Lava (Deutsch)

Zusammensetzung

Die Zusammensetzung fast aller Lava der Erdkruste wird von Silikatmineralien dominiert: hauptsächlich Feldspate, Feldspathoide, Olivin, Pyroxene, Amphibole, Glimmer und Quarz. Seltene nicht silikatische Laven können sich durch lokales Schmelzen nicht silikathaltiger Mineralablagerungen oder durch Trennung eines Magmas in getrennte nicht mischbare silikatische und nicht silikatische flüssige Phasen bilden. Silikatlavas sind geschmolzene Gemische dominiert von Sauerstoff und Silizium, den am häufigsten vorkommenden chemischen Elementen der Erde, mit geringeren Mengen an Aluminium, Kalzium, Magnesium, Eisen, Natrium und Kalium und geringen Mengen vieler anderer Elemente. Petrologen drücken die Zusammensetzung einer Silikatlava routinemäßig als Gewicht oder Molmassenanteil der Oxide der Hauptelemente (außer Sauerstoff) aus, die in der Lava vorhanden sind.

Das physikalische Verhalten von Silikatmagmen wird dominiert durch die Siliciumdioxidkomponente. Siliziumionen in Lava binden stark an vier Sauerstoffionen in einer tetraedrischen Anordnung. Wenn ein Sauerstoffion an zwei Siliciumionen in der Schmelze gebunden ist, wird es als verbrückender Sauerstoff beschrieben, und Lava mit vielen Klumpen oder Ketten von Siliciumionen, die durch verbrückende Sauerstoffionen verbunden sind, wird als teilweise polymerisiert beschrieben. Aluminium in Kombination mit Alkalimetalloxiden (Natrium und Kalium) neigt auch dazu, die Lava zu polymerisieren. Andere Kationen wie Eisen, Calcium und Magnesium binden viel schwächer an Sauerstoff und verringern die Tendenz zur Polymerisation. Durch partielle Polymerisation wird die Lava viskos, so dass Lava mit hohem Siliciumdioxidgehalt viel viskoser ist als Lava mit niedrigem Siliciumdioxidgehalt.

Aufgrund der Rolle von Siliciumdioxid bei der Bestimmung der Viskosität und aufgrund vieler anderer Eigenschaften einer Lava (z Es wird beobachtet, dass seine Temperatur mit dem Kieselsäuregehalt korreliert. Silikatlaven werden basierend auf dem Kieselsäuregehalt in vier chemische Typen unterteilt: Felsic, Intermediate, Mafic und Ultramafic.

Felsic Lava

Felsic oder Kieselsäurellavas haben einen Kieselsäuregehalt von mehr als 63%. Dazu gehören Rhyolith- und Dacit-Laven. Mit einem so hohen Kieselsäuregehalt sind diese Laven extrem viskos und reichen von 108 cP für heiße Rhyolith-Lava bei 1.200 ° C (2.190 ° F) bis 1011 cP für kühle Rhyolith-Lava bei 800 ° C (1.470 ° F). Zum Vergleich hat Wasser eine Viskosität von etwa 1 cP. Aufgrund dieser sehr hohen Viskosität brechen felsische Laven normalerweise explosionsartig aus und erzeugen pyroklastische (fragmentarische) Ablagerungen. Rhyolith-Laven brechen jedoch gelegentlich aus und bilden Lavastacheln, Lavadome oder „Coulees“ (dicke, kurze Lavaströme). Die Laven fragmentieren normalerweise beim Extrudieren und erzeugen Blocklavaflüsse. Diese enthalten häufig Obsidian.

Felsmagmen können bereits bei Temperaturen von 800 ° C (1.470 ° F) ausbrechen. Ungewöhnlich heiße (> 950 ° C; > 1.740 ° F) Rhyolith-Laven können jedoch über Entfernungen von vielen zehn Kilometern fließen. wie in der Snake River Plain im Nordwesten der Vereinigten Staaten.

Zwischenlava

Zwischen- oder andesitische Laven enthalten 52% bis 63% Kieselsäure und enthalten weniger Aluminium und sind normalerweise etwas reicher in Magnesium und Eisen als felsische Laven. Zwischenlavas bilden Andesitkuppeln und Blocklavas und können auf steilen zusammengesetzten Vulkanen wie den Anden auftreten. Sie sind auch üblicherweise heißer im Bereich von 850 bis 1.100 ° C (1.560 bis 2.010 ° F). Aufgrund ihres niedrigeren Siliciumdioxidgehalts und der höheren Eruptionstemperaturen sind sie mit einer typischen Viskosität von 3,5 × 10 6 cP bei 1.200 ° C (2.190 ° F) tendenziell viel weniger viskos. Dies ist etwas höher als die Viskosität von glatter Erdnussbutter. Zwischen-Laven zeigen eine größere Tendenz zur Bildung von Phenokristallen. Höheres Eisen und Magnesium manifestieren sich tendenziell als dunklere Grundmasse, einschließlich Amphibol- oder Pyroxen-Phenokristalle. Mafic- oder Basalt-Laven haben a Kieselsäuregehalt von 52% bis 45%. Sie zeichnen sich durch ihren hohen Ferromagnesian-Gehalt aus und brechen im Allgemeinen bei Temperaturen von 1.100 bis 1.200 ° C (2.010 bis 2.190 ° F) aus. Die Viskositäten können relativ niedrig sein, etwa 104 bis 105 cP, obwohl dies immer noch viele Größenordnungen höher ist als Wasser. Diese Viskosität ähnelt der von Ketchup. Basaltlaven neigen dazu, flache Schildvulkane zu produzieren oder Basalte zu überfluten, da die flüssige Lava über große Entfernungen von der Entlüftung fließt. Die Dicke einer Basaltlava, insbesondere an einem niedrigen Hang, kann zu jedem Zeitpunkt viel größer sein als die Dicke des sich bewegenden Lavastroms, da sich Basaltlaven durch Zufuhr von Lava unter einer erstarrten Kruste „aufblasen“ können. Die meisten Basaltlaven sind eher vom Typ „A“ oder „Pāhoehoe“ als von Blocklavas. Unter Wasser können sie Kissenlavas bilden, die Pahoehoe-Lavas vom Eingeweidetyp an Land ziemlich ähnlich sind.

Ultramafische Lava

Ultramafische Laven wie Komatiit und hochmagnesische Magmen, die Boninit bilden, bringen die Zusammensetzung und die Temperaturen von Eruptionen auf das Äußerste. Alle haben einen Kieselsäuregehalt unter 45%. Komatiiten enthalten über 18% Magnesiumoxid und sind vermutlich bei Temperaturen von 1.600 ° C (2.910 ° F) ausgebrochen. Bei dieser Temperatur findet praktisch keine Polymerisation der Mineralverbindungen statt, wodurch eine hochbewegliche Flüssigkeit entsteht. Es wird angenommen, dass die Viskositäten von Komatiit-Magmen nur 100 bis 1000 cP betrugen, ähnlich wie bei leichtem Motoröl. Die meisten ultramafischen Laven sind nicht jünger als das Proterozoikum, mit einigen ultramafischen Magmen, die aus dem Phanerozoikum in Mittelamerika bekannt sind und einer heißen Mantelwolke zugeschrieben werden. Es sind keine modernen Komatiit-Laven bekannt, da der Erdmantel zu stark abgekühlt ist, um hochmagnesische Magmen zu erzeugen.

Akaline Laven

Einige Kieselsäurellavas haben einen erhöhten Gehalt an Alkalimetalloxiden (Natrium und Kalium), insbesondere in Regionen mit kontinentaler Rissbildung, Gebieten über tief subduzierten Platten oder an Intraplate-Hotspots. Ihr Kieselsäuregehalt kann von ultramafisch (Nephelinite, Basanite und Tephrite) bis felsisch (Trachyten) reichen Olivin-Nephelinit-Laven werden sowohl ultramafisch als auch stark alkalisch erzeugt und stammen vermutlich viel tiefer aus dem Erdmantel als andere Laven.

Nicht-silicische Laven

Einige Laven ungewöhnlicher Zusammensetzung sind auf der Erdoberfläche ausgebrochen. Dazu gehören:

• Karbonatit- und Natrocarbonatit-Laven sind aus dem Vulkan Ol Doinyo Lengai in Tansania bekannt einziges Beispiel eines aktiven Karbonatits vol Kanu. Karbonatite in der geologischen Aufzeichnung bestehen typischerweise aus 75% Carbonatmineralien mit geringeren Mengen an mit Kieselsäure untergesättigten Silikatmineralien (wie Glimmer und Olivin), Apatit, Magnetit und Pyrochlor. Dies spiegelt möglicherweise nicht die ursprüngliche Zusammensetzung der Lava wider, die möglicherweise Natriumcarbonat enthielt, das anschließend durch hydrothermale Aktivität entfernt wurde, obwohl Laborexperimente zeigen, dass ein kalzitreiches Magma möglich ist. Karbonatit-Laven weisen stabile Isotopenverhältnisse auf, was darauf hinweist, dass sie von den stark alkalischen Kieselsäure-Laven abgeleitet sind, mit denen sie immer verbunden sind, wahrscheinlich durch Trennung einer nicht mischbaren Phase. Natrocarbonatit-Laven von Ol Doinyo Lengai bestehen hauptsächlich aus Natriumcarbonat, etwa halb so viel Calciumcarbonat und wieder halb so viel Kaliumcarbonat und geringen Mengen an Halogeniden, Fluoriden und Sulfaten. Die Laven sind extrem flüssig, haben nur geringfügig höhere Viskositäten als Wasser und sind mit gemessenen Temperaturen von 491 bis 544 ° C (916 bis 1.011 ° F) sehr kühl.
• Eisenoxid-Laven sind vermutlich die Quelle des Eisenerzes in Kiruna, Schweden, das sich während des Proterozoikums gebildet hat. Eisenoxidlaven aus dem Pliozän kommen im Vulkankomplex El Laco an der Grenze zwischen Chile und Argentinien vor. Es wird angenommen, dass Eisenoxidlaven das Ergebnis einer nicht mischbaren Trennung von Eisenoxidmagma von einem Elternmagma mit kalkalkalischer oder alkalischer Zusammensetzung sind.
• Am Vulkan Lastarria in Chile treten Schwefellavaflüsse auf, die bis zu 250 Meter lang und 10 Meter breit sind. Sie wurden durch Schmelzen von Schwefelablagerungen bei Temperaturen von nur 113 ° C (235 ° F) gebildet.

Der Begriff „Lava“ kann auch verwendet werden, um geschmolzene „Eismischungen“ bei Eruptionen auf den eisigen Satelliten der Gasriesen des Sonnensystems zu bezeichnen (siehe Kryovulkanismus).

Rheologie

Das Verhalten von Lavaströmen wird hauptsächlich durch die Viskosität der Lava bestimmt, während die Temperaturen in gewöhnlichen Silikatlaven zwischen etwa 800 ° C liegen (1.470 ° F) für felsische Laven bis 1.200 ° C (2.190 ° F) für mafische Laven liegt die Viskosität derselben Laven über sieben Größenordnungen, von 104 cP für mafische Lava bis 1011 cP für felsische Magmen. Die Viskosität beträgt Meistens durch die Zusammensetzung bestimmt, hängt aber auch von der Temperatur ab. Die Tendenz, dass felsische Lava kühler als mafische Lava ist, erhöht den Viskositätsunterschied. Die Lavaviskosität bestimmt die Art der vulkanischen Aktivität, die stattfindet, wenn t Die Lava ist ausgebrochen. Je höher die Viskosität ist, desto größer ist die Tendenz, dass Eruptionen eher explosiv als überschwänglich sind. Infolgedessen bestehen die meisten Lavaströme auf der Erde, dem Mars und der Venus aus Basaltlava. Auf der Erde sind 90% der Lavaströme mafisch oder ultramafisch, wobei die mittlere Lava 8% der Flüsse und die felsische Lava nur 2% der Flüsse ausmacht. Die Viskosität bestimmt auch den Aspekt (Dicke relativ zur seitlichen Ausdehnung) der Strömungen, die Geschwindigkeit, mit der sich Strömungen bewegen, und den Oberflächencharakter der Strömungen.

Wenn sie überschwänglich ausbrechen, brechen hochviskose Laven fast ausschließlich als hochaspektive Strömungen oder Kuppeln aus. Die Flüsse haben eher die Form von Blocklava als von ʻaʻā oder pāhoehoe. Obsidianflüsse sind häufig. Zwischenlavas neigen dazu, steile Stratovulkane zu bilden, mit abwechselnden Lavabetten aus effusiven Eruptionen und Tephra aus explosiven Eruptionen. Mafic-Laven bilden relativ dünne Flüsse, die große Entfernungen zurücklegen können, und bilden Schildvulkane mit sehr sanften Hängen.

Die meisten Laven enthalten feste Kristalle verschiedener Mineralien, Fragmente exotischer Gesteine, die als Xenolithe bekannt sind, und Fragmente zuvor erstarrter Lava. Der Kristallgehalt der meisten Laven verleiht ihnen thixotrope und scherverdünnende Eigenschaften. Mit anderen Worten, die meisten Laven verhalten sich nicht wie Newtonsche Flüssigkeiten, bei denen die Fließgeschwindigkeit proportional zur Scherspannung ist. Stattdessen ist eine typische Lava eine Bingham-Flüssigkeit, die einen beträchtlichen Strömungswiderstand aufweist, bis eine Spannungsschwelle, die als Fließspannung bezeichnet wird, überschritten wird. Dies führt zu einem Pfropfenfluss von teilweise kristalliner Lava. Ein bekanntes Beispiel für Plug Plug ist Zahnpasta, die aus einer Zahnpastatube herausgedrückt wird. Die Zahnpasta tritt als halbfester Stopfen aus, da die Scherung in der Zahnpasta neben der Tube in einer dünnen Schicht konzentriert ist und sich die Zahnpasta nur hier wie eine Flüssigkeit verhält. Das thixotrope Verhalten verhindert auch, dass sich Kristalle aus der Lava absetzen. Sobald der Kristallgehalt etwa 60% erreicht, verhält sich die Lava nicht mehr wie eine Flüssigkeit und beginnt sich wie ein Feststoff zu verhalten. Eine solche Mischung von Kristallen mit geschmolzenem Gestein wird manchmal als Kristallbrei bezeichnet. Die Lavaströmungsgeschwindigkeiten variieren hauptsächlich basierend auf der Viskosität und der Steigung. Im Allgemeinen fließt Lava langsam mit typischen Geschwindigkeiten von 0,40 km / h und Höchstgeschwindigkeiten von 9,7 bis 48,3 km / h an steilen Hängen. Nach dem Einsturz eines Lavasees am Berg Nyiragongo wurde eine außergewöhnliche Geschwindigkeit von 32 bis 97 km / h gemessen. Die Skalierungsbeziehung für Laven besteht darin, dass die Durchschnittsgeschwindigkeit eines Flusses als Quadrat seiner Dicke geteilt durch seine Viskosität skaliert. Dies impliziert, dass ein Rhyolithfluss ~ 1000 × so dick sein müsste wie ein Basaltfluss, um mit einer ähnlichen Geschwindigkeit zu fließen.

Thermisch

Lavas haben einen Temperaturbereich von etwa 800 ° C (1.470 ° C) F) bis 1.200 ° C (2.190 ° F). Dies ähnelt den heißesten Temperaturen, die mit einer Holzkohle-Schmiede erreicht werden können. Eine Lava ist beim ersten Ausbruch am flüssigsten und wird mit sinkender Temperatur viel viskoser.

Lavaströme entwickeln aufgrund des Strahlungswärmeverlusts schnell eine isolierende Kruste aus festem Gestein. Danach kühlt sich die Lava durch sehr langsame Wärmeleitung durch die felsige Kruste ab. Geologen des United States Geological Survey bohrten regelmäßig in den Kilauea Iki Lavasee, der 1959 bei einem Ausbruch entstand. Der See war etwa 100 m tief. Nach drei Jahren war die feste Oberflächenkruste, deren Grund eine Temperatur von 1.065 ° C hatte, immer noch stilvoll l nur 14 m dick. Restflüssigkeit war noch neunzehn Jahre nach dem Ausbruch in Tiefen von etwa 80 m (260 ft) vorhanden.

Abkühlende Lavaströme schrumpfen, und dies führt zu einem Bruch des Flusses. In Basaltflüssen entsteht ein charakteristisches Bruchmuster. Die obersten Teile der Strömung weisen unregelmäßige nach unten gespreizte Brüche auf, während der untere Teil der Strömung ein sehr regelmäßiges Muster von Brüchen aufweist, die die Strömung in fünf- oder sechsseitige Säulen aufteilen. Der unregelmäßige obere Teil der erstarrten Strömung wird als Gebälk bezeichnet, während der untere Teil, der eine säulenförmige Verbindung zeigt, als Kollonade bezeichnet wird. Die Begriffe stammen aus der griechischen Tempelarchitektur. Ebenso werden regelmäßige vertikale Muster an den Seiten der Säulen, die durch Abkühlen mit periodischem Brechen erzeugt werden, als Meißelspuren beschrieben. Dies sind natürliche Merkmale, die durch die Physik des Abkühlens, der thermischen Kontraktion und des Bruchs erzeugt werden.

Wenn die Lava abkühlt und von ihren Grenzen nach innen kristallisiert, werden Gase aus der Lava ausgestoßen, um an den unteren und oberen Grenzen Vesikel zu bilden . Diese werden als Pfeifenstammvesikel oder Pfeifenstamm-Amygdales bezeichnet. Aus dem Kühlkristallbrei ausgestoßene Flüssigkeiten steigen nach oben in das noch flüssige Zentrum des Kühlstroms und erzeugen vertikale Vesikelzylinder. Wo diese zur Oberseite der Strömung hin verschmelzen, bilden sich Bläschen aus vesikulärem Basalt, die manchmal mit Gashohlräumen bedeckt sind. Diese sind manchmal mit sekundären Mineralien gefüllt. Die schönen Amethyst-Geoden, die in den Flutbasalten Südamerikas gefunden wurden, bildeten sich auf diese Weise.

Flutbasalte erfahren normalerweise eine geringe Kristallisation, bevor sie nicht mehr fließen, und infolgedessen sind Fließstrukturen in weniger silikatischen Strömungen ungewöhnlich . Andererseits ist eine Strömungsbandbildung bei felsischen Strömungen üblich