Vulkanismus Matthias Günther

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 Matthias Günther

1. Vulkantypen (morphologisch) Tafelvulkan: subglaziale Entstehung Schildvulkane: Vulkane mit sehr dünnflüssiger basaltischer Lava, flach, Hot-Spot- Vulkanismus Herdubreid, Island (Wikipedia) Mauna Loa, Hawaii (Wikipedia) Matthias Günther

1. Vulkantypen (morphologisch) Schichtvulkane (Stratovulkane): Schichtenaufbau, explosive Eruptionen, typisch für Subduktionszonen-Vulkanismus Llaima, Chile, Dezember 2004 Lanín, Argentinien/Chile, März 2008 Osorno, Chile, Januar 2004 Matthias Günther

1. Vulkantypen (morphologisch) Schlackenvulkan (Aschenvulkan) Vulkane ohne Lava-Ausstoß, nur Tephra-Auswurf oft Flankenvulkane größerer Vulkane Lonquimay, Chile, März 2006 Matthias Günther

1. Vulkantypen (morphologisch) Calderen Einbruchs-oder Explosionskrater (oft schwer voneinander zu unterscheiden) Supervulkane sind große Calderen (Yellowstone, Toba-See ) Aniakchak, Alaska (Wikipedia) Quetrupillán, Chile, Januar 2006 Toba-See, Indonesien, 100 x 30km (Wikipedia) Matthias Günther

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) Eifel (Wikipedia) Matthias Günther

2. Materialemission Formen von Materialemissionen in vulkanisch aktiven Zonen: Nichtexplosives Ausgasen nichtexplosiver Ausfluss von Lava explosive Eruption Produkte: Gase Pyroklasten Lavaströme Matthias Günther

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 Matthias Günther

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) Matthias Günther

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 Matthias Günther

2. Ausgasung nichteruptive Ausgasung eruptive (offene) vorrangig Wasserdampf: Ausgasung Schwefelverbindungen: Villarrica, Chile, September 2009 Villarrica, Chile Januar 2005 Puyehue, Chile, März 2009 Matthias Günther

2. Pyroklasten Pyroklasten 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 Strohn, Eifel (Wikipedia) Matthias Günther

2. Lava Lava 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 Matthias Günther

2. Lava Unterscheidung 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 s 1000 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 Matthias Günther

2. Lava Magma hat keine bestimmte Schmelz- bzw. Siedetemperatur, sondern eine Solidus- und Liquidustemperatur Solidustemperatur: Magma ist vollständig erstarrt Liquidustemperatur: Magma ist vollständig geschmolzen Matthias Günther

2. Lava Kristallisation  Magmatische Differentiation schrittweises 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) Matthias Günther

2. Lava Warum kommt es zum Aufschmelzen von Material? Radioaktiver Zerfall als Wärmequelle?  keine ausreichende Wärmeproduktion 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 Matthias Günther

2. Lava Schmelzkurve liegt i.Allg. über der p-T-Kurve Überschneidungen sind unter den folgenden Bedingungen möglich: lokal ansteigende Temperatur sinkender Druck Absenkung des Schmelzpunktes durch Beimischung von Wasser und CO2 Schmincke 2004, 24 Matthias Günther

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 Matthias Günther

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 Matthias Günther

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 Matthias Günther

3. Eruptionen Aufsteigen 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 Matthias Günther

3. Eruptionen Klassifizierung Hawaiianische Eruptionen Strombolianische Eruptionen Plinianische Eruptionen 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 Matthias Günther

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/s Erscheinungsform 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 Schmincke 2004, 56 Matthias Günther

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) Matthias Günther

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) Matthias Günther

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 Meer Interpretation: 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 Matthias Günther

Vulkanismus Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Matthias Günther

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 Matthias Günther