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  5. 7.6 – Vulkanismus und Physik magmatischer Prozesse

7.6 – Vulkanismus und Physik magmatischer Prozesse

Magmen haben eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Lithosphäre gespielt. Sie bilden sich zum Beispiel in Subduktionszonen und anderen tektonisch aktiven Gebieten. Dieses Phänomen ist nicht nur von akademischem Interesse: Magmatisch-hydrothermale Erzlagerstätten enthalten einen großen Teil der Weltreserven an Metallen wie Kupfer, Molybdän, Wolfram und Zinn. Die Suche nach neuen Lagerstätten ist nur dann erfolgversprechend, wenn man versteht, wie sich die Metalle in Schmelzen anreichern und wie sie sich aus hydrothermalen Lösungen abscheiden.

Magma ist ein komplexes Gemisch aus kristallinen, flüssigen und gasförmigen Bestandteilen. Die Verformungseigenschaften sind sehr komplex. Sie beeinflussen aber so gut wie alle physikalischen Aspekte von der Entstehung der Magmen bis zum Vulkanausbruch. Ob Magma entsteht, hängt von Temperatur, Druck und Zusammensetzung der Lithosphäre ab. Magma verändert sich, während es aus größeren Tiefen aufsteigt. Es kühlt sich ab, es verliert Gase und der Druck lässt nach. Durch diese Prozesse verändert sich die chemische Zusammensetzung des Magmas. Bestimmte chemische Elemente reichern sich unter bestimmten Bedingungen bevorzugt im Magma an. Dadurch können sich ökonomisch relevante und abbauwürdige Vorkommen bilden.

Magmen

Bei Vulkanausbrüchen treten sehr hohe Verformungsraten auf. Wie das Magma darauf reagiert, hängt von der chemischen Zusammensetzung, der Temperatur, dem Kristallgehalt und der Porosität des Magmas ab. Unter Umständen verhält sich das geschmolzene Gestein nicht wie eine Flüssigkeit, sondern wie ein Festkörper;.die Grenze zwischen duktilem und sprödem Verhalten wird überschritten. In einem derartigen Fall kommt es oftmals direkt zur Katastrophe: einem explosiven Vulkanausbruch. Dabei entstehen vulkanische Pyroklasten, also Gesteinsbruchstücke wie vulkanische Bomben, Glasfragmente oder auch Asche. Bei hochexplosiven Ausbrüchen können innerhalb kurzer Zeit große Mengen vulkanischer Asche entstehen. Wenn die feinsten Teilchen dieser Asche als Aerosole in die Stratosphäre gelangen, können sie Klima und Wetter erheblich beeinflussen. Die genaue Massen- und Energiebilanz solcher Ereignisse wird zurzeit detailliert erforscht, unter anderem mit Experimenten und Simulationen und durch die Charakterisierung vulkanischer Produkte direkt im Gelände. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse dienen als Randbedingungen, um theoretische und numerische Modelle zu validieren und um Messergebnisse zu interpretieren.

Vulkanismus

Nur ein kleiner Prozentsatz der Magmen, die in die Lithosphäre eindringen oder dort entstehen, erreicht bei einem Vulkanausbruch die Erdoberfläche. Der Großteil erstarrt als Tiefengestein in der Kruste. Durch präzise Überwachungs- und Analysemethoden wie die Fernerkundung oder die seismische Tomographie ist es möglich, immer kleinere Massenveränderungen in der Lithosphäre zu ent­decken und mit magmatischen Prozessen zu korrelieren.

Wissenschaftliche Herausforderungen

Eine wichtige Aufgabe der experimentellen Vulkanologie ist es, die Fließeigenschaften von Magma akkurat und aussagekräftig zu parametrisieren. Dies stellt eine erhebliche experimentelle Herausforderung dar. Für solche Experimente müssen hydrostatischer Druck, Spannung, Temperatur und Magmenzustand unabhängig von­einander kontrolliert werden. Auf diesem Gebiet wurden große Fortschritte erzielt. Von einem Gesamtverständnis ist man angesichts der extrem variablen Magmenzusammensetzungen aber noch weit entfernt.

Vulkanologische Experimente

Eine natürliche Gesteinsprobe (unten links) aus einem vulkanischen Dom bei Colima, Mexico (oben)

Eine natürliche Gesteinsprobe (unten links) aus einem vulkanischen Dom bei Colima, Mexico (oben), ins Labor gebracht und bei 900 Grad Celsius in einer Uniaxialpresse verformt; die während der Verformung auftretenden Geräusche wurden aufgezeichnet (unten rechts). Die Probe zeigt sowohl duktiles als auch bei höherer Verformungsrate sprödes Verhalten. In der Natur entsprechen die durch Sprödbruch entstandenen Risse in der Probe den Erdbeben im Vulkan. (Quelle: oben: Yan Lavallée, Ludwig-Maximilians-Universität, München (LMU); unten links: Yan Lavallée, LMU, aus: J. Gottsmann et al. (2009): Magma-tectonic interaction and the eruption of silicic batholiths. Earth and Planetary Science Letters 284, 426-434; unten rechts: Yan Lavallée, Ludwig-Maximilians-Universität (LMU), München)

Aufsteigende Magmen reißen oft Gesteins- und Mineralbruchstücke aus dem oberen Erdmantel und der Erdkruste mit sich an die Erdoberfläche. Das erlaubt einen Einblick in anderweitig unerreichbare Tiefen. Die Analyse dieser Bruchstücke trägt dazu bei, den petrologischen Aufbau der Lithosphäre und die dort herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen zu verstehen. In solchen Gesteinsfragmenten sind Einschlüsse sowohl von Fluiden und Schmelzen als auch von Mineralphasen enthalten. Sie sind Zeugen ihrer Entstehungsregionen in der Lithosphäre.

Temperatur der Lithosphäre

In der Lithosphäre befinden sich große Magmenkörper und wahrscheinlich sind größere Anteile der Lithosphäre partiell geschmolzen. Das bedeutet, dass das Magma die mechanischen Eigenschaften der Lithosphäre erheblich beeinflussen kann. Seismische Tomographie wird weltweit eingesetzt, um Magmakammern nachzuweisen und ihre Ausdehnungen abzuschätzen. Daneben werden Anomalien in der Geschwindigkeitsstruktur seismischer Wellen in der Lithosphäre herangezogen, um die Anwesenheit eines teilweise geschmolzenen Bereichs nachzuweisen. Allerdings ist es mit dieser Methode nicht möglich, die Lebensspanne einer Magmenkammer zu bestimmen. Revolutionäre Fortschritte auf diesem Gebiet werden durch verbesserte analytische Untersuchungsmethoden erwartet. So ist es zum Beispiel bereits möglich, die Wachstumsphasen von Zirkonkristallen durch hochauflösende Messungen der Wachstumsringe zu bestimmen.

Aktive Magmakammern in der Oberen Kruste

Schematisches Profil der Kruste unter dem Yellowstone Supervulkan (USA)

Schematisches Profil der Kruste unter dem Yellowstone Supervulkan (USA). Die roten Punkte symbolisieren den Entstehungsort kleiner Erdbeben. Die silikatreiche Magmakammer liegt in der mittleren und unteren Kruste und ist verantwortlich für den Großteil des dort auftretenden Vulkanismus der letzen zwei Millionen Jahre (Quelle: J.B. Lowenstern and S. Hurwitz (2008): Monitoring a Supervolcano in Repose: Heat and Volatile Flux at the Yellowstone Caldera. Elements, 4, 35-40, doi: 10.2113/gselements.4.1.35)

In Subduktionszonen bilden sich Schmelzen überwiegend dadurch, dass Wasser in den Mantelkeil eindringt. In der frühen Geschichte der Erde schmolzen die subduzierten Platten vermutlich direkt auf, heute ist das wohl eher die Ausnahme. Viele Einzelheiten in diesem System sind noch nicht verstanden: Wie wird Wasser in den Mantelkeil transportiert: als wässriges Fluid, in einer Silikatschmelze oder teilweise durch Konvektion im festen Zustand? In welchen Zeiträumen spielen sich Entwässerung, Schmelzbildung und Aufstieg der Magmen ab? Wie sieht die Mantelkonvektion oberhalb der subduzierten Platte aus? Radioaktive Ungleichgewichte in jungen Laven und Diffusionsprofile in Xenolithen liefern wertvolle Daten über die Zeitskalen dieser Prozesse. Seismische Anisotropie kann benutzt werden, um Fließrichtungen im Mantel zu rekonstruieren. Messungen der elektrischen Leitfähigkeit können in günstigen Fällen direkt die Bewegung von Fluiden im Mantel abbilden. Die Eigenschaften dieser Fluide sind dagegen experimentell noch sehr wenig untersucht.

Magmen in Subduktionszonen

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:04 durch Jana Stone | Impressum