Wiki Vulkane und Erdbeben

Das Epizentrum ist der Ort an der Oberfläche, welcher genau über einem Erdbebenherd (Hypozentrum) liegt. Das Epizentrum ist somit die vertikale Projektion des Hypozentrums auf die Erdoberfläche. Der Begriff leitet sich vom griechischen Wort „epíkentros“ ab, was soviel wie „über dem Mittelpunkt“ bedeutet.

Um das Epizentrum eines Erdbebens zu lokalisieren, müssen die Erschütterungen von mindestens 3 verschiedenen Messstationen registriert werden. Zuerst erreichen die p-Well die Messstation, bzw. das Geophon. Die P-Wellen schwingen wie Schallwellen und werden in Ausbreitungsrichtung gestaucht und wieder gestreckt. Dann treffen die S-Wellen ein. Sie sind etwa halb so schnell wie die P-Wellen und schlängeln sich s-förmig durch das Gestein. Durch den Zeitunterschied zwischen dem Eintreffen der P-Welle und der S-Welle  können die Seismologen die Entfernung zum Erdbebenherd bestimmen, indem sie ein Diagramm erstellen. Das Diagramm beinhaltet eine Zeit- und eine Entfernungsscala. Auf einer Karte wird nun um jede der 3 Messstationen ein Kreis gezogen, der den Durchmesser der Entfernung zu einem bestimmten Zeitpunkt entspricht. Dort, wo sich die drei Kreise schneiden liegt das Epizentrum.

In der Seismologie geht man vereinfachend davon aus, dass sich ein Erdbeben auf einen Punkt konzentriert. In der Realität hat die Bruchzone eines Erdbebens meistens eine flächenhafte Erstreckung entlang einer Störungszone. Sie kann auf mehreren viele Kilometern Länge aufbrechen und entlang dieser Zone große Schäden anrichten.

Schadenswirkung in Bezug auf das Epizentrum

Die Schadenswirkung eines Erdbebens ist normalerweise am Epizentrum am größten und nimmt mit der Entfernung zum Epizentrum ab. Es gibt allerdings auch andere Einflüsse auf die Schadenswirkung eines Erdbebens: Einfluss hat z.B. die geologische Beschaffenheit des Untergrunds. So können in Sedimentbecken Resonanzeffekte entstehen, die zu deutlich stärkeren Bodenbewegung an der Oberfläche führen können. Auch der Herdmechanismus wirkt sich auf die entstehenden Schäden aus. Dieser beschreibt den Ablauf des Geschehens, wie sich unterirdische Brüche ausbreiten und in welcher Richtung der Erdboden versetzt wird. Entsteht bei einem Seebeben ein großer vertikaler Versatz, ist die Gefahr eines Tsunamis besonders hoch.

Unter einem Erdbeben versteht man eine Erschütterung der Erdoberfläche als Folge einer plötzlichen Energiefreisetzung in der Erdkruste (Lithosphäre) die seismische Wellen erzeugt. In seltenen Fällen kann sich das Erdbeben auch im Erdmantel ereignen. Die Stärke eines Erdbebens ist sehr variabel: die meisten Erdbeben sind so schwach, dass Menschen sie nicht wahrnehmen können. Es gibt aber auch so starke Erdbeben, dass Spalten und Risse in der Erdkruste entstehen und große Schäden angerichtet werden. Katastrophale Erdbeben können Tausende Menschenleben fordern und sekundäre Naturkatastrophen wie Erdrutsche, Tsunamis und Vulkanausbrüche auslösen.

Orte der Erdbeben-Entstehung

Gut 90 Prozent aller tektonischer Erdbeben entstehen entlang der kontinentalen Plattengrenzen. Entlang von Störungszonen reiben Gesteinsplatten aneinander, oder sie schieben sich übereinander. Dabei verhaken und verbiegen sich die Gesteinsplatten und geraten unter Spannung. Werden die Spannungen zu groß, dann kann eine gebogenen Gesteinsplatte zurückschnellen oder brechen. Vorher aufgestaute Energie entlädt sich explosionsartig und erzeugt seismische Wellen, die sich kugelförmig vom Erdbebenherd aus ausbreiten. Es entstehen verschiedene Wellenarten, die sich in ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit und Schwingungsrichtung unterscheiden.

An der Erdoberfläche manifestieren sich Erdbeben durch Erschütterung und Verschiebung oder Störung des Bodens. Wenn sich das Epizentrum eines großen Erdbebens vor der Küste befindet, kann der Meeresboden so weit verschoben werden, dass ein Tsunami entsteht. Erdbeben können auch Erdrutsche und gelegentlich auch vulkanische Aktivitäten auslösen.

Im allgemeinsten Sinne wird das Wort Erdbeben verwendet, um jedes seismische Ereignis zu beschreiben, das seismische Wellen erzeugt, sei es natürlich oder durch den Menschen verursacht. Erdbeben können nicht nur durch das Aufreißen geologischer Verwerfungen generiert werden, sondern auch durch Ereignisse wie Vulkanaktivität, Erdrutsche und Atomtests. Die Stelle des Anfangbruchs eines Erdbebens wird als Erdbebenherd, Brennpunkt oder Hypozentrum bezeichnet. Das Epizentrum entspricht der Projektion des Hypozentrum an der Erdoberfläche und liegt genau über dem Erdbebenherd.

Erdbeben-Skalen

Um die Größe eines Erdbebens quantitativ zu erfassen wurden im 20. Jahrhundert verschiedene Magnituden-Skalen eingeführt. Davor musste man sich mit der Beschreibung der Intensität der Erdbeben begnügen und konnte so nur wahrnehmbare Erdbeben erfassen. In der Mercalli-Skala wurden den Erdbeben römische Ziffern von I bis XII zugeordnet. Die Ziffer I bedeutete dabei „kaum spürbar“, die XII  beschrieb hingegen katastrophalste Erdbeben.

Eine weit verbreitete Scala ist die Richterskala. Hier wird die Magnitude des Erdbebens direkt aus der Amplituden-Messung der Schwingungen berechnet. Die Amplituden stehen in linearen Zusammenhang mit der Energiefreisetzung eines Erdbebens. So wurde die Stärke verschiedener Erdbeben vergleichbar. Die Messung der Amplitude wird mit einem Seismometer durchgeführt. Die Richterskala ist theoretisch nach oben offen, kann aber praktisch nur Erdbeben bis zur Magnituden 10 erfassen. Bereits ab M 6,5 wird sie ungenau. Einschränkend kommt hinzu, dass sie für die Berechnung weiter entfernter Erdbeben ungeeignet ist.

1977 wurde die Moment-Magnitude (Mw) eingeführt. Auch sie berechnet aus den Schwingungsamplituden die freiwerdende Energie eines Erdbebens. Allerdings basiert die Berechnung der Moment-Magnitude auf dem Skalarprodukt aus der Größe der Bruchfläche im Untergrund, der mittleren Verschiebung der Gesteinsblöcke und dem Schermodul des Gesteins. Da das seismische Moment keine Sättigung erreicht, erfährt auch die Momenten-Magnitude keine Sättigung. Darum können mit ihr auch Erdbeben mit großer Energiefreisetzung genau erfasst werden.

Häufige Begriffe um Erdbeben

In der Berichterstattung über Erdbeben und Vulkanausbrüche liest man oft die Begriffe tektonisches Erdbeben, Nachbeben, Vorbeben, Schwarmbeben, Tremor, vulkanisches Beben. Hier eine kurze Erklärung: bei den meisten Erdbeben handelt es sich um tektonische Erdbeben, wie sie oben beschrieben sind. Sie entstehen infolge von Gesteinsbruch an tektonische Störungszonen. Die Begriffe Vor-, bzw. Nachbeben erklären sich selbst. Sie sind deutlich schwächer als das Hauptbeben. Gibt es zahlreiche Erdbeben ähnlicher Magnitude spricht man von einem Schwarmbeben. Diese können tektonischer Natur sein, aber auch im Zusammenhang mit Vulkanismus/Magmatismus auftreten. Vulkanische Beben, genauer, vulkanotektonische Erdbeben entstehen, wenn unter einem Vulkan Magma aufsteigt und dieses Gestein zerbricht. Tremor ist ein kontinuierliches Beben des Erdbodens, dass durch Magmenbewegungen ausgelöst wird.

Die Erde ist ein dynamischer Planet. Diese Aussage bezieht sich nicht nur auf die Ökosphäre der Erde, sondern auch auf ihr Inneres. Viele geologische Prozesse finden ihren Ursprung in der Erddynamik und den damit verbundenen Kräften des Erdinneren. Um die Erddynamik zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, wie die Erde entstanden ist.

Die endogenen Kräfte der Erde prägen die Erdoberfläche, lassen Kontinente wandern und Vulkane ausbrechen, Gebirge und Ozeane entstehen und wieder vergehen und sie erzeugen den wichtigen Schutzschirm des Erdmagnetfeldes.

Motor der Erddynamik sind die großen Temperaturunterschiede im Erdinneren. Die Hitze entsteht durch radioaktive Zerfallsprozesse, chemische Reaktionen, dem großen Druck und durch Bewegung. Hinzu kommt eine große Anfangshitze aus den Zeiten der Erdentstehung: Kollisionen von Planetesimale und die Eisenkatastrophe gaben der Erde einen guten Start und sorgten dafür, dass der Planet einen schalenartigen Aufbau hat und nicht ein kalter Felsklumpen geworden ist.

Erddynamik macht Planeten bewohnbar

Die Erde besteht groß gesehen aus Erdkruste, dem oberen- und unteren Erdmantel, sowie dem äußeren und inneren Erdkern. Im inneren Erdkern ist es am heißesten. Obwohl er gut 6000 Grad heiß ist, ist er fest. Er ist vom äußeren Erdkern umgeben. Dieser ist flüssig und dreht sich um den inneren Erdkern. Da der Erdkern aus Eisen und Nickel besteht, entsteht durch die Rotation das Erdmagnetfeld. Es schütz die Erdoberfläche vor kosmischer Strahlung und ermöglicht zellulares Leben. Das Erdmagnetfeld bewahrt die Atmosphäre davor vom Sonnenwind in den Weltraum geblasen zu werden. Im Endeffekt verdanken wir es der Erddynamik, dass „unser“ Planet bewohnbar ist.

Im Erdmantel herrschen Durchschnittstemperaturen um 2000 Grad. Mit der Tiefe wird es immer heißer. Der Erdmantel besteht aus plastischen Gesteinen. Sie verhalten sich ähnlich wie Knete und sind in geringem Umfang fließfähig. Durch den Temperaturunterschied zwischen oberen Erdmantel und unterem Erdmantel entstehen Rotationszellen, sogenannten Konvektionsströme. Sie lassen die Kontinente wandern. Nur ein geringer Teil des Gesteins im Erdmantel ist tatsächlich geschmolzen. In der Asthenosphäre -einer dünnen Schicht zwischen Erdmantel und Erdkruste- bilden magmatische Fluide (wahrscheinlich Magma) eine Schmierschicht, auf der die Kontinente gleiten können. Das bringt uns zur Erdkruste. Sie ist kein starrer Panzer, der die Erde umgibt, sondern ist wie der menschliche Schädel aus verschiedenen Platten zusammengesetzt. Sie sind flexibel und bewegen sich relativ zueinander. Besonders im Bereich der Nähte entstehen Vulkane. Sie bauen den Druck ab, der im Erdinneren entstehen kann. Vulkane sind praktisch die Überdruckventile der Erde.

Als Teil des exogenen Gesteinskreislaufes ist die Erosion ein Verwitterungsprozess, bei dem Gesteine und Böden abgetragen und anschließend transportiert werden. Der Antagonist zur Erosion ist die Sedimentation, welche für gewöhnlich im Anschluss an den Transport des erodierten Materials erfolgt. Erosion und Transport erfolgen über ein Medium. In der Regel sind das Wasser, Eis, oder Luft. Es können auch gleichzeitig mehrere Medien an der Erosion beteiligt sein. Durch die Abtragung erodierter Gesteine können unterschiedliche Landschaftsformen entstehen. Berge werden geformt und Täler geschaffen. Endogene Prozesse, wie die tektonisch bedingte Bodenanhebung können der Erosion entgegenwirken. Noch immer wachsen die Alpen etwas schneller, als sie erodieren. Dennoch wird letztendlich die Erosion gewinnen und die Berge werden wieder abgetragen. Über die Flüsse landet das ab abgetragene Material ins Meer, welches so immer flacher wird. Man kann auch sagen, dass die Erosion ein nivellierender Vorgang ist.

Auf der Erde gibt es zahlreiche fantastische Erosionslandschaften, wie den Grand Canyon, oder den Arches Nationalpark in den USA. Auch Atolle verdanken ihr bizarres Erscheinungsbild neben dem Korallenwachstum der Erosion von ganzen Vulkanen.

Erosion an Vulkanen

An Vulkanen zersetzten aggressive Gase Gesteine. Besonders in Furmarolenfeldern kann der Boden weich sein, so dass man einsinkt. Schuttlawinen, pyroklastische Ströme, Lahare und Lavaströme können tiefe Täler in die Vulkanflanken einschneiden und Erdbeben zermürben das Gestein. Natürlich ist auch ein Vulkan nicht vor der üblichen Erosion durch die Kraft von Wasser, Eis und Wind gefeilt. Ähnlich wie bei normalen Bergen, wird die Erosion einen Vulkan auf Dauer besiegen, spätestens, sobald der Feuerberg erlischt.

Von der Erosion besonders betroffen sind Vulkaninseln. Gerade während der Geburt einer neuen Insel findet ein unablässiger Kampf zwischen der Kraft des Vulkans, und der des Wassers statt. Wie man in den 1920-iger Jahren bei der Geburt von Anak Krakatau beobachten konnte, wurde das junge Vulkaneiland mehrmals wieder abgetragen, bevor sich eine einigermaßen stabile Vulkaninsel bilden konnte.

Eruption ist ein allgemeiner Begriff für die vulkanische Ausbruchstätigkeit. Der Begriff wurde vom englischen „eruption“ abgeleitet und kann mit Vulkanausbruch übersetzt werden. Ein Vulkan kann auf verschiedene Arten ausbrechen. Bei einer Eruption treten aus dem Vulkan Lava und Gase aus. Treten nur Gase aus, spricht man von einer Exhalation. Grundlegende Eruptionsarten sind effusiv und ejektiv.

Effusive Eruption

Bei einer effusiven Eruption wird die Lava in Form von Lavaströmen, oder Lavaseen gefördert. Es können auch niedrige Lavafontänen entstehen. Das Magma ist heiß und niedrigviskos. Es enthält wenig Gas. Bevorzugt sind es Spalten- und Schildvulkane die effuisv eruptieren. Typische Beispiele sind die Vulkane Hawaiis und der Piton de la Fournaise auf La Réunion.

Eine Ausnahme stellen kurze hochviskose Lavaströme und Lavadome dar. Während die Lava der kurzen Lavaströme relativ wenig Gas enthält, sieht es bei der Lava der Dome anders aus. Unter dem Dom kann sich großer Gasdruck aufbauen, welcher den Dom sprengt. Die Lava der Dome ist ebenfalls relativ reich an Gas. Brechen Lavapakete ab, fragmentieren diese und es entstehen pyroklastische Ströme. Dome entstehen für gewöhnlich an Stratovulkanen, die sich hinter Subduktionszonen bilden. Klassische Beispiele hierfür sind der Merapi auf Java, oder Vulkane der Anden. Auch der Popocatepetl bildet gerne Lavadome.

Ejektive Eruption

Von ejektiven Eruptionen spricht man, wenn Lava im Förderschlot fragmentiert wird und explosiv als Tephra gefördert wird. Umgangssprachlich werden ejektive Eruptionen auch als explosive Eruptionen bezeichnet. Die Tephra kann dabei unterschiedliche Formen annehmen, je nach Grad der Fragmentierung. Ist die Tephra stark fragmentiert entstehen Lapilli und Vulkanasche. Gröbere Teile werden als Bomben, Blöcke, Klasten oder Schlacken bezeichnet. Sind sie heißer als 800 Grad glühen diese. Es können auch hoch aufsteigende Lavafontänen entstehen. Die Größe einer Explosion ist nicht nur von der Menge des Materials im Förderschlot abhängig, sondern auch von dem Gasdruck. Dieser steuert maßgeblich die ejektive Eruption. Wenn das Magma niedrigviskos ist und viel Gas enthält, dann entstehen Lavafontänen. Ist das Magma hochviskos entstehen hoch aufsteigende Aschewolken. In diesem Fall spricht man von „grauen Vulkanismus“.

Es gibt auch beliebige Mischformen zwischen effusiven und ejektiven Eruptionen. Ein Vulkan kann gleichzeitig effusiv tätig sein und auch ejektiv ausbrechen. Solche Eruptionen kommen am Ätna auf Sizilien oft vor, meistens in Form von Paroxysmen. Aber auch am Pico do Fogo (Fotos) treten sie gerne auf.

Über die Förderart (ejektiv, effusiv) von Laven entscheiden im wesentlichen die Faktoren: Wasser-, Gas-, Kieselsäuregehalt und die Temperatur des Magmas. Je nachdem, in welchem Verhältnis diese Faktoren zueinander stehen, ergeben sich unterschiedliche Eruptionsmechanismen.

Christof Hug-Fleck fasste diese Beziehungen in seinem Buch „Die ruhelose Erde“ so zusammen:

Auftrieb und Druck als wichtige Faktoren der Eruptionsmechanismen

Ein wichtiger Faktor der Eruptionsmechanismen ist der Druck des Magmas. Es gilt die Beziehung, dass eine Flüssigkeit mit hohem hydrostatischen Druck mehr Gas lösen kann, als eine Flüssigkeit mit geringem hydrostatischen Druck. Verringert sich dieser, dann wird das Gas freigesetzt und es entstehen Gasblasen. Vom Ort seiner Entstehung im oberen Erdmantel, steigt das Magma erst einmal aufgrund seines Auftriebs auf: da die Schmelze eine geringere Dichte als das umliegende Gestein hat, kann es wie ein Korken im Wasser aufsteigen. Gleichzeitig dehnt sich das Magma während des Aufstiegs weiter aus und es kommt zur Dekompression. Es entstehen immer mehr Gasblasen die immer schneller aufsteigen und das umgebende Material mit sich reißen. Das Magma durchbricht die Oberfläche und eruptiert. Meistens funktioniert der Prozesse jedoch erst einmal bis in ungefähr 5 km Tiefe. Dann ist der Auftrieb des Magmas meistens so schwach, dass es Gestein nicht mehr brechen kann. Daher sammelt sich das Magma für gewöhnlich in dieser Tiefe und verweilt solange, bis sich etwas im Gesteinsbrei verändert. Normalerweise kommt es zur langsamen Abkühlung mit magmatischer Differentiation. Es bilden sich Kristalle, mit der Folge, dass sich nicht nur der Chemismus der Restschmelze ändert, sondern auch die Rheologie und der Druck. Neue Gasblasen entstehen und treiben das Magma nach oben, wobei eine weitere Verringerung der Dichte und des hydrostatischen Drucks eine Beschleunigung der Gasbildung bedingen, so das der Prozess explosionsartig abläuft und viel Energie freisetzen kann.

Eine Eruptionssäule einsteht bei explosiven Eruptionen und beschreibt die vertikal aufsteigende Asche-Gas-Wolke über einem Vulkan. Im Extremfall kann eine Eruptionssäule bis in die Stratosphäre aufsteigen. Bei sehr starken (plinianischen) Eruptionen kann sich die Vulkanasche mit den Höhenwinden über Tausende Kilometer weit verteilen. Sogenannte Aerosole können sich sogar global in der Atmosphäre ausbreiten und zu einem weltweiten Temperaturrückgang führen.

Im Gegensatz zu einer Aschewolke/Eruptionswolke sind die unterschiedlichen Bereiche einer Eruptionssäule sehr wohl definiert. Eine Aschewolke kann hingegen auch diffus sein.

3 Bereiche einer Eruptionssäule

Mit der Höhe kann eine Eruptionssäule in 3 verschiedenen Bereiche aufgeteilt werden. In diesen Bereichen unterscheidet sich das physikalische Verhalten der Eruptionssäule.

a) Gasschubbereich: das ist der untere Bereich der Eruptionssäule. Hier bewirkt die Gasausdehnung der Explosion, dass das Material aufsteigt. Der Gasschubbereich reicht für gewöhnlich nur einige Hundert Meter hoch. Die größeren Tephra-Partikel fallen aus und die Dichte reduziert sich mit der Höhe.

b) Konvektiver Schubbereich: im mittleren Säulenbereich ist es noch heiß und es geht turbulent zu. Alle größeren Partikel sind ausgefallen und die heißen Gase dehnen sich aus. Dadurch sinkt die Dichte in der Eruptionssäule. Es wird Luft von außerhalb der Eruptionssäule angesaugt. Dieser Effekt sorgt für einen weitern Aufstieg der Eruptionssäule. Gut 90% der höhe einer Eruptionssäule fallen diesem Bereich zu.

c) Schirmregion: besonders bei plinianischen Eruptionen bildet sich im oberen Bereich eine ausgeprägte Schirmregion, die an den Kopf eines Atompilzes erinnert. Hier sind Dichte und Druck zwischen der Eruptionswolke und der Atmosphäre fast ausgeglichen. Eine weitere Aufwärtsbewegung wird nur noch durch den Bewegungsimpuls gesteuert. Die Wolke wird vom Höhenwind verdriftet, wodurch sie asymmetrisch werden kann.

Unter bestimmten Bedingungen kann es zum Kollaps der Eruptionssäule kommen. Dann können pyroklastische Ströme (pyroklastische Dichteströme/ Surges) entstehen. Besonders wenn es zu einem Nachlassen des Gasschubs kommt, oder wenn sich die Gastemperatur ändert, kann es zum Kollaps kommen. Die pyroklastischen Ströme können große Strecken zurücklegen und gelten als eine der größten Vulkangefahren.

Als Exhalation eines Vulkans bezeichnet man das Ausströmen von Dämpfen und Gasen. Gelegentlich kann in der Exhalation auch etwas Vulkanasche enthalten sein. Dann ist der Übergang zur Eruption fließend und nicht klar definiert. Die Exhalation vulkanischer Fluide kann ein seismisches Signal verursachen. Besonders in den Berichten aus Indonesien und Mexiko werden Exhalationen aufgeführt.