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Endogene Kräfte
Vulkanismus an den Plattenkanten und Intraplattenvulkanismus
Die Mehrheit der aktiven Vulkane befindet sich in Subduktionszonen. Ob Tiefseegruben (Die ozeanischen Gräben sind lineare ozeanographische Merkmale, die topographische Vertiefungen des Meeresbodens sind, relativ schmal in der Breite, aber hemisphärisch in der Länge) oder vulkanische Ketten an den Kontinentalrändern – all diese Vulkangürtel stellen Erdnähte erster Ordnung dar. Der Name Wutring für die aktiven Vulkanketten rund um den Pazifik kommt nicht von ungefähr. 65% der in den letzten 10 000 Jahren aktiven Vulkane liegen in diesem Bereich des pazifischen Furienrings. Dieser Gürtel erstreckt sich von Chile bis Mittelamerika , dem westlichen Rand Nordamerikas, Japan und Neuseeland. Alle diese vulkanischen Gebiete liegen oberhalb der Subduktionszonen. Der größte dieser Andesitvulkane ist der Fujiyama, wobei zu berücksichtigen ist, dass er mit seiner Masse von ca. 900 km³ nur etwa 5% der Masse einer der großen ozeanischen Vulkaninseln hat.
Vulkane in solchen Subduktionszonen treten nur 150 bis 300 km von Tiefseegraben entfernt auf. Ihre höchste Dichte erreichen sie in der sogenannten Vulkanfront. Dies beginnt zwischen 100 und 200 km oberhalb einer Subduktionszone. So sind der Magmaanstieg und die Eruptionsraten entlang dieser Front am höchsten. Die wichtigsten vulkanischen Zonen entlang die
ser Front sind zwischen 10 und 50 km breit. Die enge vulkanische Gürtel einer vulkanischen Front an Orten wie Japan , wo die vulkanische Dichte hoch ist, sind geteilt in 100 bis 300 km lange Segmente, die gegeneinander versetzt sind.
Die Andesiten, die die Form des für die Subduktionszonen charakteristischen vulkanischen Gesteins darstellen, sind die komplexeste Magmagruppe, mit der sich die Wissenschaft heute beschäftigt. Es gibt nicht nur verschiedene Mechanismen für die Bildung von Magma, sondern auch verschiedene Arten von Quellgesteinen. So wird der größte Teil des Wassers der untergehenden ozeanischen Lithosphäre wieder ausgeschwitzt und löst beim Aufstieg die Bildung von Magma aus, das für die Bildung von Vulkanen verantwortlich ist, wie z.B. der Circum-Pacific Fury Ring. So findet in den Subduktionszonen ein riesiger geologischer Kreislauf statt. Die untertauchende Erdkruste enthält so viel Wasser , dass die gesamte Wassermenge in den Ozeanen in etwa 500 Millionen Jahren in das Erdinnere zurückgeführt wird. Dieser Zyklus schließt mit der Erosion der Vulkane, die dann zusammen mit der gedämpften Kruste bis zu etwa 700 km in den Erdmantel hinabsteigen, um als neues Material wieder ausgegeben zu werden. Intra-Plattenvulkane sind all jene kontinentalen und ozeanischen Vulkane, die sich nicht an den Plattenrändern gebildet haben. Ozeanische Vulkaninseln haben wahrscheinlich die größte Bedeutung aller Vulkane für die Vulkanforschung. Der aktivste und am besten untersuchte Vulkan (Ein Vulkan ist ein Riss in der Kruste eines planetarischen Massenobjekts, wie der Erde , das heiße Lava, Vulkanasche und Gase aus einer Magmakammer unter der Oberfläche entweichen lässt) ist Kilaüa auf Hawaii. Er gab die besten Einblicke in den Aufstiegs-, Differenzierungs- und Eruptionsmechanismus. Weitere ozeanische Intraplattenvulkane sind die gesamten Inselgruppen und -ketten von Hawaii (Hawaii ist der 50. und jüngste Staat, der den Vereinigten Staaten von Amerika beigetreten ist, nachdem er am 21. August 1959 die Staatlichkeit erhalten hat), Samoa, Tahiti, Galapagos oder die Osterinseln; Island , die Azoren, Madeira oder die Kanarischen Inseln gehören ebenfalls dazu.
Aus dem Meeresboden berechnet, sind die höchsten Berge der Erde vulkanische Ozeaninseln. Die riesige Mauna Loa Erhebung auf Hawaii zum Beispiel, die 4500 m über dem Meeresspiegel liegt, enthält genügend Lava, um die ganze Schweiz mit einer 1 km dicken Basaltschicht zu bedecken. Die häufigsten Vulkane sind jedoch die oft über 1000 m hohen unterseeischen Meeresberge, deren Magmaberge nicht ausreichten, um sie über den Meeresspiegel zu heben. Allein im Pazifik gibt es etwa 30.000 solcher Meeresberge. Über die U-Boot-Basen der Vulkane weiß man fast nichts (und diese machen mindestens über 90% aus!) Mit zunehmender Größe und abnehmendem Wasserdruck kann das im Magma gelöste Gas Blasen bilden. Diese brechen die Schmelze und es kommt zu einer explosiven Reaktion, um die Größe des Berges zu vergrößern. Mit zunehmender Größe wird der Kern vom Wasser isoliert und kann durch Lavaströme stabilisiert werden. Dies wurde 1963-64 am neu gebildeten Vulkan Surtsey gut beobachtet. Bei hohen Eruptionsraten bilden sich die sogenannten Schildvulkane, die die Grundstruktur für Inselketten bilden. Die meisten kontinentalen Intraplattenvulkane befinden sich entweder im Paläozoikum (Das Paläozoikum, “alt” und zoe, “Leben”, was “altes Leben” bedeutet) ist die früheste von drei geologischen Epochen des Phanerozoikums Eon, aus) Blöcken, die sich noch erheben, oder in tektonischen Gräben. Die typische Form dieser Vulkane ist der Schlackenkegel. In den meisten Fällen handelt es sich um vulkanische Felder von 30 bis 80 km Durchmesser, die aus bis zu mehreren hundert Schlackenkegeln bestehen. Zu den bekanntesten gehören die Eifel und die Chaine des Puys (beide in Frankreich ). Einige geodynamische Hypothesen können an Intraplattenvulkanen entwickelt und untersucht werden.
So ist es möglich, dass sie nur an so genannten Mantelfahnen auftreten – Strömungen, die aus dem oberen oder sogar unteren Mantel aufsteigen. Sie könnten auf kontinentale Riftzonen hinweisen, die für den Zerfall der kontinentalen Platten verantwortlich wären (die Plattentektonik ist eine wissenschaftliche Theorie, die die großräumige Bewegung von 7 großen Platten und die Bewegungen einer größeren Anzahl kleinerer Platten der Erdlithosphäre in den letzten hundert Millionen von Jahren beschreibt). Dies würde auch eine Theorie beinhalten, nach der die ozeanische Lithosphäre über einen im Mantel verankerten Kern, den Hot Spot, wandert, in dem der aufsteigende Basalt (Basalt ist ein häufiges extrusives Eruptivgestein, das aus der schnellen Abkühlung der basaltischen Lava gebildet wird, die an oder sehr nahe der Oberfläche eines Planeten oder Mondes exponiert ist) Magmen erzeugt werden. Spuren davon sind in der mehr oder weniger linearen (Linearität ist die Eigenschaft einer mathematischen Beziehung oder Funktion, d.h. sie kann grafisch als Gerade dargestellt werden) Altersabnahme der pazifischen Vulkanreihe zu sehen. Dies zeigt eine systematische Altersstruktur mit einer Migrationsgeschwindigkeit von ca. 8-10 cm pro Jahr. Außerhalb des Pazifiks sind diese Beispiele für regelmäßige vulkanische Aktivitäten jedoch selten. Das auffälligste Zeichen von Hot Spots ist jedoch nicht die erhöhte Magma-Produktion, sondern die deutlich sichtbaren Ausbuchtungen. Hawaii zum Beispiel liegt auf einem Plateau der hawaiianischen Schwelle, das einen Durchmesser von 2000 km und eine Höhe von etwa 1,2 km hat. Etwa 10-40% der Erdoberfläche besteht aus solchen Hot-Spot-Wülste. Alle diese Intra-Platten-Vulkane bilden Wurzelzonen in Tiefen von bis zu 200 km, in denen beispielsweise Erdbebenwellen gedämpft werden. Diese Wurzelzonen haben eine geringere Dichte als die anderen Mantelzonen. Diese Wurzeln können nun in Hot-Spot-Bereichen nur noch 100 km tief werden, während am Roten Meer, in ruhigeren Gebieten, eine 550 km lange Wurzelzone gefunden wurde. Vulkane in Subduktionszonen sind explosiver als andere, da das Magma (Magma bedeutet “dicke Unguent”) eine Mischung aus geschmolzenem oder halbgeschmolzenem Gestein, Vulkanen und Feststoffen ist, die unter der Erdoberfläche zu finden ist und auf anderen Erdplaneten und einigen natürlichen Satelliten zu erwarten ist) sie produzieren ist reicher an Wasser und einfacher zu bilden. Bei Plattenvulkanen müssen auch exogene Faktoren berücksichtigt werden (Wasserspeicher in nahegelegenen Sedimentschichten oder Risse in der Nähe des aufsteigenden Magmas). So sind viele der Explosionen einfache Dampferuptionen.
In Zukunft wird sich die Forschung daher noch intensiver mit der Morphologie oder der Gesteinszusammensetzung beschäftigen. In den letzten 400 Jahren sind mehr als 250.000 Menschen an Vulkanausbrüchen gestorben. Aufgrund der ständig wachsenden Bevölkerungsdichte nehmen auch die Gefahren von Vulkanausbrüchen stetig zu. Die direkten Gefahren dieser Vulkanausbrüche sind Aschefälle, austretende Gase, Druckwellen sowie Schlamm- und Lavaströme. Besonders gefährdet sind Gebiete um Vulkane, deren Ausbrüche durch Jahrhunderte der Ruhe getrennt sind. Ein Beispiel dafür ist der berühmte Vesuv bei Neapel. Zum Zeitpunkt des großen Ausbruchs siedelten sich rund eine Million Menschen in dieser stark gefährdeten Zone an. Die Hauptgefahren solcher Eruptionen sind die extrem heißen Gase oder andere Partikel, die als dichte Ströme mit Geschwindigkeiten von 10-100 m/s die Hänge des Vulkans hinunter sprühen können. Die größte Gefahr solcher Ausbrüche besteht darin, dass der Vulkan durch die Eruptionen zerstört werden kann. Diese so genannten pyroklastischen Ströme sind wegen ihrer Geschwindigkeit besonders gefährlich (1902 starben in Martiniqü bei der Eruption der Montagne Pelée 30.000 Menschen) Vulkanische Schlammströme können aus Wasser aus Kraterseen und Gletschern bestehen. Die Schlammströme, die durch die Vermischung von heißen Vulkanpartikeln und Wasser entstehen, sind oft kochend heiß und können ganze Städte überfluten. Lavaströme sind wie Muren sehr gefährlich und können dazu führen, dass ganze Städte verschwinden. Eines der vordringlichsten Ziele der Vulkanforschung ist es daher, Ausbrüche vorherzusagen. Dies ist besonders wichtig in dicht besiedelten Gebieten, um eine rechtzeitige Evakuierung zu ermöglichen. Auch für die weitere Vulkanforschung wäre der genaue Zeitpunkt sehr hilfreich, um direkt nach dem Ausbruch weitere Untersuchungen durchführen zu können.
Vulkanausbrüche sind ebenso unberechenbar wie das Wetter – sie gelingen nur in den seltensten Fällen und nur mit ausreichend dokumentierten Vulkanen. Durch eine genaue geologische Untersuchung der Geschichte des Vulkans können Gefahren gefunden werden, aber in den meisten Fällen lassen sich nur Rückschlüsse auf die Art, Größe und Wahrscheinlichkeit zukünftiger Ausbrüche ziehen – aber nicht auf ihre Zeit. Die Zeit kann nur durch genaue, ununterbrochene Beobachtung geschätzt werden. In den letzten 25 Jahren hat sich jedoch eine enorme Entwicklung in der Vorhersage von Vulkanausbrüchen vollzogen. Einige Ausbrüche wurden innerhalb weniger Tage vorhergesagt. Dabei sind Analysen von Erdbeben und Bodenverformungen von besonderer Bedeutung. Auf dem noch aktiven Berg St. Helens wurden Eruptionen oft tagesgenau vorhergesagt, ja, stundengenau. Aufgrund der hohen Kosten dieser Ausbruchsprognose können jedoch nur etwa ein Dutzend Vulkane kontinuierlich überwacht werden. Heute gibt es zwei Arten von Vorhersagen: Die Prognosen, die nur eine vage Ankündigung eines zukünftigen Ausbruchs (in Monaten, Jahren oder Jahrzehnten) geben. Und die Vorhersagen, die einen genauen Zeitpunkt und eine bestimmte Art von Ausbruch beinhalten. Nur wenn diese Vorhersagen mit größtmöglicher Genauigkeit getroffen werden können, kann die Glaubwürdigkeit erhalten bleiben. Denn Evakuierungen ohne nachfolgenden Ausbruch sind lähmend und führen meist dazu, dass die nächste Warnung nicht mehr gehört wird. Vulkanausbrüche können auch gigantische globale Auswirkungen haben, wie z.B. das Jahr ohne Sommer, in dem die Nordhalbkugel stark abgekühlt ist. Diese Abkühlung wurde durch eine gigantische Aerosolwolke aus dem indonesischen Vulkan Tambora verursacht. Die Landwirtschaft in Indonesien war so stark betroffen, dass 80 000 Menschen an den Folgen der Hungersnot auf den beiden Inseln Sumbawa und Lombok starben. Dieser Klimawandel kann natürlich viel länger andauern und weitaus größere Auswirkungen haben. So wendet sich beispielsweise die Fauna an der Kreidezeit/Tertiärgrenze, als die Dinosaurier und viele andere Arten ausstarben. Diese vulkanischen Aerosole ähneln nicht nur dem sauren Regen, sondern stellen auch ein realistisches natürliches Modell des nuklearen Winters dar.
Diese Aerosole haben eine Zusammensetzung, die es ihnen ermöglicht, jahrelang in der Stratosphäre zu bleiben. Zum Beispiel das magmatische Gas SO2. Dieses Gas kann in Kombination mit dem atmosphärischen H2O in kondensierte Schwefelsäurepartikel übergehen. Erdbeben – Vorhersage und Prävention Erdbeben sind seit der frühesten Historiographie bekannt. Das schwerste Erdbeben des Jahrhunderts ereignete sich 1976 in China , in der Provinzhauptstadt Tangshan. Damals starben 240.000 Menschen. Erst ein Jahr zuvor hatten chinesische Wissenschaftler ein Gesetz der Erdbebenmigration entdeckt. Die Bevölkerung wurde auch geschult, um Vorläufer von Erdbeben zu erkennen. So konnte ein Erdbeben in der Stadt Haitsheng vorhergesagt und die Bevölkerung rechtzeitig evakuiert werden. Es gibt kein spezifisches Muster für Vorläuferphänomene. Daher kann man ein sich näherndes Erdbeben nicht mit Sicherheit vorhersagen. Erdbeben werden durch ruckartige Bewegungen in Bruchzonen der Lithosphäre ausgelöst. Diese Spannungsakkumulation ist mit bestimmten sekundären Phänomenen verbunden. Wie kann man sich noch effektiv vor Erdbeben schützen? Die derzeit sicherste Methode ist die erdbebensichere Bauplanung. Die Ursachen für Erdbeben sind vielfältig. Durch die Untersuchung von Erdbebenwellen konnte das Innere der Erde in groben Zügen erforscht werden. So besteht die Erde aus Kruste, Mantel und äußerem und innerem Kern. Die Erdbebenwellen laufen nun von einem Punkt aus in alle Richtungen. Wellen, die direkt zum Erdkern verlaufen, 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. Wenn es fest wäre, hätte es durch die Schwerkraft eine elliptische Form angenommen. Dies ist daher ein Hinweis auf die enormen Konvektionsströme im Erdinneren. Die leichteren Kontinentalplatten schweben auf diesem fließenden Mantelmaterial. Durch die Kenntnis der Prozesse bei Erdbeben können zukünftige Erdbeben mehr oder weniger genau vorhergesagt werden.
Die seismische Wellenenergie kann aus vorgegebenen Parametern berechnet werden. Zur Berechnung der Wellenausbreitung ist eine genaue Kenntnis der Lithosphäre erforderlich (Eine Lithosphäre ist die starre, äußerste Hülle eines terrestrischen Planeten oder natürlichen Satelliten, die durch ihre starren mechanischen Eigenschaften definiert ist). Oft ist der lokale Untergrund sehr entscheidend für die Schwerkraft des Erdbebens. Die mit dem Erdbeben verbundene Bodenbewegung ist entscheidend für die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Boden und Struktur. Heutzutage wird oft nur noch die maximale Beschleunigung geschätzt. Diese ergibt sich aus der Intensität des Erdbebens. Die Intensität ist jedoch kein sehr zuverlässiges Maß, da sie auf der menschlichen Wahrnehmung und dem Grad der Zerstörung basiert. Ein Vorhersagemodell sollte jedoch auch die Auswirkungen der starken Schlagbewegung und den Frequenzgehalt der Bodenvibration beinhalten. Die Wechselwirkung zwischen Boden und Struktur (die meisten Tiefbauwerke beinhalten eine Art von Bauelement mit direktem Kontakt zum Boden) kann auf verschiedene Weise untersucht werden. Wichtig ist die Schadensinspektion nach Erdbeben. Für Bauingenieure sind auch Computersimulationen oder Simulationen auf Rütteltischen sehr hilfreich. Schwachstellenstudien und Verlustschätzungen sind ebenfalls sehr nützlich. Es geht um die Auswirkungen eines Erdbebens im Hinblick auf Gebäudeschäden und Sachschäden und -verluste sowie Unterbrechungen der Versorgungssysteme. Solche Schadensszenarien erfordern auch eine genaue Kenntnis des Erdbebens. Für die Ergreifung von Gegenmaßnahmen ist eine genaue Kenntnis der Wechselwirkung zwischen Boden und Struktur unerlässlich. Sehr wichtig ist der Schutz von Gebäuden (z.B. mit Gummidichtungen oder Federn). Dies gilt nicht nur für Wohngebäude, sondern auch für Fabriken, Geschäfte, Kraftwerke , Brücken, Tunnel, etc. In Bereichen, in denen der Bau auf erdbebengefährdeten Untergrund gezwungen wird, müssen detaillierte Voruntersuchungen des Untergrundes durchgeführt werden.
Auch die Katastrophenvorsorge ist eine wichtige Maßnahme zur Schadensbegrenzung. Dazu gehören Lebensmittellager, Notunterkünfte, Hilfstruppen und Evakuierungspläne. Doch wegen des großen Risikos eines Fehlalarms ist die Erdbebenwarnung immer noch sehr umstritten, denn ein Fehlalarm belastet ohne Grund sowohl die Wirtschaft als auch die Psyche der Betroffenen. Die Kontinentaldrifttheorie des in Berlin geborenen Wegener Alfred Wegener (1880-1930) bemerkte 1910 (völlig unbeeinflusst vom amerikanischen F.B. Taylor) bereits die gute Passform der Kontinente auf beiden Seiten des Atlantiks. Bereits 1912 hielt er zum ersten Mal Vorträge über seine Hypothese der kontinentalen Drift. Die Kontinente, bestehend aus Material mit relativ geringer Dichte (siale, vor allem silizium- und aluminiumreiche Granitgesteine mit einer Dichte von ca. 2,7 g/cm³), pflügen nach seiner Theorie durch ein zähflüssiges Gestein. Diese verfestigt sich nur an der Oberfläche und tritt in den Meeresböden auf (Sima-, silizium- und magnesiumreiche Basalte mit einer Dichte von 3,0 bis 3,3 g/cm³). Wegener machte insbesondere zwei Kräfte für die kontinentale Drift verantwortlich: die polare Flüchtige Kraft, die durch die Erddrehung erzeugt wird und für die kontinentale Drift von hohen zu niedrigen Breitengraden verantwortlich ist, und die westliche Drift, die durch das Zusammenspiel der Drehrichtung von West nach Ost und der Präzession der Erdachse verursacht wird. Wegener wollte die hohen Berge auf der Westseite der amerikanischen Kontinente und die entsprechenden tiefen Unterwasserrisse in Ostasien erklären. Seiner Meinung nach waren sie Ausdruck der westlichen Drift. Er sah darin das Ausfransen und Abbrechen der kontinentalen Krustenhaufen während der Migration. Die Antillen und die Südlichen Sandwichinseln zum Beispiel wären durch die Westdrift entstanden, während die Kontinente wanderten. Wichtige Säulen für Wegeners Theorie waren paläontologische und paläoklimatische Aspekte. Durch sorgfältiges Studium des Wissens seiner Zeit fand er charakteristische Faunen- und Blumenprovinzen des späten Paläozoikums in zusammenhängenden Zonen.
So baute er einen zusammenhängenden Kontinent, Pangäa, auf dessen Grundlage er viele weitere Beweise für seine Theorie fand. Eis aus dem antarktischen Eis wurde in Südamerika und Australien sowie in Südafrika und Indien gefunden. Um den rekonstruierten Kontinent Pangäa (Pangäa oder Pangea war ein Superkontinent, der während der spätpaläozoischen und frühen mesozoischen Ära existierte) herum befanden sich viele Floren von kälteren bis gemäßigteren Klimazonen. Auch an den Rändern Südamerikas und Afrikas konnten einige völlig identische Felszonen nachgewiesen werden. Eine moderne Rekonstruktion von Pangea unterscheidet sich im Detail von Wegener, bestätigt aber die Richtigkeit seiner Arbeit. Wegener veröffentlichte 1915 sein Buch Die Entstehung der Kontinente und Ozeane, das bis zu seinem Tod vier Ausgaben hatte. Aber trotz seiner guten Beweise fand Wegeners Theorie nur wenige Anhänger. Der Grund dafür war, dass Wegener keinen zufriedenstellenden Mechanismus für die Kontinentaldrift hatte. Nachdem er hauptsächlich Astronomie studiert hatte, suchte er nach den Gründen für die kontinentale Drift in extraplanetaren Kräften. Heute ist jedoch klar, dass die kontinentale Drift (die kontinentale Drift ist die Bewegung der Erdkontinente relativ zueinander, so dass sie über den Meeresboden zu “driften” scheint) durch die eigenen Kräfte der Erde verursacht wird, insbesondere durch Konvektionsströme im Erdmantel. Die Kräfte, die Wegener für viel zu schwach hielt. Damit hatte Wegener das Phänomen der kontinentalen Drift richtig erkannt, konnte es aber nicht ausreichend erklären. Dies war der Hauptangriffspunkt seiner Feinde und verhinderte eine breite Anerkennung seiner Theorie. Neue Untersuchungen ermöglichen weitere Erkenntnisse. So können einige geodynamische Hypothesen aufgestellt und an Intraplattenvulkanen untersucht werden. Es ist möglich, dass Intraplattenvulkane nur an sogenannten Mantelfahnen auftreten – Mantelströme, die aus dem oberen oder sogar unteren Mantel aufsteigen. Sie könnten auf kontinentale Riftzonen hinweisen, die für den Zerfall der Kontinentalplatten verantwortlich wären. Dies würde auch eine Theorie beinhalten, nach der die ozeanische Lithosphäre über einen im Mantel verankerten Kern, den Hot Spot, wandert, in dem die aufsteigenden Basaltmagmen erzeugt werden. Spuren davon sind in der mehr oder weniger linearen Altersabnahme der pazifischen Vulkanreihe zu sehen. Dies zeigt eine systematische Altersstruktur mit einer Migrationsgeschwindigkeit von ca. 8-10 cm pro Jahr. Außerhalb des Pazifiks sind diese Beispiele für regelmäßige vulkanische Aktivitäten jedoch selten.