Wiki Vulkane und Erdbeben

Fast am Ende des Wikis über Vulkane und Erdbeben angekommen, möchte ich etwas über Vulkan-Zen schreiben. Zen ist eine Lehre des Buddhismus, die ihren Ursprung in China hat und später nach Japan exportiert wurde. Zen hat jedoch auch indische Wurzeln, da der Begriff „Zen“ vom chinesischen Wort „Chan“ abstammt, das wiederum eine Ableitung des Sanskrit-Wortes „Dhyana“ ist, was „Meditation“ oder „Geistessammlung“ bedeutet. Ein Ziel des Zen ist es, eine fokussierte Geisteshaltung zu erreichen und nach innerer Perfektion zu streben. Diese Perfektion entspricht jedoch nicht einem Idealbild, sondern liegt vielmehr darin, die Gegenwart mit voller Präsenz und Akzeptanz zu erleben. Und wo ginge das besser als an einem Vulkan?

Nirgendwo sonst auf unserem Planeten liegen Schöpfung und Zerstörung, Sein und Untergang so nah beieinander wie an einem Vulkan. Wer einen Vulkanausbruch erlebt, dem wird klar, dass er als Mensch den Kräften des Erdinneren nichts entgegensetzen kann. Gleiches gilt für Erdbeben. Wer solchen Ereignissen ausgesetzt ist, muss auf den gegenwärtigen Augenblick fokussiert sein und ihn annehmen und akzeptieren. Im Gegensatz zu Vulkanausbrüchen, bei denen neues Land entstehen kann und wichtige Stoffe an die Erdoberfläche gelangen, scheinen Erdbeben keinen schöpferischen Akt zu beinhalten. Doch das stimmt nur oberflächlich betrachtet. Erdbeben sind ein Ausdruck der Erddynamik, und ohne diese wäre die Erde sehr wahrscheinlich leblos.

Vulkane und Erdbeben symbolisieren Veränderung und Wandel. Schon vor Jahren schrieb ich, dass wir an Vulkanen „Geologie im Zeitraffer“ erleben. Der Vulkan kann uns lehren, loszulassen und offen für neue Erfahrungen und Lebensumstände zu sein. Veränderung und Transformation sind natürliche und unausweichliche Aspekte des Lebens und eine wichtige Lehre im Zen.

Vulkanausbrüche sind einzigartig und niemals exakt gleich. Als Vulkanfotograf ist man natürlich auch auf der Suche nach dem perfekten Bild, nach einer besonders ästhetischen Eruption, bei der die Leuchtspuren glühender Tephra gleichmäßig verteilt sind und sich eine insgesamt harmonische Bildkomposition ergibt. Dabei ist einem jedoch bewusst, dass Perfektion niemals erreicht werden kann. So ist das Streben danach das eigentliche Ziel des Lebens. Oder einfacher ausgedrückt: Der Weg ist das Ziel!

Bei einem Zentralvulkan handelt es sich meistens um einen großen Calderavulkan, der das Zentrum eines Vulkansystems darstellt. Der Zentralvulkan wird von einem vertikalen Fördersystem gespeist, das von einem Magmenreservoir unter dem Zentralvulkan aufsteigt. Bei den anderen Vulkanen des Systems handelt es sich häufig um monogenetische Schlackenkegel und Maare oder um Spaltenvulkane. Die Vulkane des Systems haben für gewöhnlich keine eigenen großen Magmenreservoire, sondern werden von magmatischen Gängen gespeist, die von dem Magmenreservoir unter dem Zentralvulkan seitwärts abgehen.

Zentralvulkane spielen vor allem beim Vulkanismus auf Island eine große Rolle. Die meisten Zentralvulkane sind dort von Gletschern bedeckte Calderen, von denen Spaltensysteme ausgehen, die über 100 km lang sein können. Sie liegen auf den Spreizungszonen des Mittelatlantischen Rückens, der auf Island zutage tritt. Es werden überwiegend mafische basaltische Magmen gefördert, die reich an Magnesium und Eisen sind. Es können auch weiter entwickelte Magmen gefördert werden, die im Zuge der magmatischen Differentiation aus einer primär basaltischen Schmelze stammen.

Zentralvulkane auf Island

Typische Beispiele von Zentralvulkanen sind isländische Calderavulkane, von denen einige für sehr bekannte und spektakuläre Eruptionen verantwortlich sind. Jüngstes Beispiel ist die Eruption des Bardarbunga im Jahr 2014. Vom Zentralvulkan am nordwestlichen Rand des Vatnajökulls ging ein magmatischer Gang aus, der sich unterirdisch Richtung Norden vorarbeitete. Einige Kilometer außerhalb des vergletscherten Gebiets öffnete sich eine Eruptionsspalte, die ein großes Lavafeld entstehen ließ. Die sogenannte Holuhraun-Eruption stellte einen der größten Ausbrüche auf Island dar, seitdem die Insel besiedelt ist.

Ein weiteres Beispiel ist die Laki-Eruption, die sich im 18. Jahrhundert bis in den Alpenraum auswirkte. Im Jahre 1786 entstand ein gewaltiges Lavafeld. Bei der Eruption wurde so viel Schwefeldioxid ausgestoßen, dass es im Alpenraum zu einem Jahr ohne Sommer kam. Es kam zu Missernten und Hungersnöten. Auf Island starben Tausende Menschen und Tiere an den direkten Auswirkungen der Eruption. Auf der Eruptionsspalte sind heute zahlreiche Schlackenkegel zu bewundern. Der zugehörige Zentralvulkan ist der Grimsvötn, der im südwestlichen Bereich des Vatnajökulls liegt.

Die Bedeutung von Zirkonen für die Altersbestimmung magmatischer Gesteine

Zirkone haben die chemische Formel ZrSiO₄ und spielen eine besondere Rolle in der geochronologischen Untersuchung magmatischer Gesteine und vulkanischer Systeme. Obwohl sie meist nur als akzessorische Minerale in geringen Mengen und Größen vorkommen, gehören sie zu den wichtigsten „Uhrmineralen“ der Geowissenschaften. Ihre besondere Bedeutung ergibt sich aus ihrer Fähigkeit, Uran (U) in das Kristallgitter einzubauen, während sie beim Kristallwachstum nahezu kein Blei (Pb) enthalten. Dadurch lässt sich das im Zirkon vorhandene Blei zuverlässig als Zerfallsprodukt von Uran interpretieren und für radiometrische Altersbestimmungen nutzen.

Die wichtigste Methode ist die Uran-Blei-Datierung (U-Pb-System). Dabei wird das Verhältnis der Uranisotope (^238U und ^235U) zu ihren stabilen Blei-Tochterisotopen (^206Pb und ^207Pb) gemessen. Da die Halbwertszeiten dieser Zerfallsreihen genau bekannt sind, kann der Zeitpunkt der Zirkon-Kristallisation sehr präzise bestimmt werden. In magmatischen und plutonischen Gesteinen entspricht dieses Alter in der Regel dem Zeitpunkt, an dem das Magma erstarrte und die Zirkone aus der Schmelze auskristallisierten.

Die Halbwertzeit von Uran-238 zu Blei-206 beträgt 4,47 Milliarden Jahren. Nach diesem Zeitraum ist die Hälfte des ursprünglichen Uran-238 zerfallen. Das Uran-235-Isotop zerfällt zu Blei-207 und hat eine Halbwertzeit von Nach 704 Millionen Jahren.

Besonders wertvoll sind Zirkone, weil sie extrem widerstandsfähig gegenüber geologischen Prozessen sind. Sie überstehen Metamorphose, Verwitterung und sogar erneute Aufschmelzung teilweise unbeschadet. Dadurch bewahren sie selbst in komplex deformierten Gesteinen noch das ursprüngliche Kristallisationsalter.

Eine zusätzliche Informationsquelle bieten sogenannte Anwachssäume. Zirkonkristalle wachsen häufig nicht in einem einzigen Ereignis, sondern in mehreren Phasen. Dabei bildet sich um einen älteren Kristallkern ein jüngerer äußeren Saum. Diese Anwachssäume entstehen, wenn sich die Bedingungen im Magma verändern – etwa durch Abkühlung oder durch Zufuhr neuer Schmelzen. Chemisch unterscheiden sich die Säume oft vom Kern, insbesondere im Gehalt an Uran, Thorium oder Hafnium.

Geochronologisch sind diese Anwachssäume von großer Bedeutung, da sie ein zweites oder sogar drittes Altersfenster innerhalb eines einzelnen Kristalls liefern können. Während der Kern häufig ein älteres geologisches Ereignis repräsentiert, dokumentiert der Saum spätere magmatische Aktivität. Dadurch lassen sich komplexe Magmenentwicklungen und Vulkanprozesse zeitlich auflösen, etwa wiederholte Intrusionen oder lange aktive Magmakammern.

In Vulkaniten ermöglichen Zirkone somit nicht nur die Bestimmung des Eruptions- oder Erstarrungsalters, sondern auch die Rekonstruktion der gesamten Magmengenese. Sie fungieren als mikroskopische Archive der Erdkruste, in denen mehrere Stadien geologischer Entwicklung in einem einzigen Kristall gespeichert sein können.

Zonierte Kristalle in magmatischen Gesteinen liefern Vulkanologen Daten über das Wachstum von Mineralien im Magma. Ähnlich wie die Jahresringe in Baumstämmen zeigen unterschiedliche Zonen in Kristallen, wie schnell diese gewachsen sind oder abgebaut wurden. Wissenschaftler können an den Zonen ablesen, unter welchen Bedingungen ein Mineral wuchs.

Es wird zwischen primärer/prograder und sekundärer/retrograder Zonierung unterschieden. Erstgenannte Zonierungen entstehen während des Wachstums des Kristalls in der Schmelze. Retrograde Zonierung ist das Produkt einer sich abkühlenden und erstarrenden Schmelze aufgrund diffusiven Stofftransports.

Zonierungen zeigen sich als Muster von Bereichen unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung im Kristall. In der Mineralogie werden Zonierungen in Kristallen als nichteinheitliche Verteilung der Kationen in der Atomstruktur beschrieben. Nicht so häufig sind Änderungen der Anionen.

Zonierungen können konzentrisch auftreten oder sektoriell. Häufig sind unterschiedliche Zonen an Farbänderungen zu erkennen. Damit ein Kristall wachsen kann, benötigt es einen kontinuierlichen Nachschub an Elementen, die in sein Kristallgitter eingebaut werden. Im Laufe der Zeit ändern sich Chemismus sowie Druck- und Temperaturbedingungen in einer Gesteinsschmelze: dem Mineral stehen nicht immer alle benötigten Elemente in ausreichenden Mengen zur Verfügung. Daher wächst der Kristall nicht immer gleichmäßig oder er baut unterschiedliche Elemente in sein Kristallgitter ein.

Typische zonierte Mineralien magmatischer Gesteine sind Feldspat, Amphibol und Pyroxen.

Die Kristallzonen magmatischer Gesteine lassen Rückschlüsse über die Aufstiegsgeschwindigkeit von Magmen zu. In der Vulkanologie ist es wichtig, abzuschätzen, wie schnell Magma vor einer Eruption aufsteigen kann. Das liefert Hinweise auf die Vorwarnzeit vor einer Eruption.

Magmenaufstieg am Chaiten

Im Fall des Vulkans Chaiten (Chile) fanden Forscher der TU München heraus, dass das Magma in nur 4 Stunden vom oberen Erdmantel aus aufgestiegen war. Das Magma erreichte eine Geschwindigkeit von 1 m/s. Professor Dingwell und sein Team untersuchten Lava-Proben vom initialen Ausbruch im Mai 2008. Der Chaiten brach praktisch ohne Vorwarnung aus und beendete damit seinen 9000 Jahre dauernden Schlaf. Er erzeugte eine plinianische Eruption mit hoch aufsteigender Aschewolke. Die Druckwellen der Explosionen zerstörten die Wälder am Vulkanhang: Bäume knickten wie Streichhölzer um. Lahare zerstörten die Küstenstadt Chaiten.