Vulkanismus

I. Einführung
1. Aufbau der Erde

Der Erdkörper besitzt eine Schalenstruktur: Kern (Legierung aus Nickel und Eisen; fester u. innerer Kern, flüssiger u. äußerer Kern), Mantel (Verbindungen von Silizium, Sauerstoff, Eisen u. Magnesium; fest; Erdmantelschichten: Vorrat für Magma), Kruste (zu 60 % aus Silikaten (Verbindungen aus Silizium u. Sauerstoff); Rest: Aluminium, Eisen, Calzium, Natrium, Kalium, Magnesium;

Sima-Schicht (umspannt die ganze Erde; Gabbro od. Basalt; Si, Mg),

Sial-Schicht (beschränkt sich auf die Kontinentalbereiche; Gneis u. Granit; Si, Al, O))



4 große Sphären: Lithosphäre (Gesteinsmantel)

Hydrosphäre (Wasserhülle)

Atmosphäre (Lufthülle)

Ökosphäre (Biosphäre; vom Leben bewohnte Erdbereiche)



4 Großeinheiten der Erdkruste: Ozeanboden (ozeanische Platte; dichte, 5 – 10 km

dicke Gesteinsschicht (Sima), bis zu

1 km von Sedimenten bedeckt; darunter

Peridoditschicht)

Schelfregion (über Peridoditschale Sima-Schicht;

darüber Sial-Schicht; darüber bis zu 5 km

dicke Sedimentschicht aus Abtragungs-

material der Landmassen od. Ablagerungen

von Organismen; Ränder der Kontinente, in

200 m Tiefe)

Kontinentalplatten (Sima: 10 km; Sial: 20 km; Sedimente:

0,5 km, z.B. Sande von alten abgetragenen

Gebirgen; z.B.: Russische Tafel,

Baltischer Schild, Kanadischer Schild)

Faltengebirge (Sediment- und vulkanische Gesteine ca.

5 km hoch; Sial: 25 km; Sima: 35 km; z.B.:

Kaledonisches Gebirge (NW-Europa), Alpen,

Himalaja)

2. Die Tektonik



versucht, ursächliche Zusammenhänge von Entstehung u. Strukturformen der Erdkruste zu erklären.

Unter der erkalteten Erdkruste: die oberen Schichten des Erdmantels kühlen ab, sinken ab, heißere Schichten steigen auf (=Konvektionsströme); durch diese Aktivität werden die Kontinente auseinandergeschoben. Durch das Auseinanderdriften der Kontinentalplatten bilden sich riesige Gräben (Mittelozeanische Rücken), in denen das Magma in Spalten aufdringt und sich als Lava ergießt. Dadurch werden auch ständig neue Kruste (an den Gräben) und Falten- und Deckengebirge (dort, wo die Platten aneinander treffen) gebildet. An diese gebirgsbildende Zonen ist ein bestimmter Typus von Vulkanismus (die dünnflüsssige, basische, aus den Gräben fließende Lava bildet weite untermeerische Decken ohne starke Eruptionen; Vulkanismus der Kettengebirge an den Kontinentalrändern: Magma mischt sich mit saurem Krustenmaterial, es entsteht zähflüssige, gasreiche, hochexplosive Lava) und Erdbebentätigkeit gebunden.





3. Magma und magmatische Steine



magmatische Gesteine (= Tiefengesteine, Plutonite): solche, die aufgrund des Magmatismus entstehen (diesen stehen folgende gegenüber: Sedimentgesteine und metamorphe Gesteine)

plutonische Gesteine: solche, die aus dem Magma entstanden sind (sie konnten nicht die Oberfläche erreichen; es haben sich in der langen Zeit des Erstarrens große Kristalle bilden können; z.B.: Granit) =TIEFENGESTEINE

vulkanische Gesteine: solche, die aus dem ausgeflossenem Magma (=Lava) entstanden sind (Lava erstarrt an der Erdoberfläche viel schneller, daher nur wenige kleine Kristalle vorhanden; z.B.: Porphyr) =ERGUSSGESTEINE (sh. auch Kapitel 4.)

Magmatismus: Vorgänge des Plutonismus und des Vulkanismus

4. Erstarrungsgesteine



Zusammensetzung des Magmas: Si, Al, Fe, Mg, Ca, Na, Ka (in Verbindung mit Sauerstoff als Oxide), Wasser, Kohlendioxid, Salzsäure, Flußsäure, Schwefelsäure, Wasserstoff (bei aktiven Vulkanen meßbar)



2 Haupttypen von Ergußgesteinen:



Mafische Gesteine (sind solche Gesteine mit hoher Dichte); aus dem SIMA, dunkel, Mg-, Fe-, Ca-reich, Si-arm, schwer, sinkt daher leicht ab, basisch, z.B. Basalt, daher der Name basaltisch

Felsische Gesteine; aus dem SIAL, hell, Al-, Ka-, Na-reich, Si-reich, leicht, kommt daher eher in den oberen Bereichen vor, sauer, z.B. Granit, daher der Name granitisch



5. Entwicklung des Magmas



Schwere Teile sinken im zähflüssigen Magma ab und entwickeln sich zu basischen Typen, die Restmasse nimmt sauren Charakter an (diesen Vorgang nennt man magmatische Differentiation); dadurch entstand die Abfolge der verschiedenen magmatischen Gesteinstypen.



6. Vulkanismus an verschiedenen Regionen



¾ der Gesamtoberfläche der Erde besteht aus vulkanischen Gesteinen

man kennt etwa 480 aktive Vulkane auf der Erdoberfläche in folgenden 4 Regionen:



a) alpidische Regionen

Hauptsitz des größten und bedeutendsten Teiles der Vulkane; “Zirkumpazifische Feuerring” (von Neuseeland, über die ostasiatischen Inseln bis zu den Anden im Osten des Pazifiks); “mesogäischer Gürtel” (am Südrand von Eurasien)



b) mittelozeanische Regionen der Zentralgrabenbrüche

hier weichen die Schollen der Erdkruste auseinander, es dringt (meist submarin) ozeanischer Olivinbasalt empor, nur in Island kann man diesen Typus von Vulkanismus über dem Meeresspiegel beobachten



c) Grabensysteme kontinentaler Regionen

z.B. großer Grabenbruch in Ostafrika: Teilplatten werden zerrissen, natronreiches Magma dringt auf

d) Regionen ozeanischer Platten

z.B. Hawaii im Pazifik; “Hot-Spot-Theorie” (Heiße Flecken): an heißen Stellen unter der Kruste kommt erhöhter Wärmefluß hoch, die Kruste schmilzt auf, Auslöser für Vulkandurchbrüche mit basischer Lava



7. Vulkanform und Funktion



1.) aus basischer, heißer, dünnflüssiger Lava können Gase leicht entweichen, sie erreicht Fließgeschwindigkeiten von bis zu 50 km/h.

Nach ihrer Form unterscheidet man folgende Typen von Vulkanen:



– Schichtvulkane (abwechselnd ausgeworfenes Lockermaterial (Asche) und ausgeflossene Lava; z.B. Ätna, Vesuv, Stromboli)

– Schildvulkane (an Kreuzungsstellen von Spalten in der Erdkruste, flacher, aus Lava bestehender Vulkankegel mit zentraler Ausbruchsöffnung; nach dem Ausfließen großer Mengen von Lava kann ein kesselförmiger Krater (=Caldera) entstehen)

– Lineare Lavavulkane (durch Spaltenausbrüche entlang des mittelatlantischen Rückens, sie liefern Deckenergüsse riesigen Ausmaßes)

– submarine Eruptionen (bei Eruptionen in seichtem Wasser: Wasser wird sofort verdampft, dadurch Energie vervielfacht, es kommt zum Ausschleudern von gewaltigen schwarzen Garben; Eruptionen in Tiefen von 2.000 Metern unter dem Meeresspiegel werden durch den Wasserdruck gelindert, Lava fließt deckenförmig aus)



2.) aus saurer, niedrig temperierter, zähflüssiger Lava können Gase nur schwer entweichen, es entsteht hoher Druck;

Form: oft Staukuppen, die solange mit einem Lavapfropfen verschlossen bleiben, bis der angestaute Druck einen kurzfristigen, explosiven Ausbruch mit Aschen- und Bimssteinförderung und Glutwolken erzeugt.



Vulkane, die weder Lava noch Asche, sondern nur Gas hochbringen, können durch eine einzige Explosion Tuffschlote von 100-200 m Durchmesser hervorbringen. In Südafrika sind derartige Schlote oft in einer Tiefe von mindestens 700 m mit Ganggesteinen gefüllt.

8. Ursachen für Vulkanausbrüche



1.) Der Druck in der Magmakammer nimmt allmählich zu, während immer mehr Gase aus der Schmelze entweichen; sobald er zu stark wird erzwingt sich das Magma einen Weg an die Oberfläche

2.) Ein tektonischer Vorgang (Bergrutsch, Verschiebung der tektonischen Platten) erzeugt im Dach der Magmakammer eine Öffnung und bewirkt eine Druckentlastung



9. Postvulkanische Erscheinungen



Fumarolenstadium (sehr heiß, vulkanisches Gas, Wasserdampf (vom erhitzten Grundwasser), Schwefeldioxid, Flußsäure und Salzsäure entweichen weiterhin)

Solfatarenstadium (schon etwas kühler, Wasserdampf, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff treten aus)

Mofettenstadium (kühles Kohlendioxid tritt aus; z.B.: die Maare in Deutschland)



Geysire (heiße Springquellen) sind postvulkanische Erscheinungen (Island, Neuseeland, Yellowstone-Nationalpark in den USA): das sich in einem Schlot sammelnde Grundwasser wird bis über den Siedepunkt erhitzt, die plötzliche Volumsvermehrung führt zum Ausschleudern des Wassers.



Weitere postvulkanische Erscheinungen: Thermalquellen, Mineralquellen, Säuerlinge, Sinterterrassen (z.B.: Thermenlinie vom Wiener Becken aus in Richtung Süden bis Steiermark/Burgenland)



10. Prognose von Vulkanenausbrüchen



– rechtzeitiges Registrieren von Erdbebenherden (zugleich mit dem sich Platz schaffenden Magma)

– das Gebiet rund um den Vulkan bläht sich innerhalb einiger Monate um 0,5-2 m auf (kann mit Neigungsmessern, die in Abständen von 1 km augestellt werden, gemessen werden)

– lokales Ansteigen der Erdwärme (auf Infrarotsatelliten-Photos feststellbar)

– Änderung der Gaszusammensetzung im Krater kurz vor dem Ausbruch



11. Verhinderung von Vulkanausbrüchen



bisher nicht möglich; aber Lavafluß kann durch Dämme, Kanäle und Bombenabwürfe gesteuert werden; auch Fließgeschwindigkeit läßt sich durch Abspritzen der Lavafront mit Wasser vermindern.
12. Nutzung von vulkanischen Tätigkeiten



Geothermale Kraftwerke: erhitztes Wasser in Dampfkraftwerken wird zur Erzeugung von elektrischem Strom verwendet; wenn kein Wassernachschub durch natürlichen Niederschlag vorhanden: das benutzte, abgekühlte Wasser wird wieder in den Untergrund zurückgeführt und kann wieder verwendet werden.







II. Vulkane am Meeresgrund



1. Untersuchungsmethoden von submarinem Vulkanismus

(zur Entdeckung der Strukturen unseres Planeten, zur Ausbeutung neuer, wertvoller Minerallagerstätten)



– Fernerkundung durch Instrumente, die Schiffe im Schlepptau über den Meeresboden ziehen, z.B. “SeaBeam” (wird von einem Schiff in großer Meerestiefe hinterhergeschleppt, erzeugt hochaufgelöste Meereskarte, ermöglicht, große Abschnitte des Meeresbodens in relativ kurzer Zeit zu erkunden: 600 km2 in 3 Tagen)

– Beobachtung vor Ort mit bemanntem Tauchboot (ermöglichen, den Meeresboden direkt in Augenschein zu nehmen)



2. folgende zwei Hauptörtlichkeiten:

a) mittelozeanische Rücken (erstarrendes Mantelmaterial lagert sich an die Ränder der auseinanderdriftenden tektonischen Platten an)

3 Arten von Rücken:

Spreizungsrate (das Tempo, in dem sich die tektonischen Platten auseinanderbewegen)

niedrig (weniger als 3 cm pro Jahr)

Spreizungsrate mittel (zwischen 3 u. 7 cm pro Jahr)

Spreizungsrate hoch (mehr als 7 cm pro Jahr)



b) isolierte Vulkankegel (=Seamounts; liegen meist im Platteninneren, sind kettenförmig aneinandergereiht)



Das am häufigsten gefundene vulkanische Material ist der Basalt (sh. Teil I.4.). Es steigt langsam, in Form von großen Blasen (= Diapire) auf und bleibt in den Magmakammern und Magmakanälen, von denen die vulkanischen Tätigkeiten ausgehen.

3. 2 Arten von submarinen Vulkanausbrüchen:

– Lava quillt aus langgestreckten Spalten am Meeresgrund (an der Grenze tektonischer Platten, wo die Kruste durch das Auseinanderdriften aufreißt), es bilden sich große Lavabecken

– Lava ergießt sich radial aus einem Zentralschlot, erzeugt kegelförmige Strukturen



a) Fladenlava

bei schnell auseinanderdriftenden Platten

besteht aus flachen, dünnen scheiben- und fladenähnlichen Gebilden mit glatter Oberfläche

meistens hohl und parallel zur Oberfläche geschichtet

b) Kissenlava

bei langsam auseinanderdriftenden Platten

bilden kleine, meist hangabwärts ausgrichtete, längliche Buckel; Oberfläche: mit Runzeln quer zur Fließrichtung überzogen (durch mehrere Abkühlungsphasen)



4. Seamounts



Definition: jede isolierte Erhebung des Meeresbodens mit rundem oder elliptischem Querschnitt und einer Hangneigung von 5 – 35 Grad relativ zur Umgebung.

Der Gipfel kann aus einem Krater bestehen. Solche mit einem Durchmesser von über 2 Kilometern sind Calderen; sie können eine Tiefe zwischen 50 und 300 Metern haben; entstehen, wenn die Spitze des Vulkankegels durch die Entleerung des Magmareservoirs nicht mehr genügend Halt hat und deshalb einstürtzt.

Er kann aber auch aus einer Reihe isolierter Vulkankegel bestehen, die zwischen 20 und 100 Meter hoch sind und deren Hänge meist steiler als der des Hauptvulkans sind



An viele Gipfeln überlagern sich allerdings verschiedene Strukturen, was darauf hinweist, daß mehrere Eruptionen an der Entstehung eines Vulkans beteiligt sind; oft werden sie mit Überresten pyroklastischer Ströme bedeckt.



5. Gespaltene Vulkanzwillinge



Ein Vulkan entsteht durch Eruptionen an einem Rücken; durch die Plattendrift entfernt er sich vom Rücken; nach mehr als 15 km verliert er die Verbindung zum Hauptförderschlot, er kann also nur dann weiterwachsen, wenn eine er auf eine neue Magmaquelle aus dem oberen Mantel stößt.

Es wurden 2 symmetrische Vulkane (mehr als 1000 m hoch) im Abstand von 35 km beiderseits des Ostpazifischen Rückens gefunden, von denen man annimmt, daß sie gemeinsam am Rücken entstanden sind und dann auseinandergerissen wurden.

III. Der Ausbruch des Krakatau



1. Daten



27. August 1883, eine unbewohnte indonesische Insel zwischen Java und Sumatra

– Flutwelle war verantwortlich für den Tod von 36.417 Menschen, wurde in 17.000 km Entfernung (im Atlantik) registriert

– pyroklastische Ströme wälzten sich mehr als 40 km weit über das Meer

– Aschenfall erstreckte sich über ein 700.000 km2 großes Gebiet

– Knall der Explosion war in Zentralaustralien und in Madagaskar (fast 5000 km) zu hören

– Niederfrequente (nicht mehr hörbare) Luftdruckwellen wurden weltweit registriert (Barometer in Tokio zeigten einen Anstieg des Luftdrucks um 1,45 Millibar)

– Die in die Atmosphäre geschleuderten Staub- und Gasmassen verusachten weltweit monatelang spektakuläre Sonnenuntergänge, und die Durchschnittstemperaturen sanken durch sie auf der ganzen Nordhalbkugel

– ungewöhnliche optische Himmelsphänomene wie Dämmerungs- und Dunsterscheinungen, Verfärbungen von Sonne und Mond, …



2. Vorboten



Erdbebentätigkeit nahm im Umkreis der Sundastraße zu, doch nimand sah einen Zusammenhang mit dem darauffolgenden Vulkanausbruch; die Eruption im Mai verursachte schon unhörbare Druckwellen, die Uhren zum Stehen, Hängelampen zum Schaukeln, … gebracht haben, was aber fälschlicherweise als Folgen von Erdbeben gedeutet wurde.

Bäume auf Krakatau standen zwar noch, doch sie hatten durch den Aschenregens ihre Blätter verloren, wie ein holländischer Seefahrer berichtete.

Die Haupteruptionsphase



26. August, Mittagszeit: Serie von Explosionen in kurzen Abständen, erzeugten eine ununterbrochene Eruptionssäule (rund 25 km hoch) in der Luft (aus Bims und Asche, die von heißen, aufsteigenden Gasen in die Atmospäre getragen wurden – Bimssteine sind große Aschebrocken), Augenzeugen berichteten von starkem Aschenregen mit Bimssteinen von bis zu 10 cm Dicke.

27. August, Morgen: viele gewaltige Explosionen (Superparoxysmen, Rieseneruption); die stärkste ereignete sich um 10 Uhr vormittags, begleitet vom größten Tsunami (Riesen-Flutwellen) (ca. 40 Meter Höhe). Bildung von pyroklastischen Strömen (hinterließen eine charakteristische Ablagerung: Ignimbrit: Hauptteil der Eruptionsmasse) und riesigen Aschestücken, die zuerst in die Luft geschleudert wurden, dann aber auf Grund ihres Gewichts auf die Erde fielen. Dort wurden sie von heißen Gasen fließfähig gemacht und von der Insel ins Meer herab. Durch die Konvektionsströme in der Atmospäre wuchs die Eruptionssäule bis zu einer Höhe von über 40 km, deren Asche sogar noch auf den 1850 km weit entfernten Cocosinseln niederfiel.



3. Nach der Eruption



Die nördlichen 2/3 von Krakatau waren verschwunden, geblieben ist ein halber Vulkankegel; Ablagerungen von Bimsstein und Asche haben die Küstenlinie der naheliegenden Inseln um 3 km verlängert; 2 neue Inseln haben sich durch die Ignimbritablagerungen gebildet.



4. Die Ursache



Hier ist die Ursache im Magmaherd selbst zu suchen. Folgende Hypothese wurde aufgestellt: Explosionen begannen, als Meerwasser auf das heiße Magma traf (das sind phreatomagmatische Eruptionen), da diese Vermischung hoch explosiv ist. Doch solche Eruptionen hinterlassen über weite Flächen verstreute, feinkörnige Asche, was beim Ausbruch des Krakatau ja nicht der Fall war. Außerdem erkannte man, daß die Bimssteintrümmer so heiß waren, daß sie miteinander verschmolzen, was darauf hinweist, daß sie nicht von kaltem Wasser abgekühlt worden sind.

Andererseits entdeckte man auf einigen Ignimbritablagerungen eine glasige Schicht, die bei der Abschreckung mit kaltem Wasser entsteht. So könnte die Hypothese doch stimmen (obwohl die Berührung mit dem Wasser auch später erfolgt sein kann und so nicht der Auslöser für eine Explosion gewesen sein muß).

Die geologischen Befunde belegen also nicht klar, daß der Ausbruch eine phreatomagmatische Eruption war. Man nimmt aber an, daß – da die Schlotöffnung dicht am Meeresspiegel lag – kleine Explosionen dieser Art stattgefunden haben, und daß diese das Dach der Magmakammer geschwächt hat und so die plötzliche Druckentlastung das Magma aufschäumen ließ. So war wahrscheinlich die Interaktion zwischen Wasser und Magma nicht die Ursache für den Ausbruch, aber sie hat wohl dazu beigetragen.







5. Warum so viele Explosionen?



Beim Auftreffen von heißen pyroklastischen Strömen auf Wasser entstehen Explosionen. Das ist eine passable Erklärung für die hohe Zahl der Explosionen beim Ausbruch des Krakatau, wenn man die großen Mengen an pyroklastischem Material, Asche und Bimssteinen beachtet.



6. Der Ursprung der Tsunamis



Tsunamis entstehen meist, wenn sich der Meeresboden auf Grund von tektonischen Aktivitäten vertikal verschiebt.

Sie können aber auch durch untermeerische Eruptionen erzeugt werden, indem sich das Wasser gleich einem Berg aufbäumt.

Forscher sind der Meinung, daß die Tsunami von Krakatau entstand, als der nördliche Teil des Vulkankegels ins Wasser stürzte.

Andere glauben wiederum, daß die Flutwelle von den großen Mengen an pyroklastischem Material, das ins Meer fiel, in Gang gesetzt wurde.





“Anak Krakatau” – “Kind von Krakatau”



Seit dem Ausbruch 1883 hat sich ein neuer Vulkankegel an der Stelle gebildet, an der sich früher der Hauptvulkan befand: der Anak Krakatau. Er wächst durch kleine Eruptionen weiterhin an – im Dezember 1927 durchstieß er den Wasserspiegel. Im Laufe der Zeit könnte sich also wieder eine größere Insel bilden, wie die, die 1883 durch einen der mächtigsten aller Vulkanausbrüche unterging.