung. Aus dieser Restschmelze kristallisieren wieder bestimmte Mineralien anderer chemischer Zusammensetzung. Auf diese Weise kann aus einem Basaltmagma ein chemisch total verschiedenes rhyolithisches Magma entstehen.

Ablagerungen des vor 12 900 Jahren eruptierten Laacher-See-Vulkans Ablagerungen des vor 12 900 Jahren eruptierten Laacher-See-Vulkans. Untere helle phonoilitische Tathraablagerungen entspricht oberen Teil des ursprunglichen Magmakammers

Grenze zwischen Andesit und Dazit Crater-Lake-Vulkan, Oregon (USA). Helle Dazite im unteren Bildteil (ursprünglich oberer Teil der Magmasäule) und dunkle Andesite im Oberteil spiegeln die chemische Zonierung der Magmakammer in umgekehrter Reihenfolge wider.

Einbruch- oder Einsturzcaldera Bildung von Caldera oder Ringstruktur Die Ringspalten reißen auf. Die plötzliche Druckentlastung führt zu einem Aufschäumen des Magmas, das in Form gewaltiger, heißer Bims- und Asche-ströme aus den Ringspalten gepreßt wird, während der Zentralbereich des Dachs der Magmakammer wie ein Kolben in diese einsinkt. Eine Caldera ist also kein zu groß geratener Explosionskrater, sondern entsteht beim Einbruch des Daches in eine Magmakammer. Einbruch- oder Einsturzcaldera

Die andere mögliche Ursache liegt in einem explosiven Ausbruch, der einen Teil des Vulkanaufbaus wegsprengt und eine so genannte Explosionscaldera hinterlässt. Ein Beispiel dafür ist der Ausbruch des Krakataus in Indonesien. Manchmal füllt sich die Magmakammer unter einer Einsturzcaldera wieder auf, und durch neuerliche Magmenförderung baut sich in der Caldera wieder ein Vulkankegel auf (z. B. beim Vesuv). Manchmal bilden sich in den Calderen Seen. Bekannt ist hier vor allem der Crater Lake in Oregon. Er hat einen Durchmesser von acht Kilometern und wurde durch den Einsturz des Schichtvulkans Mount Mazama in vorgeschichtlicher Zeit gebildet.

Ringkomplexe Schematische Entwicklungsstadien eines Calderakomplexes und Aschenstromeruption. Vor dem Kollaps entwickelt sich kleinere Stratovulkane meist intermediärer Zusammensetzung über kleineren, oberflächennähen Magmakammern. Nach der Eruption der Aschenströme und des damit einhergehenden Calderaeinbruchs füllt sich das Calderabechen mit aufgestauten Aschenströmen.

Während des späten Calderastadiums wird der Zentralteil hochgedruckt (Resurgenz) und partiell tektonisch durch Einbruch zerstückelt. Intrusionen und Sedimentakkumulationen in dem ringförmigen Graben zwischen zentraler Aufwölbung und dem durch gravitativen Kollaps modifizierten Rand schlißen einen Calderazyklus ab.

Eine weitere wichtige Voraussetzung für die Bildung vulkanischer Magmen ist ein sehr geringer Wassergehalt. Nur wasserarme oder -freie Silikatmagmen schmelzen bei abfallendem Druck weiter auf. Diese Verflüssigung begünstigt den weiteren Aufstieg. Wasserreichere Magmen werden bei abnehmendem Druck zäher, bleiben so in tieferen Teilen der Erdkruste stecken und bilden Plutone. 1. Gebirge, 2. Kruste, 3. Grenze Kruste-Mantel, 4. Mantel, 5. Bereich der Krustenverdickung, 6. Blattverschiebung mit angrenzendem Pluton (nach Abtragung der Deckschichten), 7. Diapir, 8. Bereich des Muttergesteins mit basaltischen Lagergängen (Sills), 9. Pluton, von einem Dike gespeist, 10. Basaltquelle an der Kruste-Mantel-Grenze.

Wenn die Lava zur Oberfläche aufsteigt, dringt sie in das Vulkangebäude entlang von Schwächezonen (Lavastromränder, Verwerfungen, ... ) ein und nimmt in seinem Form von Intrusionen Platz. Necks sind einstige vulkanische Schlotfüllungen. Vertikale, radiale oder ringförmige Spalten im Vulkanbau werden als Dikes bezeichnet. Sills nennt man horizontale Intrusionen.

1.Wegen des Abkühlungsprozeß eines Magmakammers in der Kruste nimmt der Dichte von Magma zu und der Auftriebskraft nimmt ab. 2. Kristalle beginnen zu keimen und mit der Zeit wachsen. 3. Manche Kristalle sind schwere als Magma, sie sinken auf den Boden und bilden eine „Kumulus“ -Schichte. 4. Während dauernder Kühlung sinkt die Temperatur weiter ab und anderer Typ von Kristallen lagern auf den Boden ab. 1 2 4 3

5. Mit der zunehmender Zeit fast ganze Magmakammer ist erstarrt worden und die sortierende nach seiner Dichte Kristalle in ganz parallele Schichten abgelagert werden. Die Reste von Schmelzen einhalten Wasser als gelöschte Gas-Komponente. 6. Das Wasser läßt sich frei von den Kristalle und beginnt eine Zirkulation in den Mikrorissen. 7. Im Wasser oder Fluide-Phase sind viele metallische Ionen, z. B. Gold, Silber etc. 8. Temperatur der Fluiden nimmt stark ab bei einer Entfernung vom Magmakammer. Die Mineralien eingereichende mit verschiedenen Metallen beginnen zu kristallisieren.

Magmakammer an der Achse eines Mittelozeanischen-Rücken

Der Schmelzpunkt wird entweder durch Druckverminderung erreicht, wie er durch tektonische Schwächezonen (siehe unten) verursacht wird, oder durch Temperaturerhöhung, die z. B. durch einen so genannten mantle plume erklärt wird. Diese mantle plumes sind aus dem untersten Erdmantel aufsteigende Konvektionsströme, die im Grenzbereich zwischen Mantel und Kruste zu Temperaturerhöhungen und daher zu Aufschmelzungen führen können. Oberhalb der mantle plumes können sich die so genannten Hot-spot-Vulkane bilden.

Magmakammermodelle in einem Querschnitt eines Rückens mit einem hohen Spreizungsraten und hohem Magmanachschub. Nach diesem Modell sind enge, langergangähnliche Magmenkörper 1-2 km unter der Rückenachse, die nach unten in eine partiell erstarrte Kristallbreizone (mehr als 50% Kristalle) übergehen, die von einer Übergangszone aus erstarrtem, aber noch heißem Gabbro umgeben ist. Kristallbrei Übergangszone

Struktur einer Magmakammer unter mittelozeanischen Rücken mit schnellen (oben) und langsamen (unten) Spreizungsraten.

Struktur der Magmakammer an der Mittelatlantischen Rücken

Siesmische Daten. Auf dem nördlichsten Abschnitt von Profil 28 ist eine linsenförmige seismische Struktur weit unterhalb der Meeresbodenreflexion abgebildet. Die Struktur erscheint bei einer Zweiweglaufzeit von ca. 0.8s unterhalb des Meeresbodeneinsatzes und setzt sich aus mehreren Diffraktionshyperbeln zusammen.

Das Verfahren zählt zu den aktiven elektromagnetischen Verfahren im Zeitbereich. Mit einem Sender wird ein elektrischer Strom in die Erde eingespeist, der in regelmäßigen Abständen umgepolt wird. Das abrupte Umschalten erzeugt Induktionsströme, die sich in den Untergrund ausbreiten. Die Geschwindigkeit der Ausbreitung hängt von der Leitfähigkeitsstruktur des Erdbodens ab. Die Induktionsströme erzeugen ein elektromagnetisches Feld, welches in mehreren km Abstand vom Sender gemessen wird. Durch Auswertung der gemessenen Spannungskurven mittels mathematischer Inversionsverfahren läßt sich dann ein Bild von der Leitfähigkeitsstruktur des Untergrundes gewinnen.

Elektro-magnetische Sondierung Magmenreservoire können sehr unterschiedlich aussehen. Wenn hier von Magmenkörpern die Rede ist, heißt es hoch lange nicht das tatsächlich immer ein in sich geschlossener Körper vorliegt. Manchmal sieht ein Magmakammer als einen Schwammkörper aus.

Schematische 3-D Darstellung des Kilaueas-Vulkans und seine Hauptriftzonen. Magma steigt aus dem oberen Mantel auf und druckt das Vulkandachrings um die Gipfelcaldera hoch.