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Endogene Krafte - Vulkanismus an den Plattenrandern und Intraplattenvulkanismus




Endogene Kräfte

Vulkanismus an den Plattenrändern und Intraplattenvulkanismus

            Die Mehrzahl der aktiven Vulkane befindet sich an Subduktionszonen. Ob Tiefseegräben oder Vulkanketten an den Kontinenträndern - all diese Vulkangürtel stellen Erdnähte erster Ordnung dar. Der Name "Feuerring" für die aktiven Vulkanketten rings um den Pazifik kommt nicht von ungefähr. 65% der, in den letzten 10 000 Jahren, aktiven Vulkane liegt in diesem Bereich des pazifischen Feuerrings. Dieser Gürtel zieht sich von Chile über Mittelamerika, den Westrand von Nordamerika, Japan bis Neuseeland. All diese Vulkangebiete liegen über Subduktionszonen. Ebenso gehören auch die relativ jungen Vulkane des mediteranen Raumes oder des Nahen Ostens zu dieser Gruppe.

            Der größte dieser Andesitvulkane ist der Fujiyama, wobei wohl bedacht werden muß daß er mit seiner Masse von ca. 900 km³ nur ungefähr 5% der Masse einer der großen ozeanischen Vulkaninseln hat.



            Vulkane an solchen Subduktionszonen treten erst 150 bis 300 km von Tiefseegräben entfernt auf. Sie erreichen in der sogenannten "vulkanischen Front" ihre höchste Dichte. Diese beginnt zwischen 100 und 200 km oberhalb einer Subduktionszone. Somit sind Magmaaufstieg und die Eruptionsraten entlang dieser Front am höchsten. Hauptvulkanzonen entlang dieser Front sind zwischen 10 und 50 km breit. Die schmalen Vulkangürtel einer vulkanischen Front sind an Orten wie Japan, wo eine hohe vulkanische Dichte herrscht, in 100 bis 300 km lange, gegeneinander versetzte, Segmente unterteilt.

            Die Andesite, welche die für die Subduktionszonen charakteristische Form des Vulkangesteins darstellen, sind die komplexeste Magmengruppe mit der sich die Wissenschaft heute befaßt. Es gibt hier nicht nur verschiedene Mechanismen zur Magmenentstehung, sondern auch verschiedene Arten von Ausgangsgesteinen. So wird der meiste Teil des Wassers der abtauchenden ozeanischen Lithosphäre wieder "ausgeschwitzt" und löst beim Aufstieg die Magmenentstehung aus die für die Bildung der Vulkane beispielsweise des zirkumpazifischen Feuerrings verantwortlich ist.

            Somit vollzieht sich in den Subduktionszonen ein gewaltiger geologischer Kreislauf. Die abtauchende Erdkruste enthält so viel Wasser, daß die gesamte Wassermenge der Ozeane in ca. 500 Mio. Jahren wieder dem Erdinneren zugeführt wird. Dieser Zyklus schließt sich mit der Erosion der Vulkane die somit wieder mitsamt der subduzierten Kruste bis ca. 700 km in den Erdmantel abtauchen um wieder als neues Material ausgegeben zu werden.

 

            Intraplattenvulkane sind all jene kontinentalen und ozeanischen Vulkane, die nicht an Plattenrändern entstanden sind. Hier ist die Menge des aufsteigenden Magmas geringer, jedoch sind sie leichter zugänglich und deshalb besonders gut untersucht.

            Ozeanische Vulkaninseln haben wahrscheinlich die größte Bedeutung aller Vulkane für die Vulkanforschung. So ist der aktivste und bestuntersuchteste Vulkan ist Kilauea auf Hawaii. Er ermöglichte die besten Einblicke in Aufstieg, Differentiation und Eruptionsmechanismus. Weitere ozeanische Intraplattenvulkane sind die gesamten Inselgruppen und -ketten von Hawaii, Samoa, Tahiti, Galapagos oder die Osterinseln; auch Island, die Azoren, Madeira oder die Kanaren gehören dazu. Vom Meeresboden aus gerechnet sind die höchsten Berge der Erde vulkanische Ozeaninseln. Die gewaltige Erhebung des Mauna Loa auf Hawaii beispielsweise, der sich noch 4500 m über den Meeresspiegel erhebt, enthält genug Lava um die gesamte Schweiz mit einer 1 km dicken Basaltschichte zu bedecken. Die häufigsten Vulkane sind jedoch die oft über 1000 m hohen submarinen Seeberge, deren Magmamengen nicht reichten sie über den Meeresspiegel zu heben. Allein im Pazifik gibt es ca. 30 000 solcher Seeberge.

            Über die submarinen Sockel der Vulkane weiß man so gut wie nichts (und diese machen immerhin über 90% aus!) Mit wachsender Größe und abnehmendem Wasserdruck kann das im Magma gelöste Gas Blasen bilden. Diese zerreißen die Schmelze und es kommt zu einer explosiven Reaktionen die Größe des Berges erweitern. Bei zunehmender Größe wird der Kern vom Wasser isoliert und kann durch Lavaströme stabilisiert werden. Dies konnte 1963-64 bei dem neu entstandenen Vulkan Surtsey gut beobachtet werden. Bei hohen Eruptionsraten bauen sich die sogenannten Schildvulkane auf, die das Grundgerüst für Inselketten bilden.

            Die meisten kontinentalen Intraplattenvulkane befinden sich entweder auf sich noch hebenden paläozoischen Blöcken oder in tektonischen Gräben. Die typische Form dieser Vulkane ist der Schlackenkegel. Meist sind es hierbei gleich Vulkanfelder von 30 bis 80 km Durchmesser die aus bis zu mehreren hundert Schlackenkegeln bestehen. Zu den bekanntesten zählen der Eifel und Chaine des Puys (beide in Frankreich).

            An Intraplattenvulkanen lassen sich einige geodynamische Hypothesen aufstellen und erforschen. So ist es möglich, daß sie nur an sogenannten mantle plumes auftreten - Mantelströme die aus dem oberen oder sogar unteren Mantel aufsteigen. Sie könnten kontinentale Riftzonen anzeigen, die für ein auseinanderbrechen der Kontinentalplatten verantwortlich wären.

            Hierbei stellt sich auch eine Theorie, nach der die ozeanische Lithosphäre über einen im Mantel verankerten Kern, den hot spot, wandere, in dem die aufsteigenden Basaltmagmen erzeugt werden. Spuren hierfür lassen sich an der mehr oder weniger linearen Altersabnahme der pazifischen Vulkanreihen erkennen. Hier zeigt sich eine systematische Altersabfolge mit einer Wandergeschwindigkeit von ca. 8-10 cm pro Jahr. Außerhalb des Pazifiks sind diese Beispiele für regelmäßige Vulkantätigkeit jedoch selten.

            Das auffälligste Zeichen für hot spots ist jedoch nicht die erhöhte Magmaproduktion sondern die deutlich erkennbaren Aufwölbungen. Hawaii sitzt zum Beispiel auf einem Hochgebiet der hawaiianischen Schwelle, das einen Durchmesser von 2000 km und eine Höhe von ca. 1,2 km hat. Ungefähr 10-40% der Erdoberfläche bestehen aus solchen Hot-spot-Aufwölbungen.



            All diese Intraplattenvulkane bilden in eine Tiefe von bis zu 200 km "Wurzelzonen" aus, in denen beispielsweise Erdbebenwellen gedämpft werden. Diese Wurzelzonen haben eine geringere Dichte als die restlichen Mantelzonen. Diese Wurzeln können nun in Hot-spot-Gebieten "nur" bis 100 km tief reichen, während man am Roten Meer, in ruhigeren Gebieten, eine bis 550 km reichende Wurzelzone vorfand.

            Vulkane an Subduktionszonen sind gegenüber anderen von höherer Explosivität, da das von ihnen geförderte Magma wasserreicher ist und leichter zur Bildung von Gaskammern einläd. Bei Intraplattenvulkanen müssen auch exogene Faktoren berücksichtigt werden (Wasserspeicher in nahen Sedimentschichten oder Klüfte in der Umgebung des aufsteigenden Magmas). Somit sind viele der Explosionen einfache Wasserdampferuptionen. Die Forschung wird also in Zukunft noch stärker versuchen auf die Morphologie oder die Gesteins-beschaffenheit einzugehen.

Negative und positive Auswirkungen des Vulkanismus

            In den letzten 400 Jahren starben mehr als 250 000 Menschen bei Vulkaneruptionen. Aufgrund der ständig wachsenden Bevölkerungsdichte vergrößern sich auch die Gefahren durch Vulkaneruptionen ständig. Die direkten Gefahren dieser Vulkanausbrüche sind Aschenfälle, austretende Gase, Druckwellen und Schlamm- und Lavaströme. Besonders gefährdet sind Gebiete um Vulkane deren Eruptionen durch jahrhundertelange Ruhepausen getrennt sind. Ein Beispiel hierfür ist der berühmte Vesuv bei Neapel. Zur Zeit seiner großen Eruption siedelten ca. eine Million Menschen in dieser, höchst gefährdeten, Zone.

            Hauptgefahren bei solchen Eruptionen sind die extrem heißen Gase oder anderen Partikel, die als Dichteströme mit Geschwindigkeiten von 10-100 m/s die Hänge des Vulkans herunterbrausen können. Diese sogenannten pyroklastischen Ströme sind wegen ihrer Geschwindigkeit eben besonders gefährlich (ihretwegen kamen 1902 in Martinique 30 000 Menschen bei der Eruption des Montagne Pelée ums Leben)

            Vulkanische Schlammströme können sowohl aus Wasser von Kraterseen als auch von Gletschern bestehen. Die, durch die Vermischung der heißen Vulkanpartikel und des Wassers, entstehenden Schlammstöme sind oft kochendheiß und können ganze Städte überfluten.

            Lavaströme sind, ebenso wie die Schlammströme, sehr gefährlich und können auch ganze Städte verschwinden lassen.

            Somit ist eines der vordringlichsten Ziele der Vulkanerforschung die Vorhersage von Eruptionen. Dies ist vor allem in dicht besiedelten Gebieten sehr wichtig um eine rechtzeitige Evakuierung zu ermöglichen. Auch für weitere Vulkanforschung wäre der genaue Zeitpunkt sehr hilfreich um weitere Forschungen direkt nach der Eruption betreiben zu können. Vulkaneruptionen sind genau so unvorhersagbar wie das Wetter - sie gelingen nur in den seltensten Fällen und nur bei ausreichend dokumentierten Vulkanen.

            Gefahren können durch genaue geologische Untersuchung der Geschichte des Vulkans gefunden werden, aber meist lassen sich dadurch nur Rückschlüsse auf Art, Größe und Wahrscheinlichkeit zukünftiger Eruptionen schließen - jedoch nicht deren Zeitpunkt. Der Zeitpunkt kann nur durch genaue, ununterbrochene Beobachtung geschätzt werden. In den letzten 25 Jahren gab es aber eine enorme Entwicklung in der Vorhersage von Vulkaneruptionen. So wurden manche Ausbrüche bis auf ein paar Tage genau vorhergesagt. Besonders bedeutend sind hierbei Analysen von Erdbeben und Bodendeformationen. Am immer noch aktiven Mt. St. Helens wurden Eruptionen oft auf den Tag, ja, auf die Stunde genau vorhergesagt. Doch wegen der hohen Kosten dieser Eruptionsvorhersage können nur ca. ein Dutzend Vulkane ständig überwacht werden.

            Heute unterscheidet man zwei Arten der Vorhersagen:

· Die Prognosen, die nur eine vage Ankündigung einer zukünftigen Eruption geben (in Monaten, Jahren oder Jahrzehnten).

· Und die Vorhersagen, die eine genaue Zeit und Art der Eruption beinhalten. Nur wenn diese Vorhersagen mit größtmöglicher Genauigkeit gemacht werden können, kann die Glaubwürdigkeit bewahrt bleiben. Denn Evakuierungen ohne nachfolgende Eruption sind lähmend und haben meist zur Folge, daß auf die nächste Warnung nicht mehr gehört wird. Somit ist es für die Vulkanforscher ein hartes Stück Arbeit, wenn sie ihre Glaubwürdigkeit behalten wollen.




            Durch Vulkaneruptionen können auch gigantische, globale Wirkungen zeigen, wie zum Beispiel das "Jahr ohne Sommer", in dem die nördliche Halbkugel stark abkühlte. Diese Abkühlung war durch eine gigantische Aerosolwolke aus dem indonesischen Tambora-Vulkan bedingt. Die Landwirtschaft wurde in Indonesien so stark in Mitleidenschaft gezogen, daß durch die nachfolgende Hungersnot auf den beiden Inseln Sumbawa und Lombok 80 000 Menschen starben.

            Diese Klimaveränderung kann natürlich auch noch weitaus länger anhalten und weit stärkere Auswirkungen zeigen. So, zum Beispiel, die Faunawende an der Grenze Kreide/Tertiär, als die Dinosaurier und viele andere Arten ausstarben. Diese vulkanischen Aerosole ähneln nicht nur dem sauren Regen, sondern stellen auch ein realistisches Naturmodell des nuklearen Winters dar. Diese Aerosole haben eine Zusammensetzung, die ihnen einen jahrelangen Aufenthalt in der Stratosphäre ermöglicht. So z.B. das magmatische Gas SO2. Dieses Gas kann sich in Verbindung mit dem atmosphärischen H2O in kondensierte Schwefelsäurepartikel umwandeln.

Erdbeben - Vorhersage und Verhütung

            Erdbeben sind schon seit der frühesten Geschichtsschreibung bekannt. Das seit Jahrhundertsten schwerste Erdbeben ereignete sich 1976 in China, in der Provinzhauptstadt Tangshan. Damals starben 240 000 Menschen. Nur ein Jahr zuvor hatten chinesische Wissenschafter eine Gesetzmäßigkeit in der Erdbebenwanderung entdeckt. Die Bevölkerung wurde auch im Erkennen von Erdbeben-Vorläuferphänomenen geschult. Dadurch konnte ein Beben in der Stadt Haitsheng hervorgesagt und die Bevölkerung rechtzeitig evakuiert werden.

            Es gibt kein bestimmtes Muster für Vorläuferphänomene. Man kann also nicht mit Sicherheit ein herannahendes Erdbeben vorhersagen. Auslöser für Erdbeben sind ruckartige Bewegungen an Bruchzonen der Lithosphäre. Diese Ansammlung von Spannung ist mit gewissen Sekundärphänomenen verbunden. Wie kann man sich dennoch wirkungsvoll gegen Erdbeben schützen? Die zur Zeit sicherste Methode ist eine erdbebensichere Bauplanung.

            Es gibt verschiedene Ursachen für Erdbeben. Durch die Untersuchung von Erdbebenwellen konnte das Erdinnere in groben Zügen erforscht werden. Somit besteht die Erde aus Kruste, Mantel und äußerem und innerem Erdkern. Erdbebenwellen laufen nun von einem Punkt ausgehend in alle Richtungen. Wellen die direkt zum Erdkern laufen, werden dort reflektiert und kommen zurück. Je länger der Weg, desto tiefer im Erdkern und umgekehrt. So wurde auch festgestellt daß der Erdkern eine unregelmäßige, flüssige Masse ist. Währe er fest, hätte er inzwischen aufgrund der Gravitation eine Ellipsenform angenommen. Dies ist somit ein Indiz für die gewaltigen Konvektionsströme im Erdinneren. Auf diesem strömenden Mantelmaterial schwimmen die leichteren Kontinentalplatten.

            Durch die Kenntnis der, bei Erdbeben ablaufenden Prozesse, können zukünftige Erdbeben einigermaßen genau vorhergesagt werden. Aus vorgegebenen Parametern kann die seismische Wellenenergie berechnet werden. Um  die Wellenausbreitung zu berechnen sind genaue Kenntnisse der Lithosphäre erforderlich. Oft ist der lokale Baugrund über die schwere des Erdbebens sehr entscheidend.

            Die mit dem Erdbeben verbundene Bodenbewegung ist ausschlaggebend für die Untersuchung der Boden-Bauwerk-Wechselwirkung. Heutzutage wird oft nur die maximale Beschleunigung abgeschätzt. Diese leitet sich von der Erdbebenintensität her. Die Intensität ist jedoch kein sehr zuverlässiges Maß, da sie auf der menschlichen Wahrnehmung und dem Zerstörungsgrad beruht. Ein Vorhersagemodell sollte aber auch über die Dauer der Starkstoß-bewegung und den Frequenzinhalt der Bodenerschütterung enthalten. Die Boden-Bauwerk-Wechselwirkung kann auf verschiedene Arten untersucht werden. Wichtig ist die Schadensinspektion nach Erdbeben. Für Bauingenieure sind dann auch Computer-simulationen oder Simulationen auf Rütteltischen sehr hilfreich. Auch Verwundbarkeits-studien und Verlustabschätzungen sind sehr nützlich. Hierbei geht es um die Effekte eines Bebens in Hinblick auf Schäden an Gebäuden und leibliche Schäden und Verluste sowie Unterbrechungen der Versorgungssysteme. Für solche Schadensszenarien sind auch genaue Kenntnisse des Erdbebens erforderlich.

            Genaue Kenntnisse über die Boden-Bauwerk-Wechselwirkung sind unerläßlich für die Ergreifung von Gegenmaßnahmen. Sehr wichtig ist die Absicherung von Bauwerken (zum Beispiel mit Gummipackungen oder Federn). Dies gilt nicht nur für Wohnhäuser sondern auch für Fabriken, Geschäfte, Kraftwerke, Brücken, Tunnelbauten, etc. In Gebieten wo gezwungen auf Untergrund mit erhöhtem Erdbebenrisiko gebaut wird, müssen eingehende Voruntersuchungen des Baugrundes vorgenommen werden. Auch die Katastrophen-bereitschaft ist eine wichtige Maßnahme zur Begrenzung des Schadens. Sie umfaßt Nahrungsmittellagerung, Notunterkünfte, Hilfstruppen und Evakuierungspläne. Doch durch das große Risiko eines falschen Alarms ist die Erdbebenwarnung noch sehr umstritten, da durch einen falschen Alarm sowohl das Wirtschaftswesen als auch die Psyche der betroffenen Menschen grundlos belastet wird.



Die Kontinentalverschiebungstheorie von Wegener

            Alfred Wegener (1880-1930), ein gebürtiger Berliner, fiel im Jahre 1910 (völlig unbeeinflußt vom Amerikaner F.B. Taylor) bereits die "gute Paßform" der Kontinente beiderseits des Atlantischen Ozeans auf. Bereits 1912 referierte er das erste Mal über seine Hypothese der Kontinentalverschiebung. Nach seiner Theorie durchpflügen die Kontinente, bestehend aus Material mit relativ geringer Dichte ("Sial", hauptsächlich Silicium- und Aluminiumreiche granitische Gesteine mit einer Dichte von ca. 2,7 g/cm³) eine zähflüssige Gesteinsmasse. Diese ist nur an der Oberfläche erstarrt und tritt in den Ozeanböden zutage ("Sima", Silicium- und Magnesiumreiche Basalte mit einer Dichte von 3,0 bis 3,3 g/cm³). Durch diesen Dichteunterschied erfahren die Kontinente einen Auftrieb und ragen über die Ozeanböden hinaus.

            Wegener machte besonders zwei Kräfte für die Kontinentalverschiebung verantwortlich: Die Polfliehkraft, die durch die Erdrotation erzeugt wird und für die Kontinentaldrift von hohen in niedrige Breiten verantwortlich ist, und die Westdrift, die durch Zusammenwirken der Rotationsrichtung von Westen nach Osten und die Präzession der Erdachse verursacht wird. Damit wollte Wegener die Hochgebirge an der Westseite der amerikanischen Kontinente und die entsprechenden tiefen untermeerischen Grabenspalten in Ostasien erklären. Seiner Meinung nach waren sie Ausdruck der Westdrift. Er sah darin das Ausfransen und Abbrechen kontinentaler Krustenschollen während der Wanderung. Die Antillen und die Süd-Sandwich-Inseln beispielsweise würden somit durch die Westdrift entstanden worden sein, während die Kontinente wanderten.

            Wichtige Stützen für Wegeners Theorie waren paläontologische und paläoklimatische Aspekte. Durch genaues Studium des Wissens seiner Zeit, fand er charakteristische Faunen- und Florenprovinzen des ausgehenden Paläozoikums in zusammengehörigen Zonen. Somit konstruierte er einen zusammenhängenden Kontinent, Pangäa, aufgrund dessen er viele weitere Beweise für seine Theorie fand. So fand man Eis von der Vereisung der Antarktis sowohl in Südamerika und Australien als auch in  Südafrika und Indien. Es konnten um den rekonstruierten Kontinent Pangäa viele Floren kälterer bis gemäßigterer Klimazonen nachgewiesen werden. Auch an den Rändern von Südamerika und Afrika konnten einige völlig gleiche Gesteinszonen nachgewiesen werden. Eine moderne Rekonstruktion Pangäas unterscheidet sich zwar in Details von Wegeners, bestätigt aber im Großteil die Richtigkeit seiner These.

            Wegener gab 1915 sein Buch "Die Entstehung der Kontinente und Ozeane" heraus, das bis zu seinem Tode vier Auflagen hatte. Aber trotz seiner guten Beweisführung fand Wegeners Theorie nur wenige Anhänger. Der Grund dafür war,  daß Wegener keinen befriedigenden Mechanismus für die Kontinentaldrift hatte. Da er hauptsächlich Astronomie studiert hatte suchte er die Gründe für die Kontinentalverschiebung in außerplanetaren Kräften. Heute steht jedoch fest, daß die Kontinentaldrift von den erdeigenen Kräften verursacht wird, besonders von Konvektionsströmen im Erdmantel. Die von Wegener in Betracht gezogenen Kräfte wären viel zu schwach. Somit hatte Wegener zwar das Phänomen der Kontinentaldrift richtig erkannt, konnte es aber nicht hinreichend erklären. Dies war Hauptangriffspunkt seiner Feinde und verhinderte eine breite Anerkennung seiner Theorie.

            Neuesten Untersuchungen lassen noch weitere Erkenntnisse zu. So lassen sich an Intraplattenvulkanen einige geodynamische Hypothesen aufstellen und erforschen. Es ist  möglich, daß Intraplattenvulkane nur an sogenannten mantle plumes auftreten - Mantelströme die aus dem oberen oder sogar unteren Mantel aufsteigen. Sie könnten kontinentale Riftzonen anzeigen, die für ein auseinanderbrechen der Kontinentalplatten verantwortlich wären.

            Hierbei stellt sich auch eine Theorie, nach der die ozeanische Lithosphäre über einen im Mantel verankerten Kern, den hot spot, wandere, in dem die aufsteigenden Basaltmagmen erzeugt werden. Spuren hierfür lassen sich an der mehr oder weniger linearen Altersabnahme der pazifischen Vulkanreihen erkennen. Hier zeigt sich eine systematische Altersabfolge mit einer Wandergeschwindigkeit von ca. 8-10 cm pro Jahr. Außerhalb des Pazifiks sind diese Beispiele für regelmäßige Vulkantätigkeit jedoch selten.










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