Vorlesung 9: Phreatische und Phreatomagmatische Eruptionen

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1 Vorlesung 9: Phreatische und Phreatomagmatische Eruptionen
Diese Krater am Myvatn, Nordisland, entstanden durch phreatische Eruptionen, als sich ein Lavastrom in den See ergoss.

2 Kommt Magma mit Wasser in Berührung, so wird dieses augenblicklich verdampft und dehnt sich dabei explosionsartig aus. Der so gebildete Wasserdampf bildet eine isolierende Schicht zwischen Magma und Wasser, weshalb der Kontakt von Wasser und Magma allein nicht zu Explosionen führt. So kann man auf Hawaii beobachten, dass Lava relativ 'friedlich' ins Meer fließt. phreatische Eruption = Vulkanische Eruption oder Explosion von Dampf, Schlamm oder anderem Material, das nicht weißglühend ist; diese Eruptionsart geht auf das Erhitzen und dem darauffolgenden Druckanstieg von Grundwasser zurück, die ihrerseits von einer vulkanischen Hitzequelle verursacht werden.

3 Vulkan Santa Maria, Guatemala 1993

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5 Surtsey, Iceland Location: 63.4N, 20.3W Elevation: 174 m

6 RUAPEHU, Neu Seeland PHREATOMAGMATIC ERUPTION

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8 Wechselwirkungen zwischen aufsteigendem Magma und oberflächennahen wasserführenden Schichten. Durch die plötzliche Aufheizung des Wassers und die Entstehung von Dampf mit einem etwa 1000fachen Volumen wird das Nebengestein zertrümmelt und das Magma, das sich intensiv mit den Gesteinsbruchstücken vermischt, abgeschreckt und beides hochexplosiv in dampfreichen Wolken eruptiert. Abhängigkeit der Art der vulkanischen Eruption vom Massenverhältnis Wasser/Magma. Oberhalb eines Wertes 0,1 wird die phreatomagmatische Eruption hochexplosiv.

9 Diatrema Im Falle Phreatomagmatismus findet man einem tieferen tektonischen Stockwerk, in einer Tiefe von 2 bis 2,5 km, ein Diatrema oder ein Pipe. Es hat Gestalt eines Kegels, besitzt einem maximalen Durchmesser etwa von 100 m bis 1,5 km und ist mit einem System tiefliegender Dikes verbunden.

10 Vulkanische Eruption oder Explosion von Dampf, Schlamm oder anderem Material, das nicht weißglühend ist; diese Eruptionsart geht auf das Erhitzen und dem darauffolgenden Druckanstieg von Grundwasser zurück, die ihrerseits von einer vulkanischen Hitzequelle verursacht werden. Mayon, Philippinen Eine phreatische Explosion ereignete sich am 22. Juni 1999 um 16:58 (Lokalzeit; 08:58 GMT). Sie verursachte eine Ausbruchswolke, vorwiegend aus Dampf und wahrscheinlich etwas Asche, die rund 5km hoch über den Gipfel des Vulkans aufstieg. Südwestlich des Mayon gab es etwas Ascheniederschlag. Pressefotos zeigen wahrscheinlich eine Glutlawine an der Süd- oder Südostflanke des Kegels.

11 Voraussetzung für die Bildung von base surges ist also der Magma/Wasser-Kontakt. Solche Eruptionen werden phreatomagmatische Eruptionen genannt. Sie führen typischerweise zur Bildung eines Maars.

12 Tuffringe & Tuffkegel Tuffringe unterscheiden sich insofern von Maaren, als dass sie weniger in den Untergrund eingetieft als "aufgesetzt" sind. Obwohl auch sie das Produkt einer phreatomagmatischen Eruption sind, überwiegt der Anteil des Ringwalls über den Explosionskrater und der Anteil frischen vulkanischen Materials über Nebengestein. Das Verhältnis zwischen Wasser- und Magmamenge und die Tiefe des Grundwassers bestimmen, ob sich ein Maar oder ein Tuffring bildet. Unter noch etwas anderen Bedingungen, jedoch immer noch phratomagmatisch, bilden sich schließlich so genannte Tuffkegel. Da das "Baumaterial" feucht ist, entstehen steilere Flanken als bei den trockenen Schlacken-und Aschekegeln.

13 Base surge Wird die isolierende Dampfschicht zerstört, z. Bsp. durch Schockwellen, so wird die Menge des verdampfenden Wassers erhöht und es kommt zu extrem energiereichen Explosionen. Dabei wird ein spezieller Transportmechanismus aktiv, die 'base surge'.

14 Base Surges wurde erstmals auf Filmen von überirdischen Atomexplosionen beobachtet. Es handelt sich um 'Wolken', die sich an der Basis der Eruptionssäule ringförmig nach aussen bewegen erkannten die geologen Moore, Nakamura und Alcatraz, dass die bei dem Ausbruch des Vulkans Taal in den Philippinen gebildeten Ablagerungen durch den gleichen Mechanismus transportiert wurden. Bei der Untersuchung früherer Eruptionen und der Sichtung alter Fotos konnte festgestellt werden, dass bereits früher base-surges fotographiert worden waren.

15 Base Surge Ablagerungen Ablagerungen von base surges haben einige charakteristische Eigenschaften, an denen sie oft gut identifiziert werden können. Laacher See Ablagerungen

16 Base surge Ablagerungen Transportrichtung
von rechts nach links. Die rein magmatische explosive Entgassung von hochdifferenzierten aufsteigenden Magmasäulen sehr oft durch phreatomagmatische Reaktionen nicht nur eingeleitet, sondern durch diese sogar erst ausgelöst werden kann. Phreatomagmatische, stark zementierte, fein gebänderte grau Tuffe.

17 1. Die „base surge“Ablagerungen weisen eine schlechte Sortierung auf, d.h. sie bestehen aus feinen und groben Komponenten; im gegensatz zu Aschenstromablagerungen sind sie geschichtet. 2. Große Blöcke haben oft keine Einschlagkrater erzeugt (vgl. ballistische Blöcke), d.h. die Blöcke wurden nicht über ballistische Wurfbahnen transportiert sondern durch Horizontaltransport. 3. Häufig sind (Anti-) Dünen ausgebildet, vor allem, wenn das Material nicht allzuviele grobe Blöcke enthält. Sie sind besonders schön in den oberen Laacher Pyroklastika der Laacher See Ablagerungen ausgebildet. 4. Häufig findet sich Kreuzschichtung; da die base surges teilweise auch erosiv wirken, werden ältere Ablagerungen von folgenden surges oft erodiert. 5. Viele base surge Ablagerungen enthalten einen hohen Anteil an Nebengesteinsfragmenten; juveniles Magma (d.h. das für die Eruption verantwortliche Magma) bildet - bedingt durch die Abschreckung beim Wasserkontakt - häufig Blumenkohlbomben, die in der Regel zahlreiche Nebengesteinsfragmente enthalten, Zeugen des 'innigen' Kontakts zwischen Magma und Wasser.

18 Das am Boden transportierte Material lagert sich in Kraternähe meist in relativ dünnen Schichten ab, die das Oberflächenrelief nachbilden und sich in Tälern verdicken. Surge-Ablagerungen treten sowohl massig als auch geschichtet auf und lassen oft schräggeschichtete und dünenartige Strukturen erkennen. Surges gehören zu den zerstörerichsten Folgeerscheinungen eines Vulkanausbruches. Diese Druckwellen können im Nahbereich des Vulkanes als Hochgeschwindigkeits-Lawine auftreten. Sie können aber auch im Randbereich von Glutlawinen und in der Übergangsphase von einer zusammenbrechenden plinianischen Eruptionssäule zur Glutlawine entstehen. Sie kommen auch im oberen Bereich eines Aschestromes vor. Während der phreatomagmatischen Ausbruchsphase des Laacher See-Vulkanes schossen zahlreiche Base-Surges aus dem Kraterbereich, deren Ablagerungen durch eine Schrägschichtung und Dünenbildung auffallen. Sie sind vergleichbar mit den gewaltigen Glutlawinen aus Gas und Asche, die beim Ausbruch des Vulkans Pinatubo (Philippinen, 1991) als Surge mit hoher Geschwindigkeit über das Land hinweggerast sind.

19 Maare: Bei phreatomagmatischen Eruptionen ensteht als typischer Vulkanbau in der Regel ein Maar. Ein Maar ist eine in den prävulkanischen Untergrund eingesenkte Hohlform, die von einem Ringwall, der aus Auswurfmaterial besteht, umgeben ist. Das Volumen des Ringwalls entspricht nicht selten in etwa dem Volumen der Hohlform und in der Tat wird der Ringwall häufig von Bruchstücken der ehemaligen Maar"füllung" aufgebaut.

20 Das Meerfelder Maar Es hat mit 1500 m Durchmesser den größten Maarkessel der Westeifel. Wasserfläche: 24,8 ha Alter: Jahre Nutzung: Angeln, Schwimmen Windsborn-Kratersee bei Bettenfeld Einziger Bergkratersee nördlich der Alpen. Nährstoffarmes Gewässer ohne Zu- und Abfluß mit unter Schutz stehender Vegetation in der Verlandungszone des Sees (Fieberklee, Sumpfblutauge u. a.).

21 Explosive, phreatomagmatische Magma- Wasser-Wechselwirkungen entstehen dann, wenn aufsteigendes Magma mit Grundwasser zusammentrifft. Die thermische Energie eines Magmas verstärkt in die Umgebung wandert. Die kinetische Energie der durch Wasser-Magma-Wechselwirkung entstehenden Explosionen ist viel hohe als bei „trockenen“ magmatischen Eruptionen. Ein Schlackenkagel ist ein steiler Kegel aus Tephra , welche sich um einen Schlot herum ansammeln. Schlackenkelgel sind einige Dutzend bis einige hundert Meter hoch.

22 P=rf•g•z z w=k•rf•g/h x k= 10-12 m² T~800°C z= 10³ m h= 3 10-5 kg/m/s
w=vertikale Geschwindigkeit der Perkolation des Wasserdampfes a= thermische Duffusionskoffezient h = Viskosität vom Dampf rg=Dichte vom Dampf k=Permeabilität der Gesteine P=rf•g•z z w=k•rf•g/h x k= m² z= 10³ m h= kg/m/s rf= 10³ kg/m³ T~800°C d~ 50 m

23 Änderung der Dichte von H2O (g/cm³) in Abhämgigkeit von Druck und Temperatur. Die gestrichelten Kurven stellen drei unterschiedliche geothermische Gradienten dar. Wo trifft das Magma mit dem Wasser? Wenn Wasser bei einem Druck von 1 kbar (3 km unter der Erdoberfläche) auf 1000°C erhitzt wird, vergrößert es sein Volum nur um Sechsfache. An der Erdoberfläche hat Wasserdampf ein etwa 2000mal größeres Volumen als flüssiges Wasser. Die explosive Wirksamkeit beschränkt sich auf die obersten m.

24 Wenn P ist innere Druck, s ist die normale Spannung in der Umgebung
,wo Kic ist vom 0.28 bis 3.75 MN/m 3/2, st  MPa

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27 A B

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29 Wobei ec ist die achsialische Deformation der Platte, ef ist die Biegungsdeformation. Beim Bruch ec ~ef