Das eindruckvollste
Ereignis einer derartigen Spalteneruption geschah 1783 entlang der
Laki-Spalte in Südisland. Die Spalte öffnete sich auf einer Länge
von 25 - 30 km und es bildete sich eine Reihe kleiner Vulkankrater. Vulkanische
Asche dieser Eruption wurde bis in die Troposphäre getragen. Noch in Südeuropa
beobachtete man diese feinen Aschen und stellte eine nachhaltige Beeinflussung
des Wetters fest. Allein bei dieser Eruptionsphase wurden 12,5 km
3 Lava gefördert und 10 Millionen Tonnen Schwefeldioxid ausgestoßen.
(An diesem Giftgas starben etwa 10.000 Menschen und die Vegetation wurde
weitgehend zerstört.)
Deutsche Aktivitäten im "GeoLabor" Island
Dieses einzigartige
"GeoLabor", das uns Island bietet, wird schon
seit einigen Jahrzehnten von verschiedenen geowissen-schaftlichen
Forschungsrichtungen in Deutschland genutzt. Bereits seit den dreißiger
Jahren des vorigen Jahrhunderts werden Deformations- und Hebungsraten mit
geodätischen Methoden in Süd- und
Nord-island gemessen. Schon vor
dem Zeitalter von GPS haben die Profs. Karl Gerke
und Dietrich Möller aus Braunschweig und Wolfgang Torge
(Hannover) mit ihren Mitarbeitern den Ablauf vulkanischer Spaltenweitung
und Erzeugung neuer Erdkruste in Nordisland hervorragend dokumentiert.
Seit etwa 1975 haben sich verschiedene
deutsche Geowissenschaftler, oft mit Unter-stützung
der DFG, um eine genauere Erforschung des heißen Erdmantels und der anomalen
Krustenstruktur auf Island bemüht. Obwohl fern des rauhen Nordatlantiks,
war es Prof. Gustav Angenheister in München,
der wesentlich zur Durchführung des groß-angelegten RRISP (
Reykjanes Ridge Iceland
Seismic Project) beitrug. Übernahm die Münchener
Gruppe vom Prof. Gebrande die Landseismik, so
bedurfte es noch der Expertise von Prof. Wilhelm Weigel (Hamburg), um ein
kombiniertes land- und seeseismisches Profil längs des
Reykjanes-Rücken bis auf dem Island-Sockel zu verwirklichen. Die resultierenden
Seismo-grammmontagen zeigten ein
ungewöhnliches Bild, mit seismischen p-Wellenge-chwindig-keiten
von 7,2 –7,4 km/s in ca. 15 km Tiefe; dieser Bereich wurde damals als anomal
heißes Mantelmaterial interpretiert. Magneto-tellurische
Messungen von Dr. Martin Beblo (München) passten
hervorragend zu dieser Interpretation, zeigten sie doch eine elektrisch gut
leitende Schicht in genau dieser Tiefe.
Viel zu
unserem Verständnis der Entstehung Islands und der Wechselwirkung zwischen
aufsteigendem heißen Mantelmaterial mit einem ozeanischen Rücken haben die
Arbeiten von Prof. Wolfgang Jacoby (Mainz) beigetragen, der über einen Zeitraum
von über 20 Jahren fast jährlich Schweremessungen auf Island durchgeführt,
um z. B. Eisentlastungs-prozesse zu dokumentieren
(vgl. Bürger et. al., in diesem Heft).
Neuste Erkenntnisse
über den Island-Plume
In den letzten 10 Jahren wurde Island
zunehmend Ziel mehrerer internationaler Forschungsgruppen, teilweise in Verbindung
mit dem internationalen "RIDGE" Projekt zur Untersuchung mittelozeanischer
Rücken. In mehreren seismischen Experimenten wurden Seismographen über ganz
Island verteilt aufgestellt und die seismischen Regi-strierungen
von entfernten Erdbeben nach der Geschwindigkeitsstruktur im Untergrund,
bis ca. 700 km Tiefe, untersucht. Das Ergebnis dieser seismischen Tomographie
zeigt eine Abnahme der s-Wellen-Geschwindigkeit von etwa 4% im oberen Mantel,
sie ist aber in sehr flachen Tiefen oberhalb von ca. 100 km eventuell deutlich
höher. In diesen Tiefen erwarten wir auch das Auftreten von Schmelzen. Die
insgesamt nicht sehr starke Geschwindigkeitsabnahme unterhalb von 100 km
wird mit einer Erhöhung der Temperatur in dem heißen Aufstiegsbereich des
Plumes von 150 - 200°C erklärt.
Diese Überschusstemperatur
hat direkte Bedeutung für die insgesamt erzeuge Menge
basaltischer Schmelze. Die Menge des basaltischen
Materials bedingt andererseits die Dicke der isländischen Kruste. Sowohl
die Struktur, als auch der Bildungsprozess der isländischen Kruste stellen
aber zur Zeit noch ein ungelöstes Problem dar. Neue
Inter-pretationen der RRISP Daten und einige neue seismische Profile
sprechen für eine sehr dicke Kruste von bis zu 50 km, die auch noch relativ
kalt sein sollte, um die hohen Krusten-geschwindigkeiten
zu erklären. Doch ist die postulierte Moho nur
durch wenige seismische Reflektoren belegt. Untersuchungen der seismischen
Übertragungsfunktion der Kruste ("receiver
functions") legen eher eine Abnahme der seismischen Geschwindigkeit
unterhalb dieser Reflektoren nahe - was gegen eine simple Interpretation
dieser Reflektoren als Krusten-Mantelgrenze spricht.
Petrologisch findet man in der jungvulkanischen Zone sowohl
Pikrite, die auf einen sehr schnellen Transport von Magma aus großer
Tiefe hinweisen, als auch saure Magmen, die für eine hohen
Differensationsgrad der basaltischen Magmen
sprechen (sofern sie nicht eine Heterogenität der Schmelzzone widerspiegeln).
Gegen eine
relative kühle basaltische Kruste spricht auch
die Interpretation von Schwere-änderungen, gemessen
in der Umgebung des größten europäischen Vulkans "Vatnajökull
". Modellrechnungen ergeben eine sehr niedrige Viskositäten von 10
-17 s-1 in
nur 15 km Tiefe.
Der Arbeitskreis "Geowissenschaftliche Islandforschung"
Aufbauend
auf diesen Vorarbeiten und der Erkenntnis, dass man zum Verständnis eines
komplexen Phänomens wie Island die Er-gebnisse
verschiedener Disziplinen zueinander in Beziehung setzen muss, haben wir
vor ca. fünf Jahren, mit Unterstützung von Herrn Dr. Karte (DFG) einen interdisziplinären
Arbeits-kreis "
Geowissen-schaftliche Islandforschung
" gebildet. Hier versuchen wir, die Denkansätze, Arbeitsweisen und Erkenntnisse
aus ver-schiedenen geowissenschaftlichen
Disziplinen (Geodäsie, Geochemie, Fernerkundung, Geo-physik
) für die gesamte Gruppe verständlicher zu machen und in ein neues gemeinsames,
übergreifendes Bild von Island einzubinden. Dabei bestand anfänglich schon
ein Problem darin, überhaupt eine gemeinsame "Fach-sprache
" zu entwickeln und die Terminologie und methodischen Ansätze der anderen
Disziplinen zu verstehen.
Wir erarbeiteten,
dass der Krusten-bildungsprozess das zentrale
und über-greifende Thema der Gruppe ist. Während die Bildung normaler ozeanischer
Kruste schon eingehend untersucht und auch recht gut bekannt ist, stellt
die anomale isländische Kruste wegen der Plume-Rücken-Wechsel-wirkung
eine besondere Herausforderung dar. Die Krustenbildung hängt von vielen
plume- und rückenspezifischen Prozessen und Parametern ab. So sollte z.B.
das Verhältnis der Magmenproduktionsrate im Plume und der mittleren
Spreadingrate die Dicke der Kruste bestimmen.
Petrologische Schmelzmodelle und geochemische Befunde können helfen,
diese Magmenproduktionsrate abzuschätzen; geodätische
Messungen können helfen, den Spreadingprozess
auf Island besser zu lokalisieren und damit die Rheologie
der Kruste, die ja auch mit der Temperatur gekoppelt ist, besser einzuschränken.
Anfang 2001
waren wir soweit, ein gemeinsames Antragsbündel mit dem Titel „
Hotspot-Rücken-Wechselwirkung
: Krustenbildung und Plattendivergenz in und um Island“ bei der DFG einzureichen,
Dabei wurden
die Anträge vier Teilaspekten zugeordnet:
1. "Tiefer Plume". Diese Forschungsvorhaben
betreffen die Frage nach der Temperatur im Plume, der chemischen Homogenität
der Schmelzzone, der Detektierbarkeit des Plumes
durch Oberflächenbeobachtungen und der Rheologie
im Plume.
2. "Schmelzprozesse im Plume". Diese Projekte widmen sich den Fragen: Wie
und wo schmilzt das Material auf, können wir elektrische Leitfähigkeitserniedrigungen
feststellen, viel Schmelze bildet sich und wie steigt sie an die Oberfläche?
3. "Krustenbildung über dem Plume". Hierbei geht es um das eigentliche Anwachsen
der Kruste. Wir möchten die Mechanismen untersuchen, durch die sich die Kruste
aus der Schmelz bildet und die Tiefe, in der sie wirksam sind. Da diese Krustenbildung
erfolgt, während die Platten auseinander-driften
, wollen wir die räumlichen und zeitlichen Änderungen der
Divergenz-bewegung genauer untersuchen. Auch die Frage nach der Bedeutung
der Magmen-kammern für die Krustenbildung und
den Chemismus der Magmen soll untersucht werden.
4. "Wechselwirkung mit den angrenzenden Rücken". Im Norden und Süden von
Island geht die Plumeaktivität wieder in eine
normale Rückenaktivität über. Hierbei fragen wir uns, wie sieht die
Übergangs-zone tektonisch und chemisch aus. Welche Deformationsprozesse
überwiegen an der Oberfläche in den Übergangszonen?
Wir wollen
uns diesen Fragen in zehn verschiedenen Projekten widmen, die von der DFG
zunächst bis Ende 2001 bewilligt wurden.
Kommen wir
zurück auf die tiefen Ursachen für den Islandplume
. Hier setzen die Arbeiten der Gruppe um Prof. Igel (München) ein. Die Mitarbeiter
untersuchen die Verzerrung des seismischen Wellenfeldes beim Durchgang durch
das heiße, seismisch langsame Plumematerial.
Dabei deutet sich an, dass die Wellenfronten die Verzerrung zum Teil "ausheilen",
wodurch der Plumeeffekt
unter-schätzt werden kann.
Da die Prozesse im Erdmantel direkten
Messungen nur schwer zugänglich sind, ist man hier besonders auf physikalische
Modellrechnungen angewiesen. Zwar gibt es viele numerische Experimente für
Plumes im Erdmantel, doch die Stabilität
eines Plumes im globalen Strömungsfeld des Erdmantels
ist nicht gut untersucht. Dr. Steinberger (Frankfurt,
z. Z. Boulder) und ein Mitarbeiter wollen dazu
versuchen, das globale Strömungsfeld in Übereinstimmung mit der globalen
Tomographie und der platten-tektonischen Strömungsverhältnisse
Ober-flächengeschwindigkeit für den Nordatlantik
vorzugeben und die Stabilität und Dynamik des Island-Plumes
zu untersuchen. Übertragen auf den realen Plume bedeutet das, "wie verformt
sich der Plume, d.h. die heiße Anomalie im Mantel, während der wenigstens
35 Millionen Jahre ihrer Existenz, durch die Wechselwirkung mit der globalen
Strömungs-feld und den driftenden
Rücken?". Zu untersuchen ist insbesondere, ob der Plume in den
Reykjanes Rücken hinein abgelenkt wird, wo geochemische Indizien eine
Beimischung von Plumemagmen nahelegen.
Eine alte
Frage der an globalen Aspekten interessierten Geowissenschaftlern ist die
nach der Heterogenität des Erdmantels. Was passiert mit der
subduzierten ozeanischen Kruste, wo schmilzt sie auf und mischt sich
zurück in den umgebenden Mantel und wie kleinräumig sind die chemischen Unterschiede,
die im Erdmantel bestehen? Das Projekt von Prof. Hofmann und Dr.
Sobolev (MPI Mainz) widmet sich dazu der Fragestellung, ob eine gemeinsame
Schmelz-region im Mantel zur Homogenisierung
kleinräumig chemisch unterschiedlicher Mantelregionen beiträgt und ob Proben
von Island Hinweise geben, dass Eklogit (nicht
Peridotit!) in der primären Schmelzzone
in ca. 80 km Tiefe vorhanden ist.
Schmelze
führt immer auch zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit. Ein guter
Leiter in ca. 15 km Tiefe im Islandsockel ist schon lange bekannt, wenn auch
die Ursache für die gute elektrische Leitfähigkeit umstritten ist. Dr.
Beblo (München) und Prof. Junge (Frankfurt) wollen mit Hilfe ihrer
Mitarbeiter nun versuchen, mit langperiodischen magneto-tellurischen
Beobachtungen die Schmelzregion in der Tiefe, unterhalb dieses guten oberflächennahen
Leiters, zu detektieren. Modellrechnungen, die bereits durchgeführt wurden,
zeigen, dass zumindest die Möglichkeit dazu besteht.
Schmilzt
nun der Erdmantel lokal auf, so können etwa 30% des
Peridotit zu basaltischer Schmelze werden,
die aber nicht im Mantelgestein verbleiben, sondern vermutlich sehr schnell
nach oben aufdringen. In tieferen Regionen geschieht dies wahrscheinlich
zunächst durch eine poröse oder kanalisierte Strömung der Schmelze, die sich
aber offensichtlich zu Dykes vereinigt und nach
oben, durch die ungeschmolzene Lithosphäre "durchschießt".
Prof. Dahm (Hamburg) untersucht dazu das Spannungsfeld, das zu einem Aufdringen
der Dykes führt und die Tiefe, in der diese in
die Kruste eingebettet werden.
Die isländische
Kruste, zwar ozeanisch von ihrer Entstehung her, unterscheidet sich doch
deutlich von einer ozeanischen Kruste. Die ozeanische Kruste gliedert sich
recht klar in vier Schichten (Sedimente, Oberflächen-Laven, vertikale
Dykes, Gabbros), wobei wir annehmen, dass eine flache Zone mit hohem
Schmelzanteil, in wenigen Kilometern Tiefe längs der Rückenachse, eine wesentliche
Rolle spielt. Zwar gibt es auch in Island Oberfächen-Laven
und eine jungvulkanische Zone, die in zwei Bändern das Land von Süden nach
Norden durchzieht, doch eine durchgehende flache Zone mit Schmelzanreicherung
kann man nicht sehen. Für die isländische Kruste kann man deshalb annehmen,
dass sie in mehreren Stockwerken erzeugt wird, nicht nur durch oberflächennahe
Magmakammern, sondern auch durch
tiefe Dykes oder Anlagerung von Material unten.
Wir (Prof. Schmeling und Dr. Marquart; Frankfurt)
wollen deshalb versuchen, die isländische Kruste modellmäßig
zu erzeugen, indem wir verschieden Akkretionbereiche
annehmen und damit Temperatur und Chemismus der Kruste untersuchen.
Lavaproben
zeigen, dass in isländischen Zentralvulkanen silizische
(saure) Magmen gefördert werden. Solche Laven können entweder bei hohen
Aufschmelzungsgraden aus normalem
Mantelmaterial entstehen oder durch Wiederaufschmelzung
und Differenzierung von basaltischer Kruste.
Prof. Hörnle und Dr. van den Bogaard wollen diese
Frage untersuchen, und auch feststellen, ob es zeitliche Änderungen bei der
Förderung dieser sauren Magmen gibt. Saure Eruptiva
werden oft als Bims oder Aschen gefördert, die je nach Wetterlage über riesige
Gebiete verteilt werden. So wurden diese Aschen bis nach Schottland und Skandinavien
getragen. Die Bestimmung des Gesamtvolumens silizischer
Magmen ist somit eine echte Herausforderung, und es stellt sich die Frage,
ob die Menge dieser Magmen nicht bisher unterschätzt wurde.
Vergleicht
man die Lage der Riftzone auf Island und die
Position des größten Vulkanzentrums "Vatnajökull
" mit der Position des Mittelatlantischen Rückens, so erkennt man deutlich,
dass auf Island die Riftachse und das Zentrum
der größten vulkanischen Aktivität nach Osten verschoben sind. Die Verbindung
zwischen der jungvulkanischen Zone auf Island und den südlichen und nördlichen
ozeanischen Rücken stellen zwei breite Scherzonen her, die
Tjörnes-Verwerfung im Norden und die Südwest-Isländische Scherzone.
Diese Zonen sind tektonisch aber keine einfachen EW-ausgerichteten
Scherverwerfung, sondern besehen aus einer Anzahl von versetzten NW-SE gerichteten
kurzen Scherzonen. Diese Zonen stellen den Übergang zwischen dem Spannungsfeld
über einem heißen Aufstrom und dem plattentektonischen Spannungsfeld nahe
der Plattengrenze dar. Die Gruppe um Prof. Niemeier (Braunschweig) beobachtet
die Bewegungen der Südlichen Zone in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung.
Neuste Daten aus kontinuierlichen GPS-Messungen ergeben, dass über S-Island
hinweg die plattentektonische Divergenz nicht kontinuierlich verläuft, sondern
an episodische Ereignisse mit seismischen Aktivitäten gekoppelt ist, wobei
offensichtlich eine jahreszeitliche Zyklizität zu beobachten ist.
An der
Tjörnes-Scherzone soll vor allem mit seismischer Tomographie die tiefere
Struktur untersucht werden (Prof. Dahm, Hamburg). Geochemisch scheinen sich
die geförderten Magmen abrupt an der Tjörnes
Zone zu ändern (während sie sich im Süden über eine lange Strecke, bis weit
in den Reykjanes Rücken hinein, nur allmählich
einer normalen MORB-Zusammensetzung annähern).
Dieser Befund ist jedoch bisher nur durch wenige Proben gestützt. Die Gruppe
im Prof. Devey (Bremen) wird deshalb den Chemismus
der Laven in der Tjörnes Zone genauer untersuchen.
Unsere Gruppe
ist offen für alle Geo-wissenschaftler, deren
Arbeiten in Beziehung zur Evolution und Dynamik von Island stehen und wir
freuen uns über neue Beiträge. Informationen finden Sie auf unserer
Web-page:
www.geophysik.uni-frankfurt.de
/iceland
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