Von Fumarolen, Geysiren und heißen Quellen

Sie gibt es praktisch überall dort, wo Vulkane aktiv sind, oder es bis vor kurzem waren; Fumarolen und heiße Quellen. Besonders letztere sind bei Touristen gern gesehene Begleiterscheinungen des Vulkanismus und so mancher Kurort verdankt ihnen seine Existenz. Weitaus seltener sind die Springquellen, oder auch Geysire genannten, postvulkanische Erscheinungen. Die schönsten Geysire finden sich im Yellowstone N.P. und auf Island. Dort wird die Erdwärme auch zur Erzeugung geothermaler Energie genutzt.



Fumarolen

Als Fumarolen werden Öffnungen bezeichnet, aus denen vulkanische Gase an die Erdoberfläche dringen. Sie befinden sich im Vulkankrater, an den äußeren Hängen des Kraters, oder im direkten Umfeld eines Vulkankegels. Meist gruppieren sie sich entlang konzentrischer, oder radialer Risse im Vulkan. Fumarolen werden an hand der Temperatur und der Zusammensetzung der austretenden Gase klassifiziert. Grob gesagt sinkt die Temperatur mit wachsendem Abstand zum Eruptionszentrum und mit der Zeit, die nach der Eruption vergeht. Von diese Regel gibt es jedoch zahlreiche Ausnahmen.
Die Temperaturen von fumarolischen Gasen variieren zwischen ca. 1000° C bis zu unter 100° C. Hochtemperatur Fumarolen enthalten relativ große Anteile an Salzsäure, Flußsäure und freien Hydrogenen. Fumarolen mit niedrigeren Temp. ( < 650° C) enthalten einen größeren Anteil Schwefelgas. Bei allen Fumarolen, egal welcher Temperatur besteht das Gas jedoch größtenteils aus überhitztem Wasser, also Dampf. Dominiert nach dem Wasserdampf der Schwefelgasanteil einer Fumarole, so wird sie als Solfatare bezeichnet.
  Fumarolen deren Temperatur weit unter der Siedetemperatur von Wasser, nahe der Lufttemperatur liegen sind reich an Kohlendioxid. Sie haben den speziellen Namen Mofetten. Wenn die topographischen Bedingungen gegeben sind und die Windrichtung stimmt, sammelt sich das Kohlendioxid, da es dichter als Luft ist, in Vertiefungen. Tiere und Vögel die in solche Kohlendioxidfallen geraten, sterben an Sauerstoffmangel. Während der Hekla-Eruption in Island 1947- 1948, sammete sich Kohlendioxid in Vertiefungen nahe dem Vulkan. Schafe, die die Senke durchquerten, erstickten, während die Köpfe der Hirten über den Rand der Senke herausragten. So trugen die Männer keine Schäden davon. Fumarolische Gase bestehen nahezu immer
vorwiegend aus Wasser. Das zweithäufigste Gas ist Kohlendioxid, gefolgt von Schwefelgas und Schwefelsäure. Kohlenmonoxid, Fußsäure, Borsäure, Ammoniak, freie Hydrogene und nichtreaktive Gase wie Argon sind oft in geringen Mengen zu finden.
Mineralien, die im Gas gelöst sind, lagern sich bei dessen Abkühlung am Rand der Fumarole ab. Besonders häufig sind dabei Schwefelablagerungen, wie sie z.B. auf der Insel Vulcano zu sehen sind.
Verändert sich die Gaszusammensetztung, nimmt die Aktivität oder die Temperatur der Fumarolen zu, oder erscheinen neue Fumarolen, so kündigt sich möglicherweise ein Vulkanausbruch an. Das Fehlen fumarolischer Aktivität ist jedoch keine Garantie dafür, daß ein Vulkan nicht wieder aktiv werden kann.

(Mehr über Fumarolen lesen Sie hier)

Heiße Quellen

Nicht alle heißen Quellen sind vulkanischen Ursprungs. Einige liegen sehr weit von den nächsten vulkanischen Gesteinen entfernt. Ihr Wasser wird durch eine Tiefenzirkulation erwärmt, die das Wasser in die unteren Teile der Erdkruste versenkt, wo die Temperaturen der Gesteine durch den natürlichen Wärmegradienten höher sind. Dennoch sind heiße Quellen in vulkanischen Gebieten sehr verbreitet. Vulkanische heiße Quellen verdanken ihre Temperaturen denselben Mechanismen wie die Fumarolen. In der Tat treten diese beiden Phänomene häufig nebeneinander auf. Wie bei den Fumarolen ist es schwer zu sagen wieviel Wasser magmatischen Ursprungs und wieviel Oberflächenwasser ist. Kein Zweifel besteht darüber, daß meist das Grundwasser vorherrscht.
  In Island, zum Beispiel, scheinen kaum vulkanische Volatile dem Grundwasser beigemengt zu sein. Die Aufheitzung muß das Resultat einer Zirkulation sein, bei der das Wasser in Kontakt mit heißem Gestein steht. Die Tatsache, daß es in Wüstenregionen nur wenige heiße Quellen gibt, zeigt die Abhängigkeit vom Grundwasser. Auch gibt es auf Hawaii, wo Grundwasser im Überfluß existiert, trotz der starken vulkanischen Präsenz, nur wenige heiße Quellen mit niedrigen Temperaturen Große Mengen Wasser werden nur wenig aufgeheitzt, während geringe Mengen Wasser zu sehr hohen Temperaturen aufgeheizt werden können.

(Heiße Quellen im Yellowstone N.P. schufen diese Sinterterrassen)


Geysire

Das Wort Geysir kommt aus Island und bedeutet wild strömend. Dort befindet sich auch die Springquelle, die allen Anderen ihren Namen gab, der große Geysir.
Geysire sind Grundwasserphänomene, die ihr Wasser auf die gleiche Art erwärmen wie heiße Quellen. Viele kommen in direkter Nachbarschaft zu Vulkanen, oder jungen vulkanischen Gesteinen vor.
Die bedeutensten Geysirbecken liegen im Hochland von Island, auf der Nordinsel von Neuseeland, in Indonesien, Chile, Kamtchatka und im Yellowstone N.P. USA, wo es alleine 200 Geysire gibt. Die Anzahl der Geysire schwankt ständig, da immer einige inakiv werden und andere, neue hinzukommen.
Einige Geysire spritzen ihr Wasser nur wenige cm in die Luft, während andere 100 m hohe Fontänen erzeugen. Der größte Geysir, der jemals beobachtet wurde, war der Waimangu in Neuseeland. In seiner kurzen aktiven Phase von 1899-1904 schleuderte er große Fontänen aus Dampf, schlammigem Wasser und Gesteinsfragmenten bis in eine Höhe von 450 m.
Die Ruheperioden einzelner Geysire schwankt zwischen einigen Minuten bis zu mehreren Monaten. Einige Geysire eruptieren sehr regelmäßig, während andere in völlig unregelmäßigen Zeitabständen ausbrechen.
Generell werden die Intervalle zwischen den Eruptionen eines Geysires mit der Zeit immer länger. Beim großen Geysir in Island z.B. stieg sie von 30 min 1772 auf 20 Tage 1882.
  Irgendwann stellen sie ihre Aktivität ein. Viele Gesire wurden in historischer Zeit inaktiv. Das große Erbeben in Montana 1959 beendete die Aktivität von einigen Yellowstone Geysiren, durch die Zerstöhrung ihrer Zuläufe. Es schuf jedoch gleichzeitig auch neue Geysire.
Geysire lagern Quarzsinter um ihre Austrittsöffnungen ab, die flache oder terrassenförmige Hügel bilden. Diese Sinter werden auch Geysirit genannt und können Höhen bis über drei Meter erreichen. Sehr schöne Geysiritablagerungen bildeten sich am Castle Geysir im Yellowstone N.P. (Bild). Steht man am Rande eines Geysirs, kann man folgendes beobachten. Zunächst steht die Wassersäule ruhig im Geysirschacht. Dann nur Sekunden vor dem Ausbruch
sieht man aus der Tiefeein helles Blasenkneul aufsteigen. Je näher es der Oberfläche kommt desto größer werden die einzelnen Blasen und spätestens jetzt sollt jeder seine Nase blitzschnell in Sicherheit bringen. Mit den Blasen steigt die Wassersäule im Geysirschacht an, kurzzeitig kann sich sogar eine Wasserglocke bilden. Schließlich läuft das Wasser über, die Blasen durchschlagen die Wasserglocke. Kurz darauf folgt eine explosive Eruption von Wasser und Dampf, die binnen Sekunden oder Minuten zum Höhepunkt führt. Danach fällt die Eruptionssäule schnell zusammen. Das Wasser läuft teilweise zurück in den Geysirschacht, der erneut von unten mit Grundwasser aufgefüllt wird.

Die vier Eruptionsphasen des Geysirs Strokkur auf Island
Aus solchen Beobachtungen konstruierte Bunsen 1880 ein sehr einfaches Modell das die Aktivität eines Geysirs erklärt. Danach ist ein tunnelartiger Geysirschacht bis fast an die Oberfläche mit Wasser gefüllt. Die tiefen Teile der Wassersäule werden von heißen vulkanischen Gasen, oder dem direkten Kontakt zu heißem vulkanischen Gestein aufgeheizt. Dabei steigen die Temperaturen des Wassers in diesem Teil über den normalen Siedepunkt, ohne das es jedoch zu kochen beginnt. Dafür sorgt der auflastende Druck, der aus dem Gewicht der Wassersäule resultiert. Er erhöht den Siedepunkt. Doch auch unter hohem Druck beginnt das Wasser irgendwann zu kochen. Dann bilden sich Gasblasen, wodurch die erhitzte Wassersäule expandiert. Wasser schwappt über den Rand des Geysirbeckens. Der Verlust von Wasser an der Oberfläche führt wiederum zu einer Absenkung des Drucks im Geysirschacht, wodurch der Siedepunkt nun etwas herabgesetzt wird. Erneut beginnt das Wasser zu kochen. Die Expansion des Dampfes schleudert mehr Wasser aus dem Schacht und der Wasserdruck im Schacht sinkt. Der gesamte erhitzte untere Teil der Wassersäule wird nun explosionsartig zu Wasserdampf, der das Gemisch aus Wasser und Dampf in einer Eruptionsäule aus dem Schacht treibt. Der Wassereruption folgt eine Dampferuption, in der der restliche Dampf entweicht. Nun wird der Geysirschacht von neuem mit Wasser aufgefüllt und der Kreislauf beginnt erneut.
Der Zeitraum der Eruptionsintervalle ist abhängig vom Wasserzustom und der Dauer der Erhitzungsphase.
So weit die Theorie. In der Realität sind Geysire jedoch Teile riesiger, wassergefüllter Grundwassersysteme, die sich bis in große Tiefen von bis zu 3 km ausdehnen. In ihnen zirkuliert das Wasser konvektiv. Solche riesigen Wasserzirkulationen können auch von den, in geringen Mengen nachgewiesenen vulkanischen Gasen nicht aufgeheitzt werden. Große Intrusionen glühenden Gesteins in größeren Tiefen sind notwendig, die das darüberliegende Gestein erwärmen. In diesen Gesteinen zirkuliert das Wasser in Klüften und wird durch den Kontakt aufgeheizt. Die Temperatur steigt nicht wie im Modell mit zunehmender Tiefe an. Die maximalen Temperaturen werden in mittleren Tiefen erreicht und bleiben unterhalb diesen konstant. Das tief zirkulierende Wasser wird auf Temperaturen weit über dem Siedepunkt, den es an der Oberfläche hätte, erhitzt, aber wergen des hohen Drucks beginnt es nicht zu kochen. In diesen Regionen ist das Wasser immer 150° C bis 170° C heiß. Da seine Dichte geringer ist als die des kalten Wassers steigt es unterhalb des Geysirgebietes auf. Während des Aufstiegs geht das Gewicht der auflastenden Wassersäule zurück und schließlich beginnt das Wasser zu kochen. Die Expansion des kochenden Wassers führt zum Überlaufen an der Oberfläche und die führt wiederum zu einer Reduktion des Wasserdrucks und einer Zunahme der Extension. Aus diesem Vorgang resultiert die Eruption.

Weitere links:
Kaltwasser-Geysire in der Vulkaneifel

Literatur:

Macdonald, G.A.:"Volcanoes", Prentice-Hall INC., New Jersey, 1972
Rinehart, J.S.: "Geysers and geothermal energy", Springer-Verlag, New York, 1980


created by:
Marc Szeglat & Daniela Szczepanski
Video- und Medienproduktion Gbr
Dülmener Str.11, D-46117 Oberhausen
Tel./Fax: 0208-891954
e-mail: m.szeglat@t-online.de