Plattentektonik und Vulkanismus
Plattentektonik und Vulkanismus
Plattentektonik und Vulkanismus
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Hergestellt von Mitgliedern der Arbeitsgruppe „Petrologie der Ozeankruste“, Fachbereich 5, Universität Bremen: www.ozeankruste.de
<strong>Plattentektonik</strong> <strong>und</strong> Magmatismus<br />
• Spreizungsachsen sind Bereiche, in denen neuer<br />
Ozeanboden durch <strong>Vulkanismus</strong> produziert wird<br />
• Subduktionszonen sind Bereiche, wo Platten aneinander<br />
stossen, dabei wird eine nach unten in den Erdmantel<br />
gedruckt. Auf der an der Oberfläche bleibenden Platte tritt<br />
dabei <strong>Vulkanismus</strong> auf<br />
• Hotspots (gezennzeichnet mit * auf vorheriger Seite) sind<br />
Vulkane in der Mitte einer Platte, sie lassen Spuren auf der<br />
Platte, die die Plattenbewegung markieren.<br />
Alle Vulkane haben als Ursache Schmelzen im Mantel
Schmelzen im Mantel<br />
Allgemein liegt das<br />
Temperaturprofil des Mantels<br />
(Geotherm) im Feststoffbereich,<br />
d.h. keine Schmelze ist<br />
vorhanden. Der Mantel ist unter<br />
normalen Umständen ein<br />
plastischer Feststoff, der sich<br />
langsam (cm/Jahr) verformen läßt<br />
(vergleichbar in seinen<br />
Eigenschaften mit kaltem Asphalt<br />
oder Kerzenwachs bei<br />
Zimmertemperatur)
Schmelzen im Mantel<br />
Es gibt zwei Möglichkeiten, den<br />
Mantel zum Schmelzen zu<br />
bewegen.<br />
• Heiße Materie ohne Wärmeverlust von<br />
unten nach oben zu bewegen (durch<br />
Druckverminderung wird der Schmelzpunkt<br />
herabgesetzt).<br />
• Den Schmelzpunkt des Mantels (Solidus)<br />
zu verringern durch Zugabe z.B. von<br />
Flüssigkeiten (Wasser, CO 2<br />
).<br />
Beide Effekte sind auf der Erde<br />
Ursachen für Magmatismus.
Spreizungsachsenvulkanismus<br />
Abb. aus „Volcanoes: A planetary perspective“ Francis 1993 Oxford Univ. Press<br />
Die Platten bewegen sich in verschiedenen Richtungen (Pfeile) mit<br />
verschiedenen Geschwindigkeiten (Pfeillängen). Die höchsten Spreizungsraten<br />
findet man zur Zeit im Pazifik zwischen der Pazifik- <strong>und</strong> der Nazcaplatte. Am<br />
langsamsten spreizen die Platten nördlich von Island.
Spreizungsachsenvulkanismus<br />
Wegen des Auseinanderziehens der Platten wird warmer Mantel von der Tiefe ins<br />
Flachere gezogen. Da Gesteine schlechte Wärmeleiter sind, kühlt die aufsteigende<br />
Masse trotz sehr langsamen Aufstiegs (nur einige cm im Jahr) nicht wesentlich ab,<br />
die Wärme aus der Tiefe wird „mitgebracht“ (senkrechter grüner Pfeil auf<br />
Druck/Temperatur Diagramm, vorherige Seite). In ca. 80km Tiefe ist der Solidus<br />
erreicht, das Schmelzen beginnt.
Spreizungsachsenvulkanismus<br />
Die entstehenden Schmelzen (Magmen, Dichte ca. 3,0g/cm 3 ) sind<br />
leichter als das Mantelgestein (Peridotit, Dichte ca. 3,3g/cm 3 ) <strong>und</strong> steigen<br />
deshalb auf. Obwohl Magmen über ein relativ breites Gebiet produziert<br />
werden, werden sie während ihres Aufstieges zur Achse hin fokussiert.<br />
Das Dreieck (untere Seite liegt in ca. 80km Tiefe, Kantenlänge ca.<br />
160km) zeigt das Volumen, in dem Magmen produziert werden, alle<br />
Magmen werden anschließend direkt oberhalb der Spitze des Dreiecks<br />
am Meeresboden eruptiert.
Spreizungsachsenvulkanismus<br />
Die Achsenvulkane am<br />
Meeresboden treten als<br />
langgezogene Rücken<br />
auf (hier als<br />
bathymetrische Karte,<br />
dreidimensional<br />
dargestellt). Sie sind in<br />
unregelmäßigen<br />
Intervallen entlang<br />
Transformstörungen<br />
versetzt (oben im Bild,<br />
„Clipperton Transform<br />
Fault“ beschriftet).
Spreizungsachsenvulkanismus<br />
Transformstörungen versetzen die<br />
Spreizungsachse. Der Verlauf der<br />
Störung ist parallel zur<br />
Plattenbewegungsrichtung.<br />
Entlang der Störung bewegen sich<br />
die Platten horizontal aneinander<br />
vorbei. Entlang<br />
Transformstörungen finden die<br />
stärksten Erdbeben der<br />
konstruktiven Plattengrenzen statt.<br />
Detail der Karte von der nächsten Folie
Spreizungsachsenvulkanismus<br />
Die Form der Spreizungsachse ändert sich mit<br />
der Spreizungsrate. Bei sich langsam<br />
spreizender Achsen (Spreizungsraten bis 5-8<br />
cm/Jahr) sitzt der aktive Vulkan in einem Tal<br />
(unten links im Profil gezeigt, rechts als<br />
topographische Karte vom äquatorialen<br />
Atlantik dargestellt). Bei sich schnell<br />
spreizender Achsen stellt der Vulkan die<br />
höchste bathymetrische Stelle dar.<br />
Vergrößert auf der vorherigen Folie
Spreizungsachsenvulkanismus<br />
Magma kann unter Wasser nicht weit fließen, durch die Abkühlung bildet<br />
sich sofort eine feste Aussenhaut am Lavafluss. Die Haut ist meist glasig<br />
<strong>und</strong> wird immer wieder von nachfließendem Magma aufgerissen. Der<br />
Magma eruptiert entweder wie Zahnpasta (untere Bildhälfte) oder in Form<br />
von Kissen (obere Bildhälfte, immer noch mit der Austrittsstelle verb<strong>und</strong>en).
Spreizungsachsenvulkanismus<br />
Lavaröhren<br />
Ein Haufen Kissenlaven<br />
Die Spreizungsachsenlaven sind meistens Basalte, ein<br />
dunkles Gestein mit hohen Gehalten an Silizium, Aluminium,<br />
Magnesium <strong>und</strong> Eisen. Experimente unter hohem Druck <strong>und</strong><br />
Temperatur haben gezeigt, dass Basalt als Schmelze<br />
entsteht wenn man Mantelgestein zu 10% aufschmilzt (siehe<br />
nächste Seite). In den Basalten sind oft Kristalle von Olivin<br />
(Mg 2 SiO 4 ) <strong>und</strong> Plagioklas (CaAl 2 Si 2 O 8 ) zu finden.
Das Diagramm zeigt schematisch<br />
die Entstehung von Basaltmagma.<br />
Das Mantelgestein Granatlherzolith<br />
(unten, bestehend aus<br />
grüngelbliche Olivin- <strong>und</strong><br />
Orthopyroxenkristalle,<br />
dunkelgrüne Klinopyroxenkristalle<br />
<strong>und</strong> rote Granatkristalle)<br />
wird teilweise geschmolzen. Es<br />
entsteht ein basaltische Schmelze<br />
(ca. 10-20 Volumenprozent des<br />
Ausgangsgesteines) <strong>und</strong> ein<br />
Residuum (Harzburgit, mit fast<br />
ausschließlich Olivin <strong>und</strong><br />
Orthopyroxen, 80 Volumenprozent<br />
des Ausganggesteines). Die<br />
Granat- <strong>und</strong> Klinopyroxenkristalle<br />
im Ausgangsgestein haben am<br />
meisten zur Schmelze beigetragen.
Spreizungsachsenvulkanismus<br />
Alle Bilder auf dieser Seite © Woods Hole<br />
Oceanographic Institute science.whoi.edu/DiveDiscover/<br />
Das heiße Magma im Untergr<strong>und</strong> treibt eine heftige<br />
Wasserzirkulation durch Konvektion an. Kaltes Wasser<br />
dringt an den Rückenflanken ein (1), wird erwärmt <strong>und</strong><br />
reagiert mit den Gesteinen (2, 3, 4), so dass eine saure,<br />
sauerstofffreie <strong>und</strong> metallhaltige Lösung entsteht. Diese<br />
hydrothermale Lösung erreicht schließlich Temperaturen<br />
um 370°C (5) <strong>und</strong> steigt wegen einer geringeren Dichte<br />
auf (6). Auf dem Weg zur Oberfläche (6) <strong>und</strong> bei Kontakt<br />
mit dem Meerwasser (7) werden Metallsulfide<br />
ausgeschieden. Beim Austritt (7 <strong>und</strong> Fotos) erzeugen<br />
diese Ausscheidungen trübes Wasser, sog. „Schwarzer<br />
Raucher“.
Spreizungsachsenvulkanismus<br />
Weiße Krebse<br />
Riesenmuschel<br />
Auf <strong>und</strong> um die Schwarzen Raucher leben viele Tiere <strong>und</strong> Pflanzen, die als<br />
Hauptenergiequelle nicht die Sonne sondern die magmatische Wärme nutzen. Sie<br />
enthalten meist symbiotische Mikroorganismen, die die Schwefelwasserstoffe in den<br />
austretenden schwefeligen Lösungen oxidieren <strong>und</strong> die gewonnene Energie für die<br />
Produktion von Kohlenwasserstoffen nutzen. Besonders unempfindlich gegenüber<br />
Temperaturschwankungen müssen die Tiere sein, einige Würmer zum Beispiel können<br />
Temperaturunterschiede zwischen ca. 80°C am „Fuß“ <strong>und</strong> 2°C am „Kopf“ standhalten!<br />
Blinder Fisch<br />
Alle Bilder auf dieser Seite © Woods Hole<br />
Oceanographic Institute science.whoi.edu/DiveDiscover/<br />
Rohrwürmer
Subduktionsvulkanismus<br />
An Subduktionszonen werden Ozeanplatten zurück ins<br />
Erdinnere recycelt. Die Ozeanplatte hat sowohl während<br />
des Hydrothermalismus kurz nach ihrer Entstehung als<br />
auch während der Jahrmillionen, als sich der Meeresboden<br />
gebildet hat, viel Wasser in sich aufgenommen. Das<br />
Wasser ist sowohl in Form von Flüssigkeit als auch in<br />
verschiedenen Mineralen (wie Tone, Amphibole, Glimmer)<br />
vorhanden. Bei der Erwärmung der subdukzierten Platte<br />
während des Abtauchens wird das Wasser freigesetzt. Es<br />
dringt in den darüberliegenden Mantel hinein <strong>und</strong><br />
verursacht eine Schmelzpunkterniedrigung. Dadurch fängt<br />
der Mantel an zu schmelzen.<br />
Oben: Tolbachik Vulkan, Kamchatka, Rußland. Rechts:<br />
Profil durch einer Subduktionszone mit kontinentale<br />
Kruste. Beide aus Davidson et al. 1997 „Exploring Earth“<br />
Prentice Hall
Subduktionsvulkanismus<br />
Vom Buch „<strong>Vulkanismus</strong>“ von H.-U.<br />
Schmincke, Wiss. Buchgesellschaft<br />
Das Wasser, das in der Tiefe den Mantel zum Schmelzen bringt, löst sich bei dem hohen Druck in den Magmen (ähnlich<br />
wie CO 2 in Mineralwasser). Die Magmen steigen wegen ihrer geringeren Dichte relativ zum Mantel auf, der Druck nimmt<br />
ab. Im flachliegenden Magmareservoir ist der Druck so gering, dass das Wasser nicht mehr in Lösung gehalten werden<br />
kann (Gasfreisetzung). Die „Sprudelflasche“ wird geöffnet, aus Magma wird ein Magma+Dampf Gemisch. Die<br />
entstehenden Dampfblasen dehnen sich explosionsartig aus <strong>und</strong> reißen das Magma auseinander (Fragmentierung), zwei<br />
getrennte Phasen (Magma <strong>und</strong> Dampf) entstehen. Der Vulkanschlot wirkt wie ein Kanonenrohr, glühende Magmabrocken<br />
(Pyroklastika - „pyro“ = Feuer, „Klasten“ = Stücke) werden hinausgeschleudert. Geschwindigkeiten von bis zu 600m/s sind<br />
in der Gasschubregion gemessen worden. Luft wird in der Gasschubregion reingesaugt <strong>und</strong> durch Kontakt mit den<br />
Lavabrocken <strong>und</strong> Asche erhitzt. Das Luft+Asche Gemisch erreicht eine geringere Dichte als die umgebende Luft, die<br />
Eruptionssäule steigt konvektiv auf. Langsam kühlt die Säule mit zunehmender Höhe ab, die Dichte gleicht sich die der<br />
umgebenden Luft an. Die Aschewolke wird von den Winden weiter transportiert.
Subduktionsvulkanismus<br />
Pyroklastische Ströme<br />
Ströme fließen die Flanken von Mount Mayon, Phillipinen herunter<br />
Film eines Stromes auf Martinique, Antillen<br />
Pyroklastische Ströme sind Lawinen vulkanischer Asche <strong>und</strong> -blöcke, die auf ein Kissen von<br />
erhitzter Luft gleiten. Sie sind heiß (300-700°C) <strong>und</strong> schnell (> 100km/Std.). Sie können sehr<br />
große Blöcke transportieren (unten links, die Ablagerungen eines solchen Stromes) <strong>und</strong> nicht<br />
mal Stahlbeton kann ihnen standhalten (unten rechts). Sie entstehen an vielen<br />
Subduktionsvulkanen entweder durch seitlichen Kollaps einer Lavakuppel oder am Ende einer<br />
Eruption wenn, da heiße Materie nicht mehr<br />
aus dem Schlot gefördert wird, der konvektive<br />
Teil der Eruptionssäule (siehe vorherige Seite)<br />
kollabiert.<br />
Mount St Helens. Pyroklastischer Strom<br />
(oben) <strong>und</strong> Ablagerungen (unten)<br />
Pyroklastischer Ströme vom El<br />
Chichon, Mexiko, haben<br />
umliegenden Täler verwüstet.<br />
Auch Betonopfähle hielten nicht<br />
stand.
Subduktionsvulkanismus<br />
30 Sek<strong>und</strong>en im<br />
Leben eines Vulkans:<br />
Die Eruption vom<br />
18.05.1980<br />
Siehe übernächste Seite<br />
Der sog. Lateral Blast hat die Umgebung<br />
verwüstet (siehe nächste Folie)
Subduktionsvulkanismus<br />
Der Lateral Blast (seitlich<br />
gerichtete Explosion) machte<br />
ein Urlaubsparadis zu<br />
Mondlandschaft binnen<br />
einiger Sek<strong>und</strong>en.<br />
Neben dem Lateral Blast richteten<br />
Schlammlawinen (Mudflows),<br />
pyroklastische Ströme <strong>und</strong> Schuttlawinen<br />
(debris avalanches) große Schäden an.<br />
Schlammlawinen sind an allen<br />
schneebedeckten Vulkanen eine große<br />
Gefahr, da die Vulkanhitze den Schnee zu<br />
Wasser umwandelt, das sich dann mit<br />
Asche zu einer zähflüssigen Masse<br />
vermischt. Die Schlammmassen fliessen<br />
die Hänge hinunter <strong>und</strong> reissen alles mit<br />
sich.
Subduktionsvulkanismus<br />
Mount St Helens am<br />
18.05.1980 tagsüber<br />
Es gibt im Netz viele Information zu dieser<br />
Eruption. Versuchen Sie http://<br />
vulcan.wr.usgs.gov/Volcanoes/MSH/ (US Geological Survey)<br />
www.fs.fed.us./gpnf/mshnvm/ (National Park Forestry Service)<br />
volcano.<strong>und</strong>.nodak.edu (Volcano World)<br />
Vom Buch „<strong>Vulkanismus</strong>“ von H.-U.<br />
Schmincke, Wiss. Buchgesellschaft
Subduktionsvulkanismus<br />
Vorschlag zu einer Projektarbeit „Mount St Helens“<br />
A. Eruptionssäulen (Mathematik, Geographie, Biologie, Chemie). Wie weit kann Asche<br />
transportiert werden? Welche Faktoren spielen eine Rolle. Berechnung von ballistischen<br />
Bahnen für Lavastücke - wie weit können sie fliegen? Wie hoch werden die<br />
Eruptionssäulen? Welche Partikelgröße findet man in diesen Höhen? Beziehungen<br />
Partikelgröße - Entfernung von Vulkan, Windeinfluß. Effekte der Asche auf das menschliche<br />
Leben. Flugzeuggefährdung. Wiederbesiedelung von Vulkanlandschaften durch Pflanzen,<br />
Tiere, Verwitterungsprozesse <strong>und</strong> -raten für die Pyroklastika. Alle Informationen hierzu gibt<br />
es auf den genannten Web-Seiten<br />
B. Pyroklastische Ströme (Physik, Geschichte, Mathematik). Historische Ereignisse (Mt<br />
Pelée Martinique, Pompeii, St Helens). Bewegungsmechanismus, Reichweite, Temperatur<br />
(thermische Kapazität Luft gegen Lava, Messen??). Ablagerungen. Viele Information hierzu<br />
findet man im Schmincke-Buch
Hotspot-<strong>Vulkanismus</strong><br />
Es gibt eine Art von <strong>Vulkanismus</strong>, der nicht an den Plattenrändern, sondern im<br />
Intraplattenbereich vorkommt, der sog. Hotspot-<strong>Vulkanismus</strong>. Typisch für solche<br />
Aktivität ist eine Kette von Vulkanen, die oft, wie bei Hawaii oder den Kanaren,<br />
Inseln bilden. Die Vulkanaktivität scheint mit einem unter der Platte liegenden<br />
stationären Schmelzherd verb<strong>und</strong>en zu sein, da beobachtet wird, dass das Alter der<br />
Vulkane in der Kette mit Entfernung vom aktiven Vulkan zunimmt (siehe Bild, links).<br />
Solche Hotspot-Ketten sind in allen Ozeanen zu finden, aber besonders gut im<br />
Pazifik zu sehen (unten rechts).
Hotspot-<strong>Vulkanismus</strong><br />
Hotspot-Vulkane zeigen meist eine ruhige<br />
Eruptionsart, nur selten kommen<br />
Eruptionssäulen wie bei den Subduktionsvulkanen<br />
vor. Auch Lavafontänen, wie rechts<br />
gezeigt, erreichen maximal einige h<strong>und</strong>ert<br />
Meter. Gr<strong>und</strong> für das ruhige Verhalten ist, dass<br />
die Hotspot-Laven relativ wasserarm <strong>und</strong><br />
dünnflüssig sind. Statt bei der Eruption zu<br />
explodieren (siehe Subduktionsvulkanismus),<br />
fliessen sie als Lavaströme über große<br />
Entfernungen<br />
La Palma, Kanaren. Foto A. Klügel<br />
Mauna Loa, Hawaii von der Stadt Hilo aus gesehen
Hotspot-<strong>Vulkanismus</strong><br />
Die Lava (bei den meisten Hotspot-Vulkanen<br />
ist es Basalt) fliesst in engen Kanälen über<br />
die Landschaft (links). Eine Kruste bildet sich<br />
auf der fliessenden Lava <strong>und</strong> wirkt wie eine<br />
Decke. Die Lava im Kanal bleibt heiss (ca.<br />
1200°C) <strong>und</strong> kann dadurch weit vom Schlot<br />
fliessen. Am Ende des Flusses bildet die<br />
Lava entweder eine blockige Masse (unten<br />
links), sog. „A´a Lava“ oder fliesst<br />
zungenförmig (unten rechts) als „Pahoe hoe<br />
Lava“ aus. Beide Namen kommen aus dem<br />
Hawaiianischen
Hotspot-<strong>Vulkanismus</strong><br />
Ursache für den Hotspot-<strong>Vulkanismus</strong><br />
sind vermutlich heisse aufsteigende<br />
Ströme im Mantel, sog. Plumes.<br />
Plumes haben sich als schwer<br />
nachzuweisen herausgestellt. Erst in<br />
letzter Zeit hat seismische<br />
Tomographie (wie Röntgen-<br />
Tomographie im Krankenhaus, nur die<br />
Erde ist der Patient <strong>und</strong><br />
Erdbebenschallwellen sind die<br />
Strahlen) die Dichteunterschiede<br />
zwischen dem warmen Plume <strong>und</strong> dem<br />
kälterem Mantel sichtbar gemacht. Das<br />
Bild zeigt die Mantelstruktur unter<br />
Island bis 350km Tiefe (Achsenstriche<br />
sind 50km), hervorgehoben ist ein<br />
Bereich wo reduzierten<br />
Schallgeschwindigkeiten auf weniger<br />
dichtes -<strong>und</strong> daher vermutliche<br />
wärmeres - Mantelmaterie hindeuten.
Hotspot-<strong>Vulkanismus</strong><br />
Auch unter Europa werden Plumes als Ursache für<br />
den jungen <strong>Vulkanismus</strong> (z.B. Eifel, Rhön,<br />
Zentralmassif in Frankreich) vermutet.<br />
Tomographische Untersuchungen haben einige<br />
der Plumes sogar nachgewiesen.<br />
Vulkane des Osteifels. Von Uni. Münster Webseite, Foto G. Hofbauer<br />
Chaine des Puys, Zentralmassif, Frankreich. Von Uni. Münster<br />
Webseite, Foto G. Hofbauer<br />
Seismische Tomographie unter Zentraleuropa. Von Schmincke „<strong>Vulkanismus</strong>“
Weitere Quellen<br />
Alles über Vulkane:<br />
http://www.uni-muenster.de/Chemie/MI/museum/Vulkane/Uebersicht.htm<br />
Hawaii<br />
http://www.nps.gov/havo/<br />
http://www.soest.hawaii.edu/GG/hcv.html<br />
Vulkane Weltweit<br />
http://volcano.<strong>und</strong>.nodak.edu/<br />
http://vulcan.wr.usgs.gov/Volcanoes/
Zum Schluß eine Bitte<br />
Die Entstehung solcher Unterlagen ist ein iteratives Prozess<br />
<strong>und</strong> wir sind daher für die Weiterentwicklung der Unterlagen<br />
auf Ihre Hilfe angewiesen. Vielleicht zielen wir an Ihren<br />
Interessen <strong>und</strong> Bedürfnissen als naturwissenschaftlicher<br />
Lehrer vorbei. Vielleicht finden Sie die Unterlagen prima.<br />
Haben Sie Anregungen, Kritik, Vorschläge oder Interesse an<br />
weiteren Informationen, dann kontaktieren Sie uns einfach.<br />
Wir sind zu erreichen unter:<br />
Tel: 0421 218 9205/9471<br />
Fax: 0421 218 9460<br />
email: cwdevey@uni-bremen.de<br />
web: www.ozeankruste.de