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Vulkane abseits ihrer Magmaquellen

24.03.2014

An kontinentalen Grabenbrüchen, sogenannten Riftzonen, wie beispielsweise in Ostafrika oder dem Oberrheingraben, tritt häufig Vulkanismus auf.

Geowissenschaftler stoßen dabei auf ein Problem: Während die Magmaquellen in der Tiefe unterhalb des Zentrums des Grabens liegen, treten die Aufstiegskanäle oft viele Kilometer ausserhalb der Grabenschultern an die Oberfläche und bilden dort Vulkane.


Schematische Abbildung der Entstehung von Vulkanen seitlich von Grabenbrüchen (Abb.: R. Milkereit, GFZ)


Neu entstandener Bruch aufgrund von Magmaintrusion während des Rift-Ereignisses vom September 2005 im Dabbahu-Segment des Afar-Rrifts. (Foto: Derek Keir, National Oceanography Centre Southampton, University of Southampton)

Die Ursache dafür war bisher unbekannt. Ein Wissenschaftlerteam des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ konnte nun zusammen mit Forschern der Universitäten von Southampton (UK) und Roma Tre (Italien) zeigen, dass sich das Spannungsmuster in der Erdkruste ändert, wenn die Erdkruste innerhalb eines Graben ausdünnt und damit gewichtsbedingt entlastet wird.

Dadurch wird das aus der Tiefe aufsteigende Magma in Gänge gesteuert, die schräg von den Magmaquellen in der Riftzone nach oben abzweigen und erst kilometerweit von der Achse des Grabenbruchs entfernt zutage treten.

Die Geowissenschaftler verwendeten ein numerisches Modell zur Simulation der Bildung solcher Magmagänge. Die bislang unbekannte Auswirkung der Änderung der Topographie der Bruchzone auf die Bahn des Magmaaufstiegs während der Riftbildung konnte so nachgebildet werden.

Die Modellrechnungen wurden mit realen Daten unterfüttert, erläutert GFZ-Forscher Francesco Maccaferri: „Unser Modell zeigt, dass Vulkanismus an Spreizungszonen auf zwei unterschiedliche Arten auftreten kann. Im Fall von flachen, breiten Grabenbrüchen tritt das Magma direkt oberhalb der tiefsitzenden Magmaquelle an der Erdoberfläche aus, während im Fall von tiefen, schmalen Grabenbrüchen das Magma ausserhalb der Grabenschultern austritt.“

Da der Aufstiegsweg des Magmas im zweiten Fall anfänglich fast horizontal erfolgt, kann es im Extremfall bereits in der Kruste erstarren, ohne dass Vulkanismus an der Erdoberfläche sichtbar wird, wie Beobachtungen von Grabenbrüchen weltweit zeigen.

Dabei bleibt der Vorgang nicht statisch: „Falls die tektonische Beanspruchung durch die Dehnung der Kruste ausreichend lange anhält und die Spreizungszone ein gewisses Reifestadium erreicht, lagern sich die horizontalen Magma-Intrusionen schliesslich auch in der flacheren Kruste ab. In diesem Fall sagt unser Modell richtigerweise voraus, dass sich weitere Magma-Intrusionen senkrecht orientieren und entlang der Spreizungsachse ausbreiten“, erklärt Eleonora Rivalta vom GFZ die Ergebnisse.

Grabenbrüche gehören zu den wichtigsten tektonischen Erscheinungen unseres Planeten. Sie bilden sich entweder durch Dehnung im Innern großer tektonischer Platten oder an Stellen, wo Platten auseinanderdriften. Die Oberflächenmorphologie von Grabenbrüchen wird durch Bruchlinien und Absenkungen im Gelände bestimmt sowie durch Vulkane, die entweder direkt in der Bruchzone oder an deren Rändern entstehen.

Bereits seit Jahrzehnten wird die Entstehung von Magma unterhalb der Riftzonen sowie die Rolle der Magmakammern beim Auseinanderdriften der Platten studiert. Jedoch ist noch weitgehend unbekannt, welche Größen und Faktoren die räumliche Verteilung der Vulkane an der Oberfläche und das Verhältnis von Intrusionen zu Ausbrüchen steuern. Die jetzt vorgelegten Ergebnisse ermöglichen einen neuen Ansatz zur Erforschung von Riftzonen. 

Francesco Maccaferri, Eleonora Rivalta, Derek Keir, Valerio Acocella: “Off-rift volcanism in rift zones determined by crustal unloading", Nature geoscience, 23.03.2014, DOI: 10.1038/NGEO2110

Franz Ossing
Helmholtz Centre Potsdam
GFZ German Research Centre for Geosciences
Deutsches GeoForschungsZentrum
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Franz Ossing | GFZ Potsdam

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