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Pyroklastite

Viskosität

Über 90 % des bei festländischen Vulkanausbrüchen geförderten Materials sind Lockerprodukte, die zusammenfassend als Pyroklastite bezeichnet werden. Der Begriff pyroklastisch leitet sich daraus ab, dass die Produkte einerseits „durch Feuer“ entstehen, andererseits durch die Heftigkeit der Eruption selbst in kleinere Bestandteile zerbrochen werden. Etwa 25 % aller Sedimente der Erdgeschichte sind vulkanischen Ursprungs (Garrels & Mackenzie 1971). Die einfachste Annäherung an deren Beschreibung ist, wie bei klastischen Sedimenten, die nach der Korngröße (Abb. 11). Pyroklastische Sedimente reichen von hausgroßen Blöcken bis zu staubfeinem Material. Die feinkörnigen Partikel können vom Wind transportiert werden, die treibende Kraft ist aber zunächst eine vulkanische Explosion, die bei entsprechender Schlotorientierung einen ballistischen Wurf bedingt, der sich auch aus fossilen Ablagerungen manchmal noch rekonstruieren lässt. Bei senkrechtem Aufstieg der Partikelsäule breitet sich diese infolge nachlassenden Gasschubs irgendwann seitlich aus und es beginnt der schwerkraftbedingte Fall der Partikel daraus (Fall-Ablagerungen, fallout tephra). Zu explosiver Tätigkeit neigen besonders die Vulkane, die saure Magmen fördern, weil deren hohe Viskosität oft den Schlot verschließt, was meist zum Aufbau entsprechender Gasdrücke beiträgt. Besonders explosiv sind aber die Eruptionen, bei denen das Magma – unabhängig von seiner chemischen Zusammensetzung – mit Wasser in Kontakt kommt (phreatomagmatische Prozesse).

Pyroklastite sind z.B. Blöcke, Bomben, Wurfschlacken, Lapilli und Aschen (Abb. 12). Akkretionäre Lapilli bilden eine Sonderform mm bis cm großer Komponenten, die aus konzentrischen Aschelagen aufgebaut werden: sie entstehen, wenn es während einer Eruption regnet.

Abb. 12: Wurfschlacken.

Bomben sind größere kohärente Lavafetzen, die noch während des Fluges plastisch sind und dabei manchmal auch zu Spindeln verformt werden: bei hohem Gasgehalt bilden sich durch die Abkühlung während des Flugs Risse in der äußeren Haut, wodurch sie Brotkrusten ähneln (Brotkrustenbomben, Abb. 13).

vitrische, lithische und Kristall-Tuffe

Ausbruch des Mt. St. Helens

Vesuv-Ausbruch 79 n. Chr.

Ausbruch des Laacher-See-Vulkans

Santorin (1628/27 v. Chr.)

Glutwolken

Glutlawinen

Größere Schlacken, die beim Aufprall noch plastisch sind, können sich mit weiteren Schlacken zu Schweißschlacken verbinden, die in Lavafeldern manchmal zu kleinen Kegeln (Hornitos) aufgetürmt sind. Ähnlich entstehen die ebenfalls nur metergroßen spatter cones aus Fetzen besonders flüssiger Basaltschmelze. Dass solche Schmelzen extrem dünnflüssig sein können, zeigen zu haarfeinen Glasfäden ausgezogene Partikel, die aus Hawaii bekannt sind und nach der dortigen Feuergöttin als Pelés Haar, oder in Form kleiner Perlen als Pelés Tränen bezeichnet werden. Vom Material her überwiegen in den Pyroklastika Bestandteile, die in unmittelbarem Zusammenhang mit dem Magma stehen, es kann aber auch Fremdmaterial, z.B. von der Schlotwand oder aus den durchbrochenen Gesteinen des Untergrundes beteiligt sein. Darüber geben gelegentlich in die Vulkanite eingeschlossene Fremdgesteine (Xenolithe) Auskunft: die quartären Tuffkegel der Eifel sind gute Beispiele, deren Xenolithe vorwiegend aus den Sedimentgesteinen des Devonischen Untergrundes bestehen. Neben der Korngröße lassen sich pyroklastische Sedimente auch nach ihren Bestandteilen systematisieren. Dabei wird nach Glas, Gesteinsfragmenten oder Kristallen unterschieden: dementsprechend gibt es vitrische, lithische und Kristall-Tuffe (Abb. 11). Vitrische Tuffe (oder Tephra, s.u.) entstehen bei schneller Abkühlung der Schmelze, lithische meist durch Abrieb von Gesteinspartikeln an der Schlotwand und Kristalltuffe zeigen an, dass in einer Schmelze schon Kristal le gewachsen waren, ehe diese eruptierte: entsprechend dem Bowen-Schema (vgl. Gesteine) sind das meist Frühkristallisate wie Olivin und Pyroxen. Der Begriff Tuff wird heute nur noch für verfestigte Pyroklastika verwendet, unverfestigte heißen Tephra. Sehr feinkörnige Aschen werden im Extremfall bis in die Stratosphäre geschleudert und können dort durch Luftströmungen weiter vertragen werden. Beim Ausbruch der Laki-Vulkane in Island 1783/84, des Tambora 1815 und des Krakatau von 1883 umkreisten Asche- und/oder Aerosolwolken mehrere Jahre lang die Erde, die damals zu extremen Himmelserscheinungen (u.a. besonders roten Sonnenuntergängen) beigetragen hatten. Sie führten außerdem zu einer Abkühlung, was kurzzeitige Klimaänderungen und Missernten zur Folge hatte (1816 ging als „Jahr ohne Sommer“ in die Geschichtsbücher ein). Beim jüngsten Ausbruch des Mt. St. Helens (1980) gingen helle Aschen auf mehrere der nordamerikanischen Bundesstaaten nieder. Die erste exakte Beschreibung einer Förderung von Pyroklastika verdanken wir Plinius d.J., der den Vesuv-Ausbruch 79 n. Chr. so detailreich überliefert hat, dass man die dabei entstandenen Gesteinsprofile direkt mit seinen Beschreibungen korrelieren kann. Eine Wolke, die wie ein Baumstamm aufsteigt, „einer Pinie gleichend“, die oben Äste ausbreitet: Daraus regneten überwiegend Bims-Lapilli ab (Fallablagerungen, fallout tephra) und dementsprechend werden heute solche Eruptionen als „plinianisch“ bezeichnet. Die durch die Schwerkraft bedingte Sonderung führt zu einer charakteristischen Schiebtung, bei der die Korngrößen in den Profilen nach oben hin kleiner werden (gradierte Schichtung, ähnlich wie bei Turbiditen, die sich aus einer im Wasser suspendierten Partikelwolke absetzen, vgl. Meeresgeologie). Wenn solche Bims-Lapilli in Wasser fallen, kann sich diese Korngrößenverteilung aber umkehren, weil die größeren länger schwimmen und erst sedimentieren, nachdem sie vollgesogen sind. Im Normalfall werden die Partikel allseits um das Ausbruchszentrum herum abgelagert. Gelegentlich zeigt ihre Verteilung aber auch einen ballistischen Wurf in eine bestimmte Richtung an. Die vielfach beobachtete, fächerförmige Anordnung von Tephra um das Ausbruchszentrum herum ist meist durch vorherrschende Windrichtungen determiniert. Beim Ausbruch des Laacher-See-Vulkans vor 12.900 Jahren z.B. ist die Tephra über hunderte Kilometer weit nach Osten, Nordosten und Süden vertragen worden. Die in diesem Fall mineralogisch und geochemisch gut gekennzeichneten Förderprodukte bilden so ausgezeichnete Zeitmarken innerhalb vieler Sedimente des Jungquartärs. Beim Eintrag pyroklastischer Partikel in das Meer können sie mit normalmarinen Sedimenten vermischt werden und Tuffite bilden. Meeresströmungen übernehmen dann deren weitere Verteilung, was unter anderem an den Produkten der minoischen Eruption von Santorin (1628/27 v. Chr.) deutlich wurde, auf die eine Schicht von abnehmender Dicke bei gleichzeitig abnehmender Korngröße der Partikel innerhalb der normalen Sedimente des östlichen Mittelmeeres hinweist. Pyroklastisches Material kann man auch nach dem Förderprozess systematisieren. Dabei sind Fall-Ablagerungen von Ablagerungen pyroklastischer Ströme zu unterscheiden. Den verständlichsten Fall pyroklastischer Ströme bilden die Lahare, Ströme aus Schutt oder Schlamm, einer Mischung von Pyroklasten mit kaltem oder heißem Wasser, die in ihrem Lauf bevorzugt Tälern folgen, weil dort das nötige Wasser verfügbar ist. Das kann aber auch durch heftige Regenfälle oder Schnee/Eisschmelze im Gipfelbereich von Vulkanen beigesteuert werden, wie rezent im Falle des Nevado del Ruiz (1985). Die Förderung großer Mengen pyroklastischen Materials kann zu hoch aufsteigenden Glutwolken führen, die bei nachlassendem Gasschub kollabieren und aus denen dann Partikel schwerkraftbedingt den Vulkanhang mit hoher Geschwindigkeit hinabsausen. Glutlawinen i.e.S. (nuées ardentes, Lacroix 1905: Abb. 14) bilden dagegen pyroklastische Blockströme aus schlecht sortiertem andesitischem oder dazitischem Material, das aus dem oberen Bereich eines Kraters stammt und dort infolge der Eruption am Steilhang auseinanderbricht.

Abb. 13: Brotkrustenbombe (Lacroix 1906).

Glutwolken dagegen bestehen wesentlich aus heißen Gasen und Aschepartikeln, die aus den Glutlawinen aufsteigen. Ein entsprechendes Geschehen ist erstmals vom unerwarteten Ausbruch (1902) der Montagne Pelée auf der Karibikinsel Martinique beschrieben worden: seitdem spricht man von „peléeanischer“ Tätigkeit. Die am weitesten verbreiteten pyroklastischen Ströme bilden Ignimbrite, die an ihren spezifischen Strukturen meist gut zu erkennen sind (Abb. 15).

Fließgeschwindigkeit

phreatomagmatische Prozesse

Zeitmarken

Die oft enorme Fließgeschwindigkeit von ein paar hundert km/h solcher pyroklastischen Ströme beruht auf ihrer Zusammensetzung, die eine heiße Emulsion von Gesteinsbruchstücken, Bims und Asche zusammen mit Gas bildet, was die Reibung der Partikel untereinander praktisch aufhebt. Infolge des turbulenten Fließens sind die Partikel in Ignimbriten meist schlecht sortiert und das Gestein erscheint massig wie ein Lavastrom. Hauptbestandteile sind Aschen, Bimslapilli und deren zu Scherben fragmentierte glasige Blasenwände neben Kristallen und Gesteinsbruchstücken. Die infolge der hohen Temperaturen anfangs oft noch plastischen Partikel können zusammengeschweißt werden, sodass manche Ignimbrite massigen Lavaströmen ähneln: bei niedrigeren Temperaturen unterhalb von etwa 500°C bleiben sie aber unverschweißt. Das saure Magma bedingt helle Gesteinsfarben. Ignimbrite kennzeichnen u.a. zerrissene Bimsfragmente, wobei die Fragmentierung bis in die einzelnen Gasblasen hinein erfolgt sein kann. Die an den Blasenwänden zerrissenen Bimslapilli bilden oft Y-förmige Partikel, die im noch plastischen Zustand zu einem leistenähnlichen Gefüge miteinander verschweißt werden (der englische Ausdruck welded tuffs trägt dem Rechnung, während der aus dem Lateinischen abgeleitete Begriff Ignimbrit, von ignis = Feuer und imber = Regen, den Vorgang beschreibt). Kennzeichnend sind die manchmal extrem ausgelängten Bimsfragmente oder die schwarz erscheinenden, zu porenfreiem Glas zusammengedrückten länglichen Bimspartikel („flamme“). Ignimbrite bestehen infolge schnell aufeinander folgender Förderung vielfach aus einzelnen Fließeinheiten (flow units), die dann als Paket zusammen abkühlen können (cooling units). Die Verfestigung wird auch durch hydrothermale Dämpfe unterstützt, die die langsam erkaltenden Gesteine durchströmen und oft Zeolithe im Porenraum absetzen. Bei extrem hohen Drücken vor bzw. während der Eruption, wie sie z.B. durch phreatomagmatische Prozesse zustande kommen, entstehen Surges, horizontal vom Ausbruchszentrum am Boden entlang schießende Wolken mit nur geringer Partikelfracht, die zu schlecht sortierten Sedimentkörpern mit dünenähnlicher Schrägschichtung führen: so etwas hat man auch im Umfeld von Atombombenversuchen beobachtet. Da explosive Vulkanausbrüche im Hinblick auf die Erdgeschichte allgemein sehr kurzzeitige Ereignisse sind, sind Tephra, Tuffe- oder Tuffite, deren Mineralbestandteile sich auch geochemisch kennzeichnen lassen, ausgezeichnete Zeitmarken (Tephrochronologie).

Abb. 14: Glutlawine, Montagne Pelée (Lacroix 1906).

Abb. 15: Ignimbrit: zu dunklen Glas-fiamme komprimierte, eingeregelte Bimskomponenten.