Präsentation Geothermie und Allg. Hydrogeologie Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch Präsentation Geothermie und Allg. Hydrogeologie Yellowstone – Geysire und Vulkanismus Ein Vortrag von Sascha Ries

Gliederung 1. Einführung und Grundbegriffe 1.1 Geysire - Eigenschaften - Klassifikation - Falsche Geysire - Vorkommen 1.2 Vulkanismus - Plattentektonik - Klassifizierung 2. Der Yellowstone Nationalpark 2.1 Grundlegende Informationen 2.2 Geysire im Nationalpark 2.3 Der Yellowstone Supervulkan

Eigenschaften von Geysiren Das Wort Geysir stammt von dem alten isländischen Verb „gjose“ – ausbrechen , erruptieren Begriff bezieht sich auf eine heiße Quelle, die in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen explosionsartig einen Teil oder den gesamten Inhalt ihres Reservoirs explosionsartig ausstößt Dazu sind spezielle geologische Bedingungen notwendig Geysire sind von 4 Faktoren abhängig: Wärmequelle (Plume) Wasserreservoir Wasserversorgung in Form eines Grundwasserleiters Öffnung+Verengung zum Leitungssystem Strokkur Geysir, Island

Eigenschaften von Geysiren (2) Funktionsweise: Zunächst füllt sich das Leitungssystem (Wasserreservoir) mit Grund- und Sickerwasser Das Wasser im Leitungssystem erwärmt sich durch die Wärmequelle im Erdinneren (bspw. Magmakammer) Durch den Druck der darüber stehenden Wassersäule siedet das Wasser zunächst nicht (Siedepunktserhöhung) Erst nachdem Temperatur des Wasserreservoirs über den Siedepunkt gestiegen ist, steigen Dampfblasen durch die Engstelle des Kanals und pressen einen Teil der Wassersäule nach oben Rapider Druckabfall im unteren Teil der Wassersäule => schlagartiger Übergang von überhitztem Wasser im Dampf

Eigenschaften von Geysiren (3) Ausbruch des Strokkur Geysir in Island (Heißwassertal Haukadalur) Höhe: 25-35m ; Intervall: 3-5min Quelle: Youtube

Klassifikation von Geysiren Nach Rinehart gibt es 6 verschiedene Reservoirtypen: Quelle: Rinehart, John S.: Geysers and Geothermal Energy

Klassifikation von Geysiren (2) Nach Rinehart gibt es 6 verschiedene Reservoirtypen: Typ A: unterirdisches Reservoir mit langem Eruptionskanal verbunden, welcher oberirdisch in einem nicht getauchtem Kegel mündet (Cone Typ). Regelmäßige, lange Eruptionen mit hoher Eruptionssäule als Wasser- und Dampfstrahl (Bsp.: Old Faithful im Yellowstone Park). Typ B: Tiefer, enger Eruptionskanal ohne unterirdische Kammer mit nahezu ebener Mündung. Kurze heftige Eruptionen (Bsp.: Round-Geysir im Yellowstone Park). Typ C: Ähnlich Modell A, jedoch Mündung des Eruptionskanals knapp unter der Wasseroberfläche eines Teiches. Eruptionen wie Modell A aber mit gestörtem Wasserstrahl (teilw. hochgeworfene Wasserschwalle) Typ D: Ähnlich Modell C, jedoch münden in den Eruptionskanal mehrere Seitenkammern. Meist eine Serie von Eruptionen mit unregelmäßigen kurzen Pausen und Gruppen von Ausbrüchen.

Klassifikation von Geysiren (3) Nach Rinehart gibt es 6 verschiedene Reservoirtypen: Typ E: Eruptionskanal führt von einer großen unterirdischen Kammer in einen Teich. Lange, meist regelmäßige Eruptionen mit niedriger Eruptionssäule in Form eines Wasserschwalls. Typ F: Tiefer, langer Eruptionskanal mündet in einem Teich. Eruptionsverhalten wie Modell E

Klassifikation von Geysiren (4) Des Weiteren gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten von Geysiren: Kegel- oder düsenartigen Geysir (engl.: Cone or Columnar Geyser): - schmaler Wasser- und Dampfstrahl - kein oder nur sehr kleiner Teich (keine Beeinflussung des Wasserstrahls) - Ausgeworfene Wasser darf sich nicht im tieferem Becken über dem Eruptionskanal sammeln - Reservoirtyp A oder B (Bsp.: Old Faithful im Yellowstone Nationalpark) Old Faithful, Yellowstone

Klassifikation von Geysiren (5) Des Weiteren gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten von Geysiren: Springbrunnenartiger Geysir (engl.: Fountain or Pool Geyser) - befinden sich in einem Teich - Eruption in einem Schwall anstatt eines scharfen Strahls - Mehrere Ausbrüche innerhalb einer Eruption - Reservoirtyp D bis F (bspw.: Grand Geysir im Yellowstone Nationalpark Grand Geysir, Yellowstone

Falsche Geysire Künstlicher Geysir: Kaltwassergeysir: Anbohren von Höhlen oder Aquiferen mit ausreichender Grundwasserversorgung in geothermisch aktiven Gebieten Bsp.: Old Faithful of California oder Soda Springs in Idaho Kaltwassergeysir: Druck im Eruptionskanal nicht durch Wasserdampf sondern durch plötzlich ausperlendes Kohlendioxid (in Wasser gelöst oder in Höhlen austretend) In Deutschland: Geysir Andernach (mit 60m höchster Kaltwassergeysir der Welt, Intervall ca. 100min); Wallende Born (Höhe 2-4m, Intervall ca. 35 min) Kontinuierlich ausbrechender Geysir: Im eigentlichen Sinn Thermalquelle, welche ständig heißes Wasser und Wasserdampf ausstößt Bsp.: Fly Geyser von Gerlach in Nevada

Vorkommen von Geysiren Insgesamt 6 größere Geysirfelder: USA – Yellowstone Natinalpark: ca. 300 aktive Geysire Russland – Kronozki Nationales Biosphärenreservat Kamtschatka: das Tal der Geysire mit ca. 200 aktiven Geysiren Neuseeland – Nordinsel: 51 aktive Geysire Chile – El Tatio: 38 aktive Geysire Island – Haukadalur: 26 aktive Geysire USA – Alaska (Umnak Island): 8 aktive Geysire Daneben existieren vereinzelt Geysire in: USA (Nevada, Kalifornien, Oregon), Papua-Neuguinea, Neubritannien, Indonesien, Peru, China, Fidschiinseln, Japan, Kenia, Äthiopien, Bolivien, Myanmar

Vorkommen von Geysiren (2) World Geysir distribution, Quelle: Wikipedia

Vulkanismus – Plattentektonik Beschreibt die großräumigen tektonischen Vorgänge in der Lithosphäre (Erdkruste und oberster Erdmantel) Aufgrund Mantelkonvektion: Wärme- transportmechanismus zwischen Oberfläche und Erdkern Durch Bewegung der Lihosphären- platten ergeben sich geologische Phänomene Entstehung von Faltengebirgen, Tiefseerinnen, die wiederum zu sekundären Phänomenen wie Erd- beben und Vulkanismus führen Aufbau der Erde, Quelle: Planet Wissen

Vulkanismus – Plattentektonik (2) Lithosphäre in sieben große (Kontinentalplatten) und weitere kleine Platten gegliedert An den Plattengrenzen gibt es 3 Bewegungen: Divergierende Platten: Platten driften auseinander  Neubildung von Lithosphäre (Vulkanismus und Erdbeben) Konvergierende Platten: bewegen sich aufeinander zu (Überschiebung)  Subduktionszone hat Gebirgsbildung zur Folge Konservative Platten (Transformstörung): Platten gleiten ruckartig aneinander vorbei (Erdbeben) Lithosphärenplatten, Quelle: Wikipedia

Klassifizierung von Vulkanen Anhand der Plattenbewegungen können Vulkanen nach dem jeweiligen tektonischen Ort klassifiziert werden: Vulkanismus auf mittelozeanischen Rücken Intraplattenvulkanismus/Hot-Spot-Vulkanismus Seamounts/Vulkaninseln Intrakontinentale Vulkane Vulkanismus in Subduktionszonen

Klassifizierung von Vulkanen (2) Klassifizierung auch morphologisch möglich: Vulkantyp Eigenschaft Tafelvulkan Flache und breite Oberflächenform; sehr steile Wände Schildvulkan Dünnflüssige und schnell fließende Lava; Hawaii-Inseln Schichtvulkan (Stratovulkan) Einzelne Schichten von Lava und Lockergesteinen; steile und spitzkegelige Form Schlackenvulkan (Aschenvulkan) Niedrige Höhe und regelmäßige konische Form mit steilen Flanken Caldera (inkl. Supervulkane) Einbruchs- oder Explosionskrater; Supervulkane zeichnen sich durch besonders große Calderen aus (Yellowstone) Vulkandome (Staukuppe) Hügelförmige Erhebung (Lavanadel) durch Eruption sehr zähflüssiger Lava entstanden Maar Trichterförmige Mulde vulkanischen Ursprungs; Wasserdampfexplosion Klassifizierung morphologisch, Quelle: Wikipedia

Klassifizierung von Vulkanen (3) Klassifizierung auch morphologisch möglich: Schildvulkan Lavadom Schichtvulkan Schlackenvulkan Caldera Maare Tafelvulkan

Vorkommen von Vulkanen Vulkane der Erde, Quelle: Global Volcanism Program

Vorkommen von Vulkanen (2) Die größten und berühmtesten Vulkane: Ätna auf Sizilien – der am häufigsten ausbrechende Vulkan Mauna Loa auf Hawaii – größte aktivste Vulkan der Welt (4170m ü. NN) Mauna Kea auf Hawaii – größte inaktive Vulkan der Welt (4205m ü. NN) Aconcagua in Argentinien – größte Vulkan auf dem Festland (6959m) Nevado Ojos del Salado in Chile – zweitgrößte Vulkan (6893m) Vesuv in Neapel – Kammer in 5km tiefe Stromboli nahe Sizilien – letzter Ausbruch 2002 Kilimandscharo in Tansania – 5895m Popocatépetl in Mexico – Zwillingsvulkan, letzter Ausbruch 1994

Der Yellowstone Nationalpark – Daten Gründung am 1. März 1872 – älteste Nationalpark der Welt Name stammt vom gleichnamigen Fluss „Yellowstone River“ Lage: Hochebene ca. 2500 m ü. NN Fläche von ca. 8987 km² In den Bundesstaaten Wyoming (96%), Montana (3%) und Idaho (1%) Nord-Süd-Ausdehnung 102km; Ost-West- Ausdehnung 87km Bekannt für seine geothermalen Aktivitäten (Geysire, Schlammtöpfe,etc.) und für seltene Wildtiere (Bisons, Grizzly´s, Wölfe, etc.) Fast 3 Mio. Besucher jährlich Lage des YNP, Quelle: Wikipedia

Der Yellowstone Nationalpark – Karte Karte YNP, Quelle: Homepage des YNP

Geysire im Yellowstone Nationalpark 62% sämtlicher weltweit existierenden heißen Quellen (ca. 10000 Stück) und über 50% der weltweit aktiven Geysire (ca. 300 Stück) befinden sich im Yellowstone Nationalpark Die berühmtesten Geysire im Nationalpark: Geysir Intervall [h] Höhe Eruptionssäule [m] Dauer [min] Sonstiges Beehive-Geysir 18 45-55 4-5 Wasserphase düsenartig Giant-Geysir unregel-mäßi 50-83 Über 60 Wasserphase Giantess-Geysir unregel-mäßig 30-60 5-10 Wasserphase, Bis zu 300 Dampfphase Springbrun-nenartig Castle-Geysir 12,75 20-30 20 Wasserphase, 40 Dampfphase

Geysire im Yellowstone Nationalpark (2) Die berühmtesten Geysire im Nationalpark: Geysir Intervall [h] Höhe Eruptionssäule [m] Dauer [min] Sonstiges Grand Geysir 9,75 50-60 10-12 Wasserphase, mehrere Ausbrüche hintereinander Springbrun-nenartig Old Faithful 1,5 30-55 2-12 Wasserphase düsenartig Grotto-Geysir unregel-mäßig 10-13 Über 60 Wasserphase Great-Fountain-Geysir 12 (±2) 30-50 90 Wasserphase, Mit Pausn Quelle: Wikipedia und The Geyser Observation and Study Association (GOSA)

Geysire im Yellowstone Nationalpark (3) Video: Ausbruch des Grand-Geysir im Yellowstone Nationalpark Höhe: 50-60m ; Springbrunnenartig Quelle: Youtube

Geysire im Yellowstone Nationalpark (4) Video: Ausbruch des Beehive-Geysir im Yellowstone Nationalpark Höhe: 45-55m ; düsenartig Quelle: Youtube

Der Yellowstone Supervulkan Die Bezeichnung „Supervulkan“ ist umstritten und nicht klar definiert (Einführung durch BBC Redakteure 1999) Nach h.M.: im Gegensatz zu normalen Vulkanen bauen Supervukane aufgrund der Größe ihrer Magmakammer keine Vulkankegel auf, sondern hinterlassen riesige Calderen im Boden (Vulkanexplosivitätsindex 8) Unter dem Yellowstone Nationalpark lauert ein „schlafender Riese“ Wissenschaftler fanden zahlreiche Tierskelette, die vor 10 Mio. Jahren alle gleichzeitig an einer Lungenkrankheit, ausgelöst durch vulkanische Asche, gestorben waren Ascheschicht von 2 Metern auch im 1600km entfernten Idaho mit gleicher chem. Zusammensetzung  Ausbruch eines gewaltigen Supervulkans

Der Yellowstone Supervulkan (2) Yellowstonecaldera zufällig entdeckt (NASA teste eine neue Infrarotkamera zufällig über dem Park) Mit 45x85 km eine der größten Calderen der Welt Hot-Spot unter dem Yellowstone Park, der Magma in die Nähe der Erdoberfläche fördert (seit 17 Millionen Jahren aktiv) Magmakammer: 60km lang, 35km breit und 8-10km mächtig In normalen Zeiten sorgt diese für das enorme hydrothermale System von heißen Quellen und Geysiren Wenn der Druck jedoch zu sehr ansteigt, kann es zu enormen Eruptionen kommen In den vergangenen 2,1 Millionen Jahren detonierte der Yellowstone-Hot-Spot dreimal, zuletzt vor ca. 640000 Jahren

Der Yellowstone Supervulkan (3) Die drei calderaformenden Ausbrüche: Tuff-Name Alter (Mill. Jahre) Eruptions- Volumen (km³) Betroffene Fläche (km²) Caldera- Gösse (km) Caldera Name Lava Creek Tuff 0.64 1,000 7,500 85 x 45 Yellowstone caldera Mesa Falls Tuff 1.3 280 2,700 16 km Henry's Fork caldera Huckleberry Ridge Tuff 2.1 2,450 15,500 75-95 x 40-601 Big Bend Ridge, Snake River, and Red Mountains caldera segments

Der Yellowstone Supervulkan (4) Yellowstone Caldera, Quelle: survival.4u.org

Der Yellowstone Supervulkan (5) Ablauf eines Yellowstone-Ausbruchs: 1.Phase: - Anheben der gesamten Region (Uplift) - Dadurch radial angeordnete Risse aus denen Lava quillt - langsamer Prozess 2.Phase: - Druckerhöhung in der unteririschen Magmakammer - Eruption (mehrere Wochen) - Bruch des „Daches“ der Magmakammer – Bildung einer Caldera 3.Phase: - Wiederauffüllung der Magmakammer - Caldera steigt allmählich wieder an - Aus den Bruchkanten steigt Lava in vielen kleineren Eruptionen

Der Yellowstone Supervulkan (6) Momentane Entwicklung: Gravimetrische Untersuchen (Universität Utah) ergaben einen Anstieg des Bodenlevels um 18cm zwischen 2004 und 2006 (derzeit 5-8cm/a) Anstieg der kleineren Erdbeben seit 2009 von 12/Tag auf bis zu 500/Tag gestiegen Jedoch: Momentan Magma in sicherer Tiefe von rund 10 Kilometern (erst ab 2-3km Tiefe problematisch) Einige Wissenschaftler befürchten Ausbruch in den nächsten 10-100000 Jahren (sehr ungewiss), viele geben jedoch Entwarnung für die nähere Zukunft (1000 Jahre) Folgen: - Ausgestoßene Asche und Schweloxyd vergiften Atmosphäre ⟶ Temperatursturz - Dezimierung der Bevölkerung an den Rand der Ausrottung Magmakammer, Quelle: wildlife-extra.com

Danke für Eure Aufmerksamkeit

Quellen Richter, Wolfgang und Lillich, Wolfgang: Abriß der Hydrogeologie; Stuttgart 1975; E. Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlung Rinehart, John S.: Geysers and Geothermal Energy; USA 1980; Springer-Verlag New York Rothe, Peter: Die Erde – Alles über Erdgeschichte, Plattentektonik, Vulkane, Erdbeben, Gesteine und Fossilien; Darmstadt 2008; WBG Schmincke, Hans-Ulrich: Vulkanismus; Darmstadt 2009; WBG Wikipedia: Geysir, Yellowstone(Vulkan) USGS (U.S. Geological Survey)– Yellowstone Volcano Observatory Youtube: Der Yellowstone Nationalpark (Doku), Der Yellowstone-Supervulkan (Doku), Geysire National Park Service – Homepage des Yellowstone Nationalparks (http://www.nps.gov/yell/index.htm)