Hawaiianische Vulkane - Teil 3: Ein wachsender Vulkan

Nachdem wir uns im letzten Post mit dem Prozess beschäftigt haben, der für die Entstehung der Hawaii-Emperor-Kette verantwortlich ist, können wir uns nun auf den Lebenszyklus eines Vulkans konzentrieren. Dieser beginnt mit der Geburt und dem Wachstum.

Das Verständnis der hawaiianischen Vulkane beginnt mit den Beobachtungen die wir an Land machen können. Geologen die über die hawaiianischen Inseln wanderten bemerkten, dass die unteren Teile der Vulkane aus relativ dünnen Lavaströmen bestehen, die rötlich verwittern. Die Kuppen hingegen bestehen aus weniger, aber mächtigeren Lavaströmen, welche grau-weiß verwittern. Bodenschichten zwischen diesen beiden Lavatypen ist ein Anzeichen dafür, dass eine gewisse Zeit zwischen der Ablagerung der beiden vergangen ist.

Plateau auf Maui. Hier kann man wunderbar die farblichen Unterschiede zwischen den unteren roten Lavaströmen und den oberen grauen Lavaströmen beobachten.
pxhere.com.

Dies bedeutet: Der Vulkan bricht aus und produziert eine einzige Art von Lava. Danach pausiert er für eine kurze Zeit und wenn er erneut ausbricht produziert er eine andere Art von Lava.

Die Frage ist nun:

Warum ändert ein hawaiianischer Vulkan seine Lavatyp?

Die Antwort ist, der im letzten Post beschriebene Vorgang einer sich über einen stationären Hotspot bewegenden pazifischen Platte.

Um zu Verstehen wie das Zusammenspiel von Plume und sich bewegender Platte die Zusammensetzung der sich formenden Schmelze beeinflusst, müssen wir zuerst den Plume an sich näher betrachten.

Ein Mantel Plume entsteht, wenn heißeres und weniger dichtes Material im Mantel säulenartig aufsteigt. Bei diesem gesamten Prozess ist der Mantel im festen Zustand. Während des Aufstiegs bewegen sich nicht alle Teile der Säule gleich schnell. Material im Inneren der Säule ist heißer als das Material am Rand der Säule, welche durch den Kontakt mit dem umliegenden, kälteren Mantel durchgehend an Wärme verliert. Dies führt dazu, dass der Innere Teil der Säule schneller aufsteigt als der Rand. Zusätzlich zum Wärmeverlust, reibt der äußere Teil der Säule gegen den umliegenden Mantel, was ebenfalls zu einer reduzierten Aufstiegsgeschwindigkeit führt.

Druckentlastung im oberen Mantel kann zu Schmelzbildung führen, was einer der Prozesse ist durch welchen Schmelze unter Hawaii geformt wird. Die Menge an Schmelze ist abhängig von der Aufstiegsgeschwindigkeit und der dadurch resultierenden Dekompressionsrate. Dies bedeutet, dass heißeres und schneller aufsteigendes Material mehr Schmelze bildet als kälteres und langsamer aufsteigendes Material. Die Konzentration von inkompatiblen Elementen in einer Schmelze ist abhängig von der Menge an aufgeschmolzenen Mantelmaterial. Je mehr Material schmilzt, desto mehr wird die Menge an inkompatiblen Elementen verdünnt und die messbare konzentration sinkt. Die Prozesse im Inneren und dem Rand des Plumes generieren also Schmelzen mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung. Im Inneren werden große Mengen an tholleitischem Basalt, während am Rand kleine Mengen an Alkalibasalt produziert werden.

In einem meiner älteren Artikel gehe ich genauer auf die Prozesse ein, durch welche Schmelze im Erdmantel produziert wird. Leider ist dieser Artikel aber noch auf englisch.

(a) Mantel Plume Säule, mit heißeren und schneller aufsteigendem Material im Inneren und kälteren, langsamer aufsteigenden Material am Rand. (b) Eine Platte bewegt sich über den Plume. Dies führt zur Dehnung der Säule entlang der Bewegungsrichtung. Die Sterne zeigen den Pfad eines hypothetischen Vulkans über den Plume. Details im text.
Gezeichnet beim Autor.


Nun stellen wir uns die pazifische Platte vor, die über die Säule wandert. Der innere und äußere Teil der Sãule werden ihre Zielscheiben Form beibehalten, aber, durch die Reibung der Platte, von einer runden Form auf eine ovale Form in Richtung der Plattenbewegung gedehnt. Wir können nun einen imaginären Punkt festlegen und diesen beobachten während die Platte ihn über den Hotspot trägt.

• Schritt 1: Als erstes wird unser Punkt in den äußeren Teil des Plumes getragen. An dieser Stelle werden kleine Mengen an Alkalibasalt gebildet, die auf dem Ozeanboden auslaufen und einen kleinen Unterwasservulkan formen. Diese Phase wird als Pre-Schild-Phase bezeichnet. Das zusätzliche Gewicht, das auf den Ozeanboden hinzugefügt wurde, übt Druck auf die ozeanische Platte aus und kreiert eine kleine Senke.

• Schritt 2: Nach einer Weile bewegt sich unser Punkt in den Inneren Teil der Plume Säule. Hier werden riesige Mengen an tholeiitischem Basalt geformt, welche kontinuierlich den Großteil des Vulkans aufbauen. Diese Phase wird als Schild-Bildungs-Phase bezeichnet. Während der Vulkan wächst, ändert sich das Aussehen der ausbrechenden Lava je nach Umfeld.
  (a) Unter Wasser kühlt die Lava schnell ab und formt Lagen von Kissenlaven.
  (b) Wenn der Vulkan den oberen Teil der Wassersäule erreicht, ändert sich die Art des Vulkanausbruches. Der Druck der Wassersäule ist nicht mehr hoch genug um die Gase zu unterdrücken, welche beim Ausbruch frei werden. Das rapide Ausgasen führt zu explosiven Ausbrüchen. Die abgelagerten Gesteine bestehen daher meist aus zerbrochenen Gesteinsstücken und Asche. Diese Gesteine werden als Hyaloklastit bezeichnet.
  (c) Nachdem der Vulkan die Wasseroberfläche durchbricht, formt die subaerisch auslaufende Lava die wunderschönen Ströme, die wir auf den hawaiianischen Inseln bewundern können.

• Schritt 3: Irgendwann wird unser Punkt aus der inneren Plume Säule heraus und erneut in äußere Zone hinein wandern. Der Vulkan betritt nun seine _Post-Schild-Phase _. Hier werden wieder kleinere Mengen an Alkalibasalt produziert welche eine Deckschicht auf dem Vulkan bilden.
  Während des gesamten Wachstumsprozesses wiegt der Vulkan schwer auf dem Ozeanboden, drückt diesen hinunter und bildet eine riesige Senke.

• Schritt 4: Zum Schluss verlässt unser Punkt die Plume Säule und der Vulkan stirbt.

Schrittweiser Wachstum eines hawaiianischen Vulkans. Details zu den einzelnen Schritten sind im Text erklärt.
Gezeichnet beim Autor.

Durch den Wechsel des Magmatyps, während des Eintritts in die äußere Zone des Mantel Plumes, ändert sich die Form des Vulkans. Mauna Kea hat schon seine Alkali-Deckschicht, während sich Mauna Loa noch in der Schild-Bildungs-Phase befindet. Auf dem folgenden Bild sind beide Vulkane abgebildet. Mauna Loa produziert tholeiitischen Basalt und formt einen flachen Schild. Mauna Kea hingegen ist steiler und rauer im Vergleich. Die Veränderungen des Ausbruchsmaterials sind also makroskopisch sichtbar.

Mauna Kea (links) und Mauna Loa (rechts). Steilere und rauere Topografie des Alkalibasalts von Mauna Kea ist erkennbar im Vergleich zur tholeiitischen Schild-Bildungs-Phase von Mauna Loa.
Foto von Travis Thurston, commons.wikimedia.org.

Zusammenfassung

Hawaiianische Vulkane wachsen während sie auf der pazifischen Platte über einen Hotspot transportiert werden. Dieser Wanderpfad führt zu unterschiedlicher Magmenbildung, welche auf die Oberfläche ausbricht. Zuerst formen kleine Mengen Alkalibasalt Unterwasservulkane. Diese wachsen im Verlauf des Wanderpfades durch große und zahlreiche tholeiitische Ausbrüche bis über den Meeresspiegel und formen die Schildvulkane, die man heutzutage auf den hawaiianischen Inseln bewundern kann. Zum Schluss formen erneute Ausbrüche von Alkalibasalt beim Verlassen der Plume Säule eine Deckschicht über den Vulkan.

Vorige Teile

Hawaiianische Vulkane - Teil 1: Einführung
Hawaiianische Vulkane - Teil 2: Der hawaiianische Hotspot

Quellen

• Dieser Post ist eine Übersetzung. Originaler Artikel
• Stearns, H.T. (1946). Geology of the Hawaiian Islands. Hawaii Division of Hydrography Bulletin 8
• Tilling, R.I., Heliker, C., and Swanson D.A. (2010). Eruptions of Hawaiian volcanoes— past, present, and future: U.S. Geological Survey General Information Product 117
• Zeilinga de Boer, J. and Sanders, D.T., (2002). Volcanoes in Human History: The Far-reaching Effects of Major Eruptions. Princeton University Press
• http://manoa.hawaii.edu/coe/kulia/publications/nsf/Hawaii_evolution_main_shield_Kahua_Ao_HANDOUTS.pdf
• Power Point Präsentationen der University of Hawai'i erhältlich auf http://www2.hawaii.edu/~nasir/
• https://en.wikipedia.org/wiki/Evolution_of_Hawaiian_volcanoes