Vorlesung 5:

Physik der Entstehung eines Lavadoms

Staukuppe beim Novarupta, Valley of Ten Thousand Smokes, Alaska.

Vier MorphologischeDomtypen im Profil

Mono-Crater, Kalifornia

Montserrat

Unzen-Vulkan, Japan

Tertiärer phonolitischer Dom Hohentwiel bei Singen

Unterschiedliche Domformen (dunkel = Lavadomkruste und Dom inneres, hell = Schutthang

Das Diagram zeigt die Höhe verschiedener Domtypen in Abhängigkeit von Ihrem Radius: abgeflachter Lavadom = Kreis, Staukuppe=Dreieck, Stoßkuppe= Viereck.

Staukuppe

Staukuppen sind runde, steilseitige Hügel, welche durch zähflüssiges Magma (normalerweise dazitisches oder rhyolitisches), gebildet werden.Die entsprechenden Laven sind zu zähflüssig, um sich weit von der Ausbruchstelle zu entfernen, bevor sie erstarren.

Dom durch Aufstauung hochviskoser, an der Oberfläche fast erstarrter Magmen entstandene Kuppe, bzw. Lavapfropf. Ein Dom kann explodieren, oder kollabieren.

Stau- und Stoßkuppen Das hoch viskose saure Magma von Vulkanen mit meist explosiver Förderung kann meist nicht mehr in Lavaströmen auszufließen. Es wird allenfalls an die Erdoberfläche aufgepreßt und bildet dort steile Felsnadeln (Stoßkuppen); oder es erstarrt schon unterirdisch in Form vertikaler Intrusivkörper (Staukuppen oder Dome). Staukuppen können bei späteren Gasansammlungen im Herd langsam aufgepreßt werden und als Stoßkuppen aufragen; dieses Aufpressen kann viele Jahre dauern. Beim nächsten Vulkanausbruch werden die Stoßkuppen weggesprengt.

Der Mechanismus der Staukuppen gliedert sich in zwei Hauptphasen:1. Aufbauphase: Aufstau einer kompakten Lavamasse über der Schlotöffnung unter Bildung einer brekziösen Außenkruste(Autobrekziation).2. Zerstörungsphase: Einmuldung oder Einbruch der Kuppe nach Abschluß der Förderung als Ausgleich eines Massendefizitsim Innern der Kuppe oder im Schlot.

Die allgemeinste Form einer solchen subaerisch entstandenen andesitischen Staukuppe ist in Abb. dargestellt. Eine großbrekziöse Kruste umgibt einen massigen Kern mit Steilem, randlich invers geneigtem Fließgefüge.

Ein späterer Nachschub aus dem Schlot preßt den erstarrten Kuppenkern gegen das Dach, das in radialen Spalten aufreißt. Solche Radial spalten wurden an anderen Staukuppen zum Teil im Entstehen beobachtet. Das nachdringende Magma füllt die Spalten aus und staut sich über ihnen in der Art kleiner Staurücken auf. Da alle Spaltenfüllungen gemeinsamer Bewegung unterliegen, sozusagen zusammen einen in einzelne Segmente zerlegten neuen Schlot bzw. Kuppenkern darstellen

Dazit ist ein hellgrauers Gestein mit 63 bis 68 Prozent Quarz (SiO2).

Rhyolit ist ein helles vulkanisches Gestein mit mehr als 68 Gewichtsprozent Quarz (SiO2). Natrium- und Kaliumoxide können bis 5 Gewichtsprozente ausmachen. Die wichtigtsen Mineralanteile sind Quarz, Feldspat und Biotit, meist in einer glasigen Matrix. Rhyolit bricht bei Temperaturen von 700 to 850°C aus.

Stau- und Stoßkuppen entstehen beim Austritt von sauren Laven, die so hochviskos sind, daß sie kaum fließen können. Sie werden zäh und langsam aus dem Förderkanal gepreßt. Nach dem Erstarren bilden solche Stoßkuppen oftmals landschaftlich markante Stotzen, Felsnadeln oder so genannte Lavadome. Wenn der Pfropfen den Förderschlot abschließt, kann sich darunter ein großer Druck aufbauen und den Pfropfen wegsprengen.

Ein weiterer, für das Verständnis des Verhaltens von Magmen wichtiger Faktor ist, daß Magmen keine idealen Flüssigkeiten sind: während diese auf die kleinste Kraft mit Deformation reagieren, ist zur Deformation nicht-idealer (Bingham-) Flüssigkeiten eine "Schwelle" zu überwinden (0) (engl.: 'yield strength'). Bei hochviskosen Laven ist auch die 'yield strength' relativ groß, so daß rhyolitische Laven meist nicht fließen können und daher keine Lavaströme, sondern Dome bilden.

Bingham-Flüssigkeit (plastisch-viskose Flüssigkeit)Unterhalb der Fließgrenze B keine Deformation, bei Überschreitung viskoses Verhalten.

Rheologische Gesetz einer Suspension

Fließgrenze einer Suspension

Fließgrenze ist von der Lavakristallization verursacht. Die Kristalle bilden eine Kette, die eine bestimmte Wert von der Scherspannung überstehen kann.

Wegen einer schnellen Abkühlungsprozeß in der Nähe haben die Kristalle in einer Lava eine „Nadel“-oder „Stern“-artige Form, die heißen Dendrite.

Wachstumsstadien des Showa-Shinzan-Doms (Hokkaido, Japan), vom Postbeamten Mimatsu auf das Papierfensters seines Buros gezeichnet. Ab Anfang 1944 waren Seeablagerungen im Gebiet des heutigen Doms um 200 m gehoben worden. Sie wurden vom Showa-Shinzan-Dom durchgebrochen, der bis zum 10. September 1945 um 100 m in die Höhe wuchs.

Bild des heutigen, im Inneren noch heißen Doms. Fumarolen links unten am Dom

2R

H

Andesitischer Dom des Merapi bei Vogjakarta, Indonesien

Förderungsrate ist klein,

Magmaviskosität ist hoch,

Kühlungsrate ist schnell=

= effektive Krustenbildung

Förderungsrate ist hoch,

Viskosität ist klein,

laterale Geschwindigkeit ist groß=

= schwache Krustenbildung

Antriebskräfte des Wachstum eines Lavadoms: 1. Auftriebskraft ~ •g •H² •R2. Kraft vom inneren Druck~ Po •R²

Po

H

2R

Verzögerungskräfte die gegen des Wachstums eines Lavadoms wirken:3. Viskose Reibungskraft ~ • Scherrate •R² = •(U/H+U/R) •R²= •(1+R/H)•R³/t4. Kraft der Fließgrenzespannung ~•R²5. Viskose Reibungskraft in der Kruste ~ c• Scherrate •R•c = c •(U/H+U/R) •R c = = c •(1+R/H)• c •R²/t6. Kraft der Fließgrenzespannung in der Kruste ~ c•R²

U~R/t

c

c

Antriebskraft Verhinderungskraft R(t) H(t) H(R)

______________________________________________________________________1. Auftriebskraft=

viskose Reibungskraft

_______________________________________________________________________________________

2. Auftrieskraft=

Fließgrenze-Spannungskraft

________________________________________________________________________________________

3. Auftriebskrat=

viskose Reibungskraft

in der Kruste

________________________________________________________________________________________

4. Auftriebskraft=

Fließgrenze-Spannungskraft

in der Kruste

_______________________________________________________________________________________

5. Kraft vom inneren Druck =

jede Typ von Verhinderungskraft

tHRHg

3

2 81

133

tQg 4

1

)1(3

t

gQ 13

1

22

R

gQ

22 RHg 51

22

tQg 5

1

2

2

)(

t

gQ

71

2/)16(5.0

3

tkQg

c

tHRtkHg c

2

5.02 )(

161

222

RQkg

71

7/17/2

)(

tQkg

c

5.02 )( tkRHg c

21

R

g

41

214

5.0

2

tkQg

c

41

2

2

)(

tkg

c

14

1

2

22

)(

QgRkc

20 RP 3/1tQ 3/1tQ R

R ~ t0.24

H ~ t0.28

V ~ t0.88

H ~ R1.14

Mount St. Helens Lavadom (10 <t <2200 Tage)

Wahrscheinliche Model des Lavadoms:

Kraft vom inneren Druck = Zugfestigkeitkraft der Lavadomkruste

Model R(t) H(t) H( R )1 0.455 -0.03 -0.0662 0.352 0.176 0.53 0.449 -0.017 -0.0384 0.315 0.25 0.7945 0.239 0.293 1MSH 0.24 0.28 1.14

V ~ t1.66 (1<t<20 Tage)

V ~ t0.437 (40<t<150 Tage)

La Soufrière, Monserrat

R ~ t0.76 (1<t<20 Tage)

R ~ t0.13 (40<t<150 Tage)H ~ t0.35 (1<t<20 Tage)

H ~ t0.21 (40<t<150 Tage)H ~ R0.47 (1<t<20 Tage)

H ~ R1.5 (40<t<150 Tage) t< 20 R(t) H(t) H( R )1. 0.748 0.165 0.2212 0.664 0.332 0.53 0.783 0.094 0.124 0.705 0.25 0.3555 0.553 0.553 1Daten 0.76 0.35 1.4740<t<150 R(t) H(t) H( R )1. 0.289 -0.141 -0.4872 0.175 0.087 0.53 0.259 -0.080 -0.3114 0.094 0.25 0.2675 0.146 0.146 1Daten 0.13 0.21 1.5

Morphologie Lavadomkruste

kHUPe

Dicke der thermischen Grenzschichte/Dicke des viskosen Flusses UmgebungMagma

ErstarrungMagmaS TT

TT

Unzen, Japan

3,5 m³/s

Soufrière Hills, Montserrat

Soufrière Eruption vom 9. Oktober 1997

Wie auf dem Bild des Pietre Cotte-Rhyolith-Stroms am Nordhang der Fossa, Vulcano, Äolische Inseln. Lavastroms von Vulcano zu erkennen ist, ist rhyolitische, also sehr zähflüssige Lava nur sehr bedingt fließfähig. Rhyolitische Lavenströme sind daher immer sehr dick. Typischer als rhyolitische Laven sind Dom-Komplexe, also Lavadome, die durch mehrere Intrsuionsphasen zwiebelartig aufgebaut sind.

Showa Shinzan, Vulkan Usu, Japan

Merapi, Indonesia7.54° S,

110.44° E, 2911 m

Ansicht des Lavadoms auf Monserrat1. Lava quillt aus dem Schlot und bildet einen Dom.

2. Nach zwei-bis drei Monaten ist der Dom so groß, dass nachströmende Lava kaum noch hinausdringen kann. Auch übt der große Dom immer stärkeren Druck auf den alten vulkan aus.

3. Der Dom und Teile des Vulkans zeigen infolge der Belastung Zerfallszeichen und stoßen erst kaltes, dann Lawinen von heißem Gestein die Vulkanhänge hinunter.

Location: 23º22'S; 68º34'WTyp: Dacite LavadomeSpitzehöhe: 5641mAufbauhöhe: 1400mStatus: Eruptive

Lascar, North Chilie

Popocatepetl, Mexico19.02°N, 98.62°W; 5465 m

Popocatepetl, MexicoLocation: 19.0 N, 98.6 W

Elevation: 17,925 feet (5,465 m)

Mount St. Helens, USA

Drachenfels bei Bonn (Trachytmagma)

Olbrück bei Rieden (Phonolithdom)

Hohentwiel bei Singen (Phonolithdom)

Im Rahmen der Ausdünnung der Kruste in einem neuen europäischen Spannungsfeld kam es zu tektonischen Schollenbewegungen und zur Bildung von Vulkanen. Sie förderten in erster Linie mächtige vulkanische Aschelagen (helle Trachyttuffe), später Laven andesitischer, trachytischer und basaltischer (Trachyte, Andesite, Trachytdolerite und Feldspatbasalte) Zusammensetzung. Diese durchschlugen die zuvor geförderten Tuffe (Abb.1).

Bärenstein b. Annaberg, Erzgebirge

Annaberg-Buchholz, Stadt, Erzgebirge

Zeugenberg mit Nephelinit-Kappe

Hirtstein, OT Satzung, Erzgebirge

Die erstarrte Lava, ein basaltähnlicher Augit-Nephelinit war im geschmolzenen Zustand über 1100°C heiß und hat sich bei der Abkühlung so stark zusammengezogen, dass sie in längliche, säulenartige Stücke zersprungen ist - ein Phänomen, das viele vulkanische Gesteine zeigen, so z.B. auch der Nephelinit der Burg Stolpen oder der Porphyrfächer von Mohorn-Grund bei Freiberg.

Nephelinit-Staukuppe

Der berühmte, rund 43 Kilometer lange, aber nur 3-4 Kilometer breite und in etwa parallel zum Limagne-Graben angeordnete Komplex bildet eine Kette von ca. 90 Schlackenkegeln, Staukuppen, Domen und Maaren. Er ist das jüngste Vulkangebiet des kontinentalen Europa und zugleich eines seiner interessan-testen.