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!

1 Kommentar »

Dez08

In Oman im Hadschar Gebirge verläuft auf einer Länge von rund 600 Kilometern die Moho-Grenzschicht an der Oberfläche. Dies ist die Sensation und das Mekka der Geologen. Über die Moho kann sonst nur spekuliert werden und nur  in Oman liegt dieses Gestein offen an der Erdoberfläche.

Der Kontakt zwischen Erdmantel und Erdkruste, der normalerweise zwischen 35 – 70 km tief unter den Kontinenten und 5 – 10 km unter dem Ozeanboden liegt, heisst Mohorovičić-Diskontinuität oder einfach MOHO. Benannt ist sie nach dem kroatischen Wissenschaftler Andrija Mohorovičić, der 1909 während eines Erdbebens in Zagreb diese Grenze entdeckte. Seismische Wellen breiten sich nämlich unterhalb dieser Grenze um 30% schneller aus als oberhalb. Es ist eine scharfe Diskontinuitätsfläche, die die Erdkruste vom Erdmantel trennt. Diese Diskontinuität wird durch den Übergang von basischen zu ultrabasischen Gesteinen, es sind dies Peridotite mit viel höherer Dichte, hervorgerufen.

Samail-Ophiolite Briefmarke von Oman © colnect.com Hadschar Gebirge, Oman @ Google Map Moho an der Oberfläche, Wadi Abyad, Hadschar Gebirge, OmanMOHO - Grenze zwischen Erdkruste und oberer Erdmantel MOHO-Grenze zwischen ozeanischer Kruste aus basischen Gesteinen und oberem Mantel aus Peridotiten

v.l.n.r.: Die Ophioliten von Oman als Briefmarke © colnect.com; Hadschar-Gebirge, Oman © Google Maps; MOHO im Aufschluss, Wadi Abyad © Chuck Bailey; Schematischer Aufbau der Erde, © JOIDES; Ozeanisches Profil der Gesteinsabfolge und des Übergangs ozeanische Kruste oberer Mantel © Chuck Bailey;

Die über 3000 m hohen Gesteinsformationen des Hadschar Gebirges bieten zudem Einblicke in 825 Millionen Jahre Erdgeschichte und wie gewaltige Schuppen durchbrechen Teile der Arabischen Platte den Boden. Auffallend ist eine vulkanische Schicht, die Samail-Ophiolith-Schicht, eine z.T. mit Chrom und Kupfer angereicherte Formation, die sich über ein Gebiet von 20’000 Quadratkilometern erstreckt. Es sind Ophiolite, ein Gestein, das normalerweise den Sockel des Meeresbodens bildet. Das Hadschar Gebirge bietet den Geologen, Petrologen und Seismologen reichlich Stoff zum Erforschen von Schichten, die sonst mehr oder weniger tief im Erdinnern verborgen sind!

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