Aug29

100 Jahre sind es her, seit Toni Hagen in Luzern das Licht der Welt erblickte. Im fernen Nepal kennt ihn jeder, in seiner Heimat muss er in Erinnerung gerufen werden. Toni Hagen, der Ingenieur-Geologe, wurde ein bedeutender, aber nonkonformer Entwicklungshelfer, der zu Lebzeiten im eigenen Land verkannt war und erst nach seinem Tod rehabilitiert wurde.

Von Beruf war er Wissenschaftler, von Berufung Vordenker einer modernen Entwicklungshilfe. Sein Einsatz für die Menschlichkeit war immens.

Toni Hagen: 17.8.1917 – 18.4.2003, © Toni Hagen Stiftung

Toni Hagen: 17.8.1917 – 18.4.2003, © Toni Hagen Stiftung

Geologe Toni Hagen mit Träger, im Hintergrund der Kanchenzönga, © Archiv Katrin Hagen

Geologe Toni Hagen mit Träger, im Hintergrund der Kanchenzönga, © Archiv Katrin Hagen

Der Geologe mit seinen Gehilfen beim Sammeln von Gesteinsproben, © Archiv Katrin Hagen

Der Geologe mit seinen Gehilfen beim Sammeln von Gesteinsproben, © Archiv Katrin Hagen

Der Geologe im Feldlabor umringt von interessierten Einheimischen, © Archiv Katrin Hagen

Der Geologe im Feldlabor umringt von interessierten Einheimischen, © Archiv Katrin Hagen

Toni Hagen zusammen mit Tibetern, © Archiv Katrin Hagen

Toni Hagen zusammen mit Tibetern, © Archiv Katrin Hagen

Schlüsselerlebnis

Auf selbstgebastelten Skiern lernte Toni Hagen in Begleitung seines Vaters die Berge kennen und lieben. 10-jährig war er, als 1927 ein Vortrag eines holländischen Forschers über den Himalaya seine Weiche stellte. Zur Lektüre wurden die Publikationen von Albert Heim und die spannenden Expeditionsberichte Sven Hedins, des Entdeckers des Transhimalaya.
Als Ingenieur-Geologe verliess er die ETH 1941, um 1945 Forschungsassistent am Geodätischen Institut und 1950 Mitglied des Entwicklungshilfeprojekts in Nepal zu werden.

14 000 Kilometer Fussmarsch!

1950 ging sein Traum in Erfüllung: Unter dem Patronat der ETH reiste er nach Nepal, in das abgeschottete Hindu-Königreich am Himalaya. Es war ein Pilottest für Entwicklungshilfe in aussereuropäischen Gefilden. Sein Interesse an der fremden Kultur war so gross, dass er Nepali lernte. Nach Ablauf der Mission für die Eidgenossenschaft blieb er zuerst im Auftrag des Königs von Nepal als Geologe. Seine geologische Feldforschung im «Land ohne Strassen» liessen ihn 14 000 Kilometer zu Fuss bewältigen, was ihn 40 Paar Schuhe kostete. Anschliessend als Uno-Beauftragter für Planungsgrundlagen von Strassen, Kraftwerkbau und allgemeine Entwicklungspläne erschienen zahlreiche Publikationen über Land und Leute, darunter die ersten zwei offiziellen UNO-Reports über Nepal, der Bildband “Nepal, Königreich am Himalaya” sowie der Report “Wege und Irrwege der Entwicklungshilfe”.

Vom Geologen zum Entwicklungshelfer

Nachdem China 1959 Tibet annektiert hatte und als Folge des tibetischen Aufstands der Flüchtlingsstrom nach Indien und Nepal einsetzte, wird aus dem geologischen Pilotexperiment ein lebenslanges Engagement für die Menschlichkeit. 1960/61 als IKRK Chefdelegierter für die Flüchtlinge wird er schlagartig vor neue Herausforderungen gestellt, die er nicht nach offiziellem Schema, sondern als praxisbezogener Realist und eigenständig urteilender Denker anging.
Sein Credo: Flüchtlinge nicht entwürdigend als Almosenempfänger in Müssigganglager stecken, sondern ihnen raschmöglichst bezahlte Arbeit verschaffen und so ihr Selbstwertgefühl stärken.
Und so setzte er sich dafür ein, dass die entwurzelten Tibeter in Nepal eine neue Heimat fanden. Und wie er das tat: Er suchte den Dalai Lama im Exil auf, nahm eine an dessen Volk gerichtete Botschaft auf Tonband auf und spielte sie den durch die Vertreibung Verängstigten vor. So konnte er ihr Zutrauen gewinnen und die Flüchtlingsstöme kanalisieren. Den König überzeugte er, den Heimatlosen Siedlungsraum zu geben.
Um sie auf eigene Füsse zu stellen, initiierte er eine Teppichindustrie, die auf über 200 000 Arbeitsplätze anwuchs und zu einem Wirtschaftsfaktor Nepals wurde. Auch die von ihm initiierte Käseherstellung aus Yak-Milch wurde erfolgreich umgesetzt.
Seine Idee für Fussgänger-Hängebrücken im Land der hohen Berge und tiefen Täler wurde sogar zu einem der erfolgreichsten Entwicklungsprojekte der Schweiz schlechthin.

Filme:
1950’s History Of Nepal film by Toni Hagen
Der Ring des Buddhas

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Aug22

95 % der weltweit vorkommenden Vulkane sind an aktive Plattenränder wie Subduktions-Rift- und ozeanische Spreizungszonen gebunden, die restlichen 5 % an Mantel-Plumes oder Manteldiapire bzw. Hotspots.

Ein Manteldiapir ist ein Gebiet im tieferen Erdmantel, von wo aus Wärme und Material in die Erdkruste aufsteigt und der Hotspot ist die Entsprechung an der Oberfläche.

 

Schema eines Manteldiapirs © Ingo Wölbern, eigenes Werk, gemeinfrei

Schema eines Manteldiapirs © Ingo Wölbern, eigenes Werk, gemeinfrei

Die Vorstellung eines Mantelplumes entstand in den 1960er Jahren und zielte darauf ab den Intraplattenvulkanismus, der unabhängig von Plattengrenzen auftritt, zu erklären.

Die meisten aktiven Intraplattenvulkane sind in ozeanischen Gebieten zu beobachten mit dem Hawaii-Archipel als bekanntestes Beispiel. Übrigens sind es basaltische Schildvulkane, siehe Beitrag Schicht- oder Schildvulkan?

Mit zunehmender Entfernung vom heute aktiven Vulkan werden die Inseln älter.

Karte der Hawaii-Emperor-Kette: Die älteren Abschnitte sind vollständig unterseeische. Diese Kette führte zur Diapir/Hotspot These© I. Wölbern - eigenes Werk, gemeinfrei

Karte der Hawaii-Emperor-Kette: Die älteren Abschnitte sind vollständig unterseeische. Diese Kette führte zur Diapir/Hotspot These© I. Wölbern – eigenes Werk, gemeinfrei

Aus dieser Beobachtung leitete man 1963 einen Zusammenhang zwischen Vulkanismus und Plattendrift ab. Der aktive Vulkan, der mit der Lithosphärenplatte wegdriftet, gerät so aus dem Umfeld der ortsfesten Magmaquelle und ein neuer Vulkan entsteht.

Hotspot © CC BY-SA 3.0

Hotspot © CC BY-SA 3.0

Das Modell wurde weiter verfeinert und die Hotspots brachte man in Zusammenhang mit aufsteigenden Plumes. Sie sind das Resultat von Konvektionsvorgängen im unteren Mantel. Mit dieser Annahme konnte auch erklärt werden, dass Hotspot Basalte eine etwas andere chemische Zusammensetzung zeigen als jene Mittelozeanischer Rücken.

Den Ablauf kann man sich folgendermassen vorstellen: Ein Plume durchquert den plastischen Erdmantel und trifft auf die festere Lithosphäre, die wie eine Trennschicht für das aufsteigende Material wirkt. So breitet sich darunter das Material pilzförmig in alle Richtungen aus und gibt Wärme ab, so dass Teile des Mantelgesteins zu schmelzen beginnen. Und je weiter der Plume aufsteigt, desto mehr Material geht infolge des abnehmenden Drucks in Schmelze. Die Druckentlastung bewirkt, dass sich das Magma durch bestehende Klüfte und Gesteinsporen bis in die Erdkruste bewegt, wo es sich in einer Magmakammer sammelt. Der Druck in der Magmakammer wird so aufgebaut bis  die Schmelze schliesslich die Erdoberfläche erreicht. Dies wird als basaltischer Vulkanismus wahrgenommen.

Geht man davon aus, dass Hotspots über lange geologische Zeiträume ortsfest sind, können Bewegungen rekonstruiert werden, die weiter in der Vergangenheit liegen.

Weitere bekannte Beispiele für Hotspot-Vulkanismus sind z. B. die Eifel in Deutschland, die Galápagos-Inseln, der Yellowstone-Nationalpark in Wyoming, der Dekkan Trapp in Indien, der Sibirische Trapp in Russland, Die Insel der Glückseligen und weitere.

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Aug15

Der Begriff “Supervulkan” ist eine Wortneuschöpfung, die einst von den Medien für die Beschreibung der Yellowstone-Caldera geschaffen wurde. Der US-Geological Survey schuf daraufhin eine Definition für Supervulkan-Eruptionen in Abhängigkeit des Vulkanexplosivitätsindexes, dem VEI. Je nach Forschergruppe wird die Grenze Vulkan-Supervulkan bei einem VEI 7-8 oder >8 gesetzt, bei einer Fördermenge von über 1000 km3 Auswurf vulkanischer Asche und Tephra. Diese Definition berücksichtigt nur explosive Ausbrüche und lassen die gigantischen, effusiven Flutbasaltprovinzen unbeachtet.

Was sind Supervulkane?

In der Regel hinterlässt eine Supervulkan-Eruption eine Caldera oder einen Krater mit einem Durchmesser von mindestens 20 Kilometern. Die Tephra-Ablagerungen erreichen in Vulkannähe oft Mächtigkeiten von mehreren 100 Metern.
Das jüngste Beispiel einer Supervulkan-Eruption ist der Ausbruch des Taupo auf Neuseeland vor etwa 26’500 Jahren bei einem VEI von 8 und einer Fördermenge von 1200 km3 Tephra. Entstanden ist der Supervulkan selbst vor etwa 300’000 Jahren und gehört zu den gefährlichsten der Welt.

Panorama des Taupo Kratersees, Nord Insel, Neuseeland © Nydhogg, gemeinfrei

Panorama des Taupo Kratersees, Nord Insel, Neuseeland © Nydhogg, gemeinfrei

Ein weiterer Supervulkan-Ausbrauch fand vor 75’000 Jahren auf Sumatra statt. Der Toba förderte 2’100 km3 Tephra und hinterliess eine 100 x 30 km grosse Caldera: Es ist der grösste Kratersee der Erde. Man vermutet, dass das vulkanische Material bis zu 80 Kilometer hoch in die Atmosphäre geschleudert wurde. Die Asche bedeckte eine Fläche von vier Millionen Quadratkilometern und gelangte bis nach Indien. Wie man sich vorstellen kann, kam es zu einer Veränderung des Erdklimas über einen längeren Zeitraum.

Falschfarben-Satellitenaufnahme des Tobasees, der eine 100 x 30 km grosse Caldera eines Supervulkans darstellt © NASA Landsat - NASA

Falschfarben-Satellitenaufnahme des Tobasees, der eine 100 x 30 km grosse Caldera eines Supervulkans darstellt © NASA Landsat – NASA

Weiter zurück liegt der Ausbruch des Yellowstone Vulkans vor 640’000 Jahren, welcher 1000 km3 Tephra förderte. Der Vulkankomplex selbst ist 17 Millionen Jahre alt und liegt über einem Hot Spot – einer Zone, in der aus einer Tiefe von 45 bis 20 km heisses Material aus dem Erdmantel in die Erdkruste aufsteigt. Das Material der Magmakammer könnte den Grand Canyon elfmal füllen. Schwefelseen und nicht Krater weisen auf den Supervulkan unter dem Yellowstone-Park hin. Auch dieses Gebiet steht immer wieder in den Schlagzeilen, weil es Anzeichen für wiederkehrende Aktivitäten gibt; auch er gehört auf die Liste der gefährlichsten Supervulkane.

Auswirkungen von Supervulkan-Eruptionen sind global, da Asche, Tephra und Gase bis in die Stratosphäre gelangen. Wie sich dies auswirken könnte, wird in der Grafik gezeigt. Die an Vulkanen austretenden Gase sind normalerweise ein Gemisch aus Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2), Schwefeldioxid (SO2), Schwefelwasserstoff (H2S), Salzsäure (HCl) und Fluorwasserstoff (HF). Die Menge und Zusammensetzung der Gase hängt stark von der Gesteinsschmelze ab. Basische bzw. basaltische Schmelzen sind CO2-dominiert, während saure bzw. rhyolithische Magmen Wasserdampf-dominierte Gase hervorbringen.

Der Ausstoss von Asche, Tephra und Gasen grosser Vulkane und die Wechselwirkung in der Atmosphäre © Max-Planck-Institu

Der Ausstoss von Asche, Tephra und Gasen grosser Vulkane und die Wechselwirkung in der Atmosphäre © Max-Planck-Institut

So kommt es zur Verdunkelung der Atmosphäre (global dimming) und die Sonneneinstrahlung wird reduziert (vulkanischer Winter). Bekannte Ausbrüche mit verheerenden Folgen wie der Vesuv (VEI 4), Mount St. Helens (VEI 5) und Krakatau (VEI 6) nehmen sich im Vergleich zum Ausbruch eines “Supervulkans” bescheiden aus. Aber auch sie nehmen klimarelevanten Einfluss auf die Erde.

Was sind Flutbasalte?

Flutbasalte, Plateaubasalte oder Trapps reihen sich in die Kategorie der Magmatischen Grossprovinz (Large Igneous Province, LIP) ein. Aus kilometerlangen Spalten fliesst dünnflüssige, meistens basaltische Lava. Eine solche Grossprovinz kann gut aus 1 Million km3 Magma auf einer Flächen von mehreren Millionen km2 bestehen, das sich intrusiv oder extrusiv in geologisch kurzen Zeiträumen ausbreitet. Neben den Ozeanböden stellen die kontinentalen Flutbasalte die flächenmässig grössten Lavamassen der Erde dar, es sind etwa 45%.

Sibirischer Flutbasalt, Taymyr Peninsula © Paul Wignall; Nature

Sibirischer Flutbasalt, Taymyr Peninsula © Paul Wignall; Nature

Das grösste vulkanische Ereignis der Erde ist der sibirischen Trapp in Russland mit einer Fläche von heute 2’000’000 km² und  7’000’000 km² bei seiner Entstehung vor 250 Mio. J. Das ist grösser als die Fläche Europas. Bekannt sind auch der Dekkan-Trap in Indien von 500’000 km² vor 65 Mio. J. und das Columbia River Plateau in den US Bundesstaaten Oregon, Washington und Idaho mit 160’0000 km² vor 11 – 5 Mio. J..

Als Quelle des Sibirischen Trapps wird ein Mantelplume oder Hotspot vermutet. Die wissenschaftliche Debatte darüber hält jedoch noch an. Auch für den Dekkan-Trapp wird ein Mantelplume vermutet, nämlich der, der zur Zeit den Réunion-Hotspot speist.

Siehe Beiträge:
→ Das Magma: Woher kommt es und wie entsteht es?
Der Aufbau der Erde

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Aug08

Von den 1500 aktiven Vulkanen der Erde sind etwa die Hälfte Schichtvulkane.

Schicht- oder Stratovulkane

Zu erkennen sind sie an ihrer konischen, steilen Kegelform mit einem oder mehreren Kratern. Stratovulkane werfen grosse Mengen an pyroklastischem Material aus: Bis 60 t schwere Bomben können es sein, oder nur kleine glühende Lapilli, Asche oder Tuffe. Wie der Name schon sagt, besteht ein Schichtvulkan aus verschiedenen Lagen von Lava und Asche, beziehungsweise Pyroklastika, was auf ihr grosses Explosionspotential hinweist. Das Magma ist reich an Kieselsäure mit SiO2 > 52 % und deshalb sehr zähflüssig. Solche Laven bewegen sich nur langsam und lagern sich in der Nähe des Kegels ab. Auf diese Weise wird der Vulkankegel aufgeschichtet und nach jeder Eruption erhöht. Nur feine Bestandteile wie Asche und Staub werden über weite Flächen verteilt.

Ein typischer Schichtvulkan: Fuji vom Shōji-See aus betrachtet, © 名古屋太郎, CC BY-SA 3.0

Ein typischer Schichtvulkan: Fuji vom Shōji-See aus betrachtet, © 名古屋太郎, CC BY-SA 3.0

Bekannte Stratovulkane sind der Fuji, der Hausberg Japans, der Mount Mayon auf den Philippinen, der Llaima in Chile, der Merapi in Indonesien, der Vesuv, der Ätna und die Vulkane der Liparischen Inseln, Mount St. Helens und viele andere.

Die restliche Hälfte teilen sich Schildvulkane (ca. 12 %), Maare und Caldera-Vulkane, kleine und kegelförmige Schlacke- und Aschekegel-Vulkane und Lavadome aus zählflüssiger und langsamer, aber schnell erstarrender Lava .

Schildvulkane

Schildvulkane zeigen eine breitflächige Ausdehnung bei flacher Hangneigung. Das Magma ist denn auch viel basischer als beim Stratovulkan mit SiO2 < 50 % und damit auch dünnflüssiger. Eine solche Lava kann weite

Der Skjaldbreiður im Þingvellir, Island: ein typischer Schildvulkan, © Reykholt, CC BY-SA 3.0

Der Skjaldbreiður im Þingvellir, Island: ein typischer Schildvulkan, © Reykholt, CC BY-SA 3.0

Strecken zurücklegen und grosse Gebiete bedecken. Bei den Schildvulkanen gibt es einen zentralen Förderschlot. Bekannte Beispiele sind der Mauna Loa auf Hawaii, der sich 4 km über dem Meeresspiegel erhebt, von seiner Basis auf dem Meeresboden aus gemessen sind es allerdings 10 km. Es ist somit der grösste Schildvulkan der Erde. Weiter Beispiele sind der Vulkan Piton de la Fournaise auf La Réunion, die isländischen Vulkane und die Riftvulkane im Ostafrikanischen Graben. Der grösste und höchste Berg des Sonnensystems ist der Olympus Mons auf dem Mars.

Schlackenkegel

Schlackenkegel sind ein einfacher Vulkan Typus. Sie bestehen aus Partikeln und Tropfen erstarrter Lava, die aus einem einzelnen Schlot ausgeworfen wurden. Wenn gasbeladene Lava kräftig in die Luft geschleudert wird, zerbricht sie in kleine Fragmente, die sich verfestigen und als Schlacke um den Schlot herum zu Boden fallen und einen Kegel bilden. Die meisten Schlackenkegel besitzen einen Krater auf ihrem Gipfel und erheben sich nur selten mehr als dreihundert Meter über ihre Umgebung.

Der Schlackenkegel Paricutín in Mexiko, © gemeinfrei

Der Schlackenkegel Paricutín in Mexiko, © gemeinfrei

Ein Beispiel findet sich in der Nähe des mexikanischen Dorfes Parícutin. Im Jahre 1943 kam es zu einer explosiven Eruption, die mit entweichenden Gasen aus geschmolzener Lava  anfing. Es bildete sich Schlacke, die um die Schlotöffnung liegenblieb und sich zu einem Kegel mit einer Höhe von etwa 400 Metern anhäuften. Die letzte explosive Eruption hinterliess einen trichterförmigen Krater. Nachdem die Gase freigesetzt waren, strömte das geschmolzene Gestein still auf die umgebende Kegeloberfläche und bewegte sich in Form von Lavaflüssen hangabwärts. Die Reihenfolge – Eruption, Entstehen von Kegel und Krater, Lavafluss – beschreibt recht gut die Entstehung eines Schlackenkegels.

Lavadome

Sie entstehen aus relativ kleinen, knolligen Lavamassen, die zu zähflüssig sind, um über weite Strecken zu fliessen und so stapelt sich die Lava über und um den Schlot. Ein solcher Dom wächst durch Ausdehnung von innen.

Der neue Dom im Krater des Mount St. Helens, © gemeinfrei

Der neue Dom im Krater des Mount St. Helens, © gemeinfrei

So wie er wächst, kühlt seine Oberfläche ab und härtet aus, zersplittert dann und befördert einzelne Fragmente über die Flanke. Manche Dome bilden zerklüftete Beulen oder Rücken über der Schloten, andere bilden kurze, steile Lavaflüsse sogenannte “Coulees”. Vulkanische Dome treten in der Regel innerhalb der Krater oder an den Flanken von grossen Schichtvulkanen auf. Ein zerstörerisches Beispiel ist der Mont Pelée auf Martinique. 1902 ging es los mit dem Anwachsen eines Doms am Schichtvulkan, Mont Pelée. Die Küstenstadt St. Pierre, etwa sechs Kilometer hangabwärts im Süden wurde vernichtet und fast 30’000 Einwohner wurden von einem weissglühendem Aschefluss mit enormer Geschwindigkeit und den damit verbundenen heissen Gasen und vulkanischem Staub getötet.

In der unteren Grafik werden die Eruptionseigenschaften in Bezug zu den Vulkantypen aufgezeigt.

Vulkantypen und Eruptionseigenschaften, © CC-BY-SA 4.0

Vulkantypen und Eruptionseigenschaften, © CC-BY-SA 4.0

Zur Frage der geografischen Verteilung der Vulkane und der Beziehung der Vulkane zur Tektonik verweise ich auf die Beiträge: Das Magma, woher kommt es und wie entsteht es?Der Aufbau der Erde, Die sieben SchwesternTomatensauce und Lavabrei.

Und hier noch eine kleine Fragerunde: Welcher Vulkantyp hat Pompeji zerstört?

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Aug01

Die Natur schafft es immer wieder Fragmente des Erdmantels durch vulkanische Aktivität an die Oberfläche zu bringen. So findet man in manchen Vulkanen Gesteinsbruchstücke aus der Tiefe, meistens aus dem Mantel, aus der das Magma stammt. Der Mantel ist nicht flüssig sondern fest und plastisch (verformbar). Der Unterschied zur Kruste besteht in der chemischen Zusammensetzung. In der Kruste sind die grossen Kationen Kalium, Natrium, Aluminium und Silizium häufig, im Mantel Magnesium. Warum das so ist, liegt daran, dass in bestimmten Tiefen unter grossem Druck nur Minerale vorkommen, die in ihre Struktur Elemente (im Mantel Mg 2+ und Fe 2+ ) einbinden können, die zu möglichst dichter Kugelpackung führen.

Durchschnittliche Zusammensetzungen Mantel, kontinentale Kruste und Basalt, alles Eisen als FeO © riannek.de

Durchschnittliche Zusammensetzungen Mantel, kontinentale Kruste und Basalt, alles Eisen als FeO © riannek.de

Deshalb besteht das Mantelgestein hauptsächlich aus Peridotit mit einer Zusammensetzung aus drei recht ähnlichen Mineralen:

  • Olivin MgSiO4
  • Klinopyroxen (Diopsid) CaMg Si2O6
  • Orthopyroxen (Enstatit) Mg2 Si2O6
Peridotit-Xenolith aus San Carlos (SW USA). Das Gestein ist typisch reich an Olivin, durchkreuzt von einer zentimeterdicken Schicht aus grün-schwarzem Pyroxenit © gemeinfrei

Peridotit-Xenolith aus San Carlos (SW USA). Das Gestein ist typisch reich an Olivin, durchkreuzt von einer zentimeterdicken Schicht aus grün-schwarzem Pyroxenit © gemeinfrei

Mg2+ wird dabei häufig durch Fe2+ ersetzt wird. Das System besteht also nur aus MgO, FeO, CaO und SiO2. Für den geringen Anteil an Aluminium kommt eine aluminiumhaltige Phase, die bei niedrigem Druck Plagioklas, bei mittlerem Druck Spinell oder bei hohem Druck Granat ist.

Wo kommen Vulkane vor?

Kontinente, d. h. kontinentale Kruste bewegt sich über die Erdoberfläche und so auch die ozeanische. Diese Platten bestehen aus Kruste und Lithosphäre, dem obersten, starren Teil des Mantels. Sie schwimmen sozusagen auf der Asthenosphäre, dem verformbaren Teil des Mantels.

Die meisten Vulkane treten an den Nahtstellen von Platten auf: An den Mittelozeanischen Rücken und an den “Hot Spots” steigt Mantelmagma auf. Hier ist die Lava dünnflüssig und tritt eher sanft aus. Über den Subduktionszonen als Folge chemischer Umwandlungen und Fraktionierung der Schmelze sind es sehr häufig explosive Ausbrüche. Da der Schmelzpunkt des Mantelgesteins durch freiwerdendes Wasser einerseits erniedrigt wird und anderseits das Wasser sich als Phase von der Schmelze abtrennt, kommt es über Subduktionszonen häufig zu explosivem Vulkanismus. → Die sieben Schwestern

Weltweite Verteilung Von Erdbebenepizentren blaue Punkte und Vulkanen rote Punkte, © Photo credit: Bund.de

Weltweite Verteilung Von Erdbebenepizentren blaue Punkte und Vulkanen rote Punkte, © Photo credit: Bund.de

Exotische Schmelzen

Es gibt auch Bedingungen, unter denen ein Schmelzen des Mantels zu anderen Zusammensetzungen als Basalten oder ein fraktioniertes Gestein davon, führt. Entweder sind die Schmelztemperaturen in grosser Tiefe niedrig, der Gehalt an CO2 sehr hoch oder der Mantel hat sich zuvor angereichert, um so das Entstehen von alkalinen Schmelzen wie Basanit oder Nephelinit möglich zu machen.

Bei grossem Karbonatgehalten im Mantel können Karbonatite entstehen, ein magmatisches Gestein aus Karbonatmineralen, das nur am Ol Doinyo Lengai in Tansania rezent gefördert wird. Beispiele aus der Erdgeschichte gibt es viele, z. B. der Kaiserstuhl.

Zur Feier des Nationalfeiertages sind die Vulkane besonders beliebt. In der Tat lassen sich Vesuv-, Stromboli-, Etna-Vulkane oder sogar ein Feuerwerksvulkan “Säntis” zünden. Viel Spass!

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Jul25

Eine vulkanische Eruption fördert Material aus dem Erdinnern an die Oberfläche. Dies tut sie, je nach Zusammensetzung des Magmas auf sehr unterschiedliche Art und Weise, als Lavastrom, als Aschenwolke, Bims- oder Glutlawine. Das Magma ist eine Schmelze oder Teilschmelze eines Ausgangsmaterials, in der auch Wasser und Gase gelöst sind und in der häufig schon Kristalle schwimmen.

Vulkanische Eruption © CC0 Public Domain, lizenzfrei

Vulkanische Eruption © CC0 Public Domain, lizenzfrei

Wo und unter welchen Bedingungen entsteht dieses Magma und wie kommt es zu den Eigenschaften, die die unterschiedlichen Eruptionsformen hervorrufen?

Zur Beantwortung brauchen wir zuerst einmal eine Vorstellung vom Aufbau der Erde.

Abriss des Erdaufbaus

Schematischer Schalenaufbau der Erde © Wikipedia /gemeinfrei

Schematischer Schalenaufbau der Erde © Wikipedia /gemeinfrei

Wir wissen, dass die Erde aus Schalen aufgebaut ist mit dem innersten Kern aus hauptsächlich Eisen und einem Anteil Nickel. Hinzu kommen geringe Anteile anderer Metalle, Silizium, Schwefel und Sauerstoff. Obwohl die Temperatur bei ungefähr 6’700 ℃ liegt, ist der innere Kern fest, weil ein Druck von 4 Mio Bar herrscht.

Über dem inneren Kern liegt der äussere Kern, der aus einer Schmelze aus flüssigem Eisen und Nickel besteht. Die Temperatur beträgt nur noch 2’900 ℃. Die gigantische Metallschmelze erzeugt durch Rotation und Konvektionsströmungen das Erdmagnetfeld.

Dem äusseren Erdkern folgt der untere Mantel, dazwischen liegt die Kern-Mantel-Grenze, eine Grenzschicht von 200 bis 300 Kilometern Dicke. In dieser Schicht kommt es zu chemischen und physikalischen Wechselwirkungen. Der untere Erdmantel ist fest, jedoch plastisch verformbar. Aufgrund des hohen Temperaturgradienten zwischen Erdkern und Erdoberfläche finden im unteren Mantel Konvektionsprozesse statt. Dabei bewegen sich Blasen heissen Gesteins nach oben, sogenannte Diapire, während kühleres Gestein nach unten sinkt. Die Konvektionsströmungen innerhalb des Erdmantels agieren als ein Antriebsmechanismus für die Plattenverschiebung und können, wenn die Diapire mit der Lithosphäre in Wechselwirkung treten, vulkanische Aktivitäten hervorrufen. Dieser Prozess war sehr wichtig im Erdaltertum, spielt aber auch heute noch eine Rolle, z. B. beim Hot-Spot Vulkanismus.

Zwischen unterem und oberem Mantel gibt es wieder eine Grenzschicht, auf die der obere Mantel folgt. In der rund 300 km mächtigen Zone existieren Schichten, die man Diskontinuitäten nennt, weil sich das Reflektionsverhalten seismischer Wellen verändert. So gibt es eine 410-km-Diskontinuität, in der zusätzlich die Olivin-Minerale einen Phasenübergang vollziehen. Weitere Diskontinuitäten gibt es bei 520 – und 700 Kilometern.

Wärmekonvektion des festen, aber fliessfähigen Erdmantels © Surachit: based on the public domain USGS image, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5384943

Wärmekonvektion des festen, aber fliessfähigen Erdmantels © Surachit: based on the public domain USGS image, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=5384943

Die Asthenosphäre ist Teil des oberen Mantels. Die Asthenosphäre hat keine einheitliche Dicke, da diese z. B. von der Mächtigkeit der über ihr liegenden Lithosphäre abhängig ist. Ihre chemische Zusammensetzung entspricht dem oberen Erdmantel. Es lässt sich auch ein Rückgang der seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit feststellen, was mit Low-Velocity-Zone umschrieben wird.

Der grösste Teil des Magmas, der durch Vulkanismus an die Oberfläche der Erde gelangt, stammt aus der Asthenosphäre.

Auf der zum Teil geschmolzenen Asthenosphäre schwimmt nun die Lithosphäre. Sie besteht aus ozeanischer – oder kontinentaler Kruste und oberem Erdmantel. Auch hier gibt es wieder eine Grenzschicht, die bekannte Mohorovičić oder Moho-Diskontinuität. Entdeckt wurde sie vom kroatischen Geophysiker Andrija Mohorovičić. Hier finden plattentektonische Prozesse statt, die eine wichtige Rolle bei der Gestaltung der Erdoberfläche spielen.

Die Lithosphäre schwankt in ihrer Dicke erheblich. Unter den ozeanischen Rücken mit nur wenigen Kilometern ist sie besonders dünn, während sie unter den Kontinenten bis zu 200 Kilometern erreichen kann. Die Lithosphäre besteht aus sieben Hauptplatten und mehreren kleineren Platten, die sich aufeinander- oder voneinander bewegen.

Tektonische Platten © gemeinfrei

Tektonische Platten © gemeinfrei

In diesen Grenzbereichen kommt es dann vermehrt zu tektonischen Ereignissen wie Erdbeben oder vulkanischer Aktivität. Bewegen sich zwei Platten aufeinander zu und schiebt sich eine Platte unter die andere, sprechen wir von Subduktion entlang einer Subduktionszone ( → Die sieben Schwestern). Entfernen sich Platten voneinander, dann wird die Erde aufgerissen und Magma quillt an die Oberfläche. Wir sprechen von einem ozeanischen Rücken, wo neue Kruste entsteht. Wenn Platten nur aneinander vorbeiziehen, ist es eine Bewegung quer zueinander, es handelt sich um eine Transformstörung wie z. B. die berühmte San Andreas Verwerfung. Hier sammelt sich Spannung an, die sich in spontanen Druckentlastungen als Erdbeben entlädt.

Die verschiedenen Arten von vulkanischen Eruptionen sollen im nächsten Beitrag Thema sein. Entspannte Woche!

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Jul18

Einige Kilometer nördlich von Sizilien im Tyrrhenischen Meer liegen die Liparischen Inseln. Bei den Alten Griechen und auch heute heissen sie Äolische Inseln, benannt nach Aiolos, dem Gott des Windes. Man sollte sich des ersteren Namens bedienen, denn die Liparoti, wie die Einwohner der Hauptinsel Lipari heissen, legen Wert darauf. Zur Inselgruppe mit einer Gesamtfläche von 115,4 km² zählen sieben bewohnte Inseln, die von den Einheimischen die “Sieben Schwestern” genannt werden.

Liparische Inseln © lizenzfrei Aeolian_Islands_map ©CC by-Sa 3.0

v.l.n.r.: Liparische Inseln © lizenzfrei / Tyrrhenisches Meer mit den Liparischen Inseln, Quelle: CC by-Sa 3.0

Sie alle sind vulkanischen Ursprungs und wurden 2000 von der UNESCO zum Weltnaturerbe erklärt, weil sie Typlokalitäten der Vulkanologie sind. Auf sie gehen denn auch die zwei Arten von Eruptionen, der Vulcano- und Stromboli-Typ, zurück.

Alle Inseln sind vulkanische Produkte als Folge von plattentektonischen Bewegungen, wobei sich die afrikanischen Platte unter die europäische Platte schiebt.

Die Afrikanisch Platte schiebt sich unter die Eurasische. Der Plattenrand ist rot ausgezeichnet © ESAufbauschema eines Strato- oder Schichtvulkans

Die Afrikanisch Platte schiebt sich unter die Eurasische. Der Plattenrand ist rot ausgezeichnet © ESA / Aufbauschema eines Strato- oder Schichtvulkans ©Aufbauschema eines Strato- oder Schichtvulkans mit Caldera ©CC Attribution-ShareAlike License

Zwei Vulkane sind heute noch aktiv: Vulcano und Stromboli, beides typische Schicht- oder Stratovulkane.

Die heutige Aktivität von Vulcano beruht vor allem auf den unzähligen Fumarolen im Kraterbereich, wobei der Anteil der Solfataren (hoher Schwefelgehalt) besonders gross ist. Am Fusse des Vulkans gibt es noch eine andere Überraschung, die Schlammtümpel, die ein Eldorado für Gelenkskranke sind. Mehrere heisse Quellen speisen die “Fangi” und nebenan auf dem Meeresboden warten die heissen Sprudel.

Von Stromboli lässt sich sagen, dass er weltweit der einzige Vulkan ist, welcher in kurzen, relativ regelmässigen Abständen ausbricht. Die Eruptionen finden in mehreren Kratern statt, welche sich alle in einer Caldera befinden und da der Rand durch einen Einschnitt unterbrochen ist, rutscht das ausgeworfene Material bei grösseren Ausbrüchen die “Sciara del fuoco”, auf der Feuerrutschbahn also hinunter ins Meer.

Dank der Abgeschiedenheit der Insel und der Tatsache, dass für das feurige Spektakel 900 Höhenmeter zu Fuss zurückgelegt werden müssen, ist Stromboli vom Massentourismus immer noch weitgehend verschont.

Der Vulkan Stromboli
Die Äolischen Inseln

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Die Lösung

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