Pyroklastische Ströme

1. Einleitung

1.1 Begriffe:

Pyroklastische Ströme stellen eine heiße Feststoff-Gas Dispersion dar, die sich hangabwärts bewegt. Sie können hohe Geschwindigkeiten erreichen.
Als Ignimbrite (lat. ignis = Feuer, nimbus = Wolke) werden die Ablagerungsprodukte der pyroklastischen Ströme bezeichnet. Sie haben, bedingt durch den Ausbruchsmechanismus, einen meist sauren, seltener einen intermediären Chemismus. Die Temperaturen bei der Ablagerung lagen über dem Erweichungspunkt der Glasanteile, so daß eine plastische Verformung und ein Verkitten nach der Ablagerung erfolgte. Sie zählen also zu den Schweißtuffen .
Pyroklastika oder Pyroklastite ist eine Sammelbezeichnung für klastische vulkanische Produkte, verfestigt werden sie als Tuff bezeichnet. Staubartige vulkanische Auswurfmasse werden als Aschen bezeichnet ( < 4 mm Durchmesser).
Welded Tuff sind verschweißte Pyroklastite (Schweißtuffe)

1.2 Ausbruchsmechanismus

Pyroklastische Ströme hängen eng mit dem Auftreten von sauren, seltener auch intermediären Magmen zusammen.
Diese Magmen sind aufgrund ihres SiO ₂ -Gehaltes so zäh, daß sie nicht ausfließen. Als Beispiel für die hohe Viskosität einer sauren Lava kann der Mt. Pelée dienen, dessen Lava bei dem Ausbruch von 1902 als Nadel rund 350 Meter hoch aus dem Krater gepreßt wurde. Wenn zu einem derartig zähen Magma noch ein hoher Anteil an gelösten Gasen kommt, können die Gase bei einer Druckentlastung nicht aus dem Magma entweichen und zerreissen es explosionsartig, wenn der Gasdruck die Festigkeit des Magmas übersteigt. Erfolgt dies noch im Schlot des Vulkans, kann das entweichende Gas eine enorme Geschwindigkeit erreichen und besonders bei engen Schloten werden dabei mit dem Gas auch Pyroklastika in die Atmosphäre geblasen. Es entsteht eine sogenannte plinianische Säule, die von Weitem einer Pinie nicht unähnlich ist und mehrere Kilometer Höhe erreichen kann. .
Sobald sich nun der Schlot erweitert oder der Gasdruck nachläßt, fällt diese Säule in sich zusammen und die zurückfallende Säule gleitet als pyroklastischer Strom über den Boden.

Der Vesuv von Pompeji ausgesehen. Ähnlich wie die Pinie im Vordergrund muß die plinianische Säule bei dem Ausbruch 79 n. Chr. ausgesehen haben.

Ablagerungen des Vesuvausbruchs von 79 n.Chr. bei der Nekropole Pompejis. Oberhalb einer Aschenlage, die aus der plinianischen Säule und der daraus resultierenden Aschenwolke ausgefallen ist, sind die Ablagerungen eines pyroklastischen Stromes zu sehen.

1.3 Ablagerungen pyroklastischer Ströme

Die meisten Ablagerungen pyroklastischer Ströme bestehen aus mehr als einer Fließeinheit, wobei eine Fließeinheit als die Ablagerung eines einzelnen Stromes angesehen wird. Der charakteristische Aufbau einer Stromablagerung beginnt mit einer basalen Bodenlage, welche an der Stromfront entsteht, wenn diese durch eingesaugt Luft verdünnt wird. Diese Bodenlage kann eine deutliche Schrägschichtung aufweisen. Darauf folgt der Hauptteil mit einer inversen Gradierung der Bimsklasten und einer normalen Gradierung der lithischen Komponenten (Gesteinsbruchstücke). Bei der normalen Gradierung nimmt die Korngröße zur Basis hin zu, bei der inversen hingegen ab.
Oft besitzt der Hauptteil noch eine feinkörnige Basis, in der größeres Material fehlt. Im Hangenden der Hauptlage liegt eine feinkörnige Aschenlage, die erst nach dem Stillstand des Stromes aus den Aschenwolken sedimentierte.

Es werden 3 Typen von Ablagerungen unterschieden:
1) Blockströme: Sie entstehen, wenn zähflüssige saure Lava instabil wird, nachdem sie sich einige Meter aus dem Schlot gepreßt hat. Der zu Tal fließende Blockstrom folgt der Topographie des Geländes. Blockstromablagerungen enthalten Lavabrocken mit bis zu 5 m Durchmesser in einer feinkörnigen Aschenmatrix. Sie unterscheiden sich von sedimentären Ablagerungen wie Erdrutschen durch Abkühlungsrisse in den Blöcken, Entgasungsstrukturen und einem monomagmatischen Blockaufbau.

2) Schlackenstromablagerungen: Sie bestehen aus basaltischem bis andesitischem Material, das zum Teil aufgeschäumt ist. Meist entstehen sie bei phreatomagmatischen Eruptionen, wenn das Magma Kontakt mit Wasser hatte. Auch sie folgen der Geländetopographie.

3) Bimssteinstromablagerungen oder Ignimbrite: Sie füllen Täler oder bilden bei größeren Strömen regelrechte Plateaus und begraben das Gelände unter sich. Sie sind typisch für die tertiären bis rezenten Vulkangenbiete rings um den Pazifik.
Typisch für Ignimbrite ist ihr Aufbau aus Glasscherben, Bimslapili, Kristall- und Gesteinsfragmenten und ihr massiger Charakter, d.h. große und kleine Partikel kommen nebeneinander vor. Dabei bilden die Bimslapili längliche und meist schwärzlich-dunkle Fladen (fiamme) in einer feinkörnigen Aschematrix, wodurch eine meist ausgeprägte Paralleltextur entsteht.

Ablagerungen mehrerer pyroklastischer Ströme im Gebiet des Lago Bolsena, Italien.

1.4 Bedeutung der Ablagerungen pyroklastischer Ströme

Das Vorkommen der größten Ignimbritdecken ist an den explosiven Vulkanismus der konvergenten Plattenränder gebunden. So bedecken Ignimbrite aus dem Pliozän bis Pleistozän im Taupo-Rotorura Gebiet auf Neuseeland ein Areal von 26 000 km ² .
Das größte Ignimbritgebiet der Erde befindet sich in den zentralen Anden. Dort bedecken känozoische Ignimbrite ein Gebiet von rund 150 000 km ² . Dabei werden sie oft mit riesigen Calderen in Verbindung gebracht, wie z.B. die Cerro-Galán Caldera im Nordwesten Argentiniens mit einem Durchmesser von 34 Kilometern und einem sie umgebenden Ignimbritgürtel von 70 Kilometern Radius. In diesen Calderen findet sich oft eine durch den riesigen Magmenherd angeheizte hydrothermale Aktivität und somit oft interessante Erzmineralisationen. Als Beispiel hierfür kann die Stadt Potosi am Rand der Kari-Kari Caldera gelten, die für ihre Silberminen berühmt ist.
Ihrer Größe nach stellen die Ablagerungen der pyroklastischen Ströme die nach den Trapp Basalten flächengrößten Vulkanbauten auf den Kontinenten dar. Ihre Bedeutung wird jedoch meist übersehen, da von den mächtigen Ignimbritdecken der Vergangenheit meist nur noch kümmerliche Reste zu finden sind, denn Ignimbrite werden leicht ein Opfer der Erosion.

1.5 Geschichte

Steine, die im Handstück Tuffen gleichen, im Gelände jedoch die Form von Lavaströmen hatten und offensichtlich geflossen waren, sind schon länger bekannt. So beschrieben VON FRISCH & REISS (1868) Tuffe von der Insel Teneriffa, von denen sie vermuteten, daß sie flutartig abgelagert wurden und nannten sie Eutaxite . Etwas später und unabhängig davon nannte ABICH (1882) Gesteine aus Armenien, die sowohl Strukturen von Lavaströmen als auch Pyroklastika aufwiesen Tufolava .
Der erste pyroklastische Strom wurde von WOLF (1878) am Cotopaxi in Ecuador beobachtet und als "Schaum wie bei einem überkochendem Reistopf" beschrieben. (Alle zitiert in SCHMINCKE 1986).
Pyroklastische Ströme wurden auch von den Ausbrüchen der Vulkane Mt. Pelée (Martinique) und La Soufriere (St. Vincent, British West India) beschrieben, der Mechanismus aber lange Zeit unbekannt. Der Transportmechanismus des pyroklastischen Stromes selber ist unter glühenden Wolken unsichtbar, selbst wenn der Beobachter das Glück haben sollte, Augenzeuge zu sein und dies auch noch überlebt.
Der Begriff Ignimbrit wurde von MARSHALL (1935) (zitiert in FISCHER & SCHMINCKE (1984)) geprägt, als er pyroklastische Gesteine in Neuseeland untersuchte, welche aus Glasfragmenten, Bimsstein und Kristallbruchstücken aufgebaut sind. Er erkannte, daß zur Bildung dieser Gesteine hohe Temperaturen nötig waren, daß sie durch "feurigen Regen" aus glühenden Aschen und Lapili, pyroklastischem Auswurfmaterial von 2 - 64 mm Größe, abgelagert wurden und im Geggensatz zu normalen Aschenlagen intensiv versinterten. Sie mußten also nach der Ablagerung noch plastisch gewesen sein.
Trotzdem hielt man diese vielfach gefundenen Abfolgen alter Vulkanite für ehemalige Laven und übersah dabei, daß rezente saure Laven viel zu zäh sind, um die oftmals großen Flächenausdehnungen der alten Gesteine zu erklären.

2 Pyroklastische Ströme

2.1 Transportmechanismus

Der Mechanismus, der den pyroklastischen Strömen die beobachtete hohe Geschwindigkeit verleiht und es ihnen ermöglicht, Barrieren zu überwinden, war Anlaß zu vielen Spekulationen. YOKOHAMA (1974) (nach CAS & WRIGHT 1988) beschrieb so den Ito-Strom, der rund 60 km von seinem Ursprung noch genug Energie hatte, einen 600 m hohen Bergpaß zu überwinden. Der Fisher-Tuff überlief ebenfalls eine 500 m hohe Barriere, die 25 km von seinem Ursprungsort entfernt war (MILLER & SMITH 1977, nach CAS & WRIGHT 1988).
Da auch normale Felslawinen mit genügend Energie sich weit bergauf bewegen können, und der Saidmarreh Bergsturz (Iran) ebenfalls eine Strecke von 600 m aufwärts kletterte (KENT 1966, nach CAS & WRIGHT 1988), nahm man lange Zeit einen ähnlichen Bewegungsmechanismus an. Wenn die plinianische Säule beim Kollaps eine Höhe von mehreren Kilometern erreicht hätte, sind die beobachteten Phänomene zu erklären. Tatsächlich kann nach der Formel gh = v ² die Minimumgeschwindigkeit eines pyroklastischen Stromes berechnet werden. Dabei ist h die erreichte Höhe der plinianischen Säule beim Kollaps, v die Geschwindigkeit des Stromes und g die Erdbeschleunigung. Für einige Ignimbrite wurden als Mindestgeschwindigkeit 60 bis 160 m/s ermittelt. Auch der Saidmarreh-Bergsturz hatte eine Geschwindigkeit von 100 m/s erreicht. Kleinere pyroklastische Ströme sind oftmals langsamer, beim Ausbruch des Mt St. Hellen 1980 wurden pyroklastische Ströme auf rund 30 m/s geschätzt.
Bei den pyroklastischen Strömen kommt zu der Geschwindigkeit noch eine geringe Viskosität. Heiße Gase bilden mit im Strom enthaltenen Schwebstoffen wie z.B. kleinen Bimspartikeln eine Art Schmiermittel für die größeren Klasten. Dadurch verhält sich der Strom wie eine Flüssigkeit, entsprechend dem Fließstaubverfahren in der Technik (Fluidisation). SPARKS (1976) (nach CAS & WRIGHT 1988) zeigte, daß bevor die größten Partikel fluidisiert würden, bereits die maximale Fallgeschwindigkeit der kleinsten Partikel von der Gasströmung überschritten ist. Sie verlassen mit dem Gas das System, ein Vorgang, der auch als Schlämmung bezeichnet wird. Jede Partikelgröße hat ihre eigene maximale Fluidisationsgeschwindigkeit V _mf , bleibt aber nur dann im Strom, wenn diese nicht über der maximalen Fallgeschwindigkeit V _t liegt. Nur die artikelgrößen mit der Bedingung Vt > V > Vmf werden vollständig fluidisiert. In einem pyroklastischen Strom sind mehrere Partikelgrößen vorhanden. SPARKS (1976) nahm daher an, daß drei Phasen vorliegen. Phase I, ausgeschlämmt, erfüllt die Bedingung Vt < V. Phase II mit der Bedingung Vt > V > Vmf ist vollständig, dagegen ist Phase III mit Vmf > V überhaupt nicht fluidisiert. Phase III ist in Phase II dispergiert. Dabei haben Bismpartikel eine aufsteigende, Gesteinsbruchstücke eine absinkende Tendenz, je nach ihrer Dichte. Die Partikel der Phase I, die aus der Matrix verlorengehen, bilden eine Aschenlage auf der eigentlichen Stromablagerung.
WILSON (1980, 1984) (nach CAS & WRIGHT 1988) experimentierte nicht nur mit einfachen Systemen, sondern auch mit Ignimbritproben und stellte fest, daß sich beide Systeme radikal unterscheiden, vornehmlich aufgrund der verschiedenen hydraulischen Eigenschaften der vielen Korngrößen und deren schlechten Sortierung. Schlecht sortierte Systeme wie Proben aus pyroklastischen Strömen zeigen ein charakteristisches Fluidisationsverhalten. Bei einer Gasgeschwindigkeit V _ie , welche nicht berechenbar ist, dehnten sich einige der untersuchten Proben aus. Dagegen zeigten andere Proben bei einer höheren Gasgeschwindigkeit V _mp Absonderungsstrukturen. Diese Gasgeschwindigkeit ist diejenige, die bei maximalem Überdruck erhalten werden kann. Dabei entspricht der Überdruck dP durch die Höhe h des fluidisierten Körpers der Dichte der Hauptmasse mal der Erdbeschleunigung. V _mp ersetzt hier V _mf aus den einfachen Systemen.
Die unterschiedliche Sortierung der verschiedenen Fraktionen hat ihre Ursache in ihrem Verhalten im Strom. So hat ein pyroklastischer Strom eine höhere Dichte (0,6 - 1,05 g/cm ³ ) gegenüber den Bimspartikeln (0,54 - 0,58 g/cm ³ ), Bimspartikel besitzen also einen Auftrieb. Die lithischen Komponenten (Gesteinsbruchstücke, Kristallfragmente) sind mit Dichten um
2,5 g/cm ³ schwerer und sinken ab. Eine normale Bimsgradierung kommt bei Strömen mit einer geringen Dichte, eine inverse Gradierung der lithischen Komponenten bei schlecht ausgedehnten Strömen mit hohen Scherkräften vor.

2.2 Einteilung der pyroklastischen Ströme

WILSON (1980, 1984) fand heraus, daß sich die pyroklastischen Proben nach Typen klassifizieren lassen. Diese Einteilung der Ströme nach ihrem Fluidisationsverhalten schlägt sich auch in ihren Ablagerungen nieder.

1.) 0 < V < V_ie : keine Ausdehnung, kein Verlust der feinen Fraktion. Keine Korngrößensortierung, geringer Verlust der Aschenfraktion, inverse Gradierung der lithischen Komponenten, hohe Scherkräfte, oft keine feinkörnige Basis.

2.) V _ie < V < V_mf : Teilweise fluidisiert, ausgedehnt in Übereinstimmung mit dem Gasfluß, gravitative Grobfraktionengradierung der Bims- und lithischen Komponenten.

3.) V > Vmf: Instabil, der Gasfluß ist in diskrete Kanäle aufgeteilt. Extreme Gradierung, Zonen mit hohem Gehalt an Bims und lithischen Komponenten, Entgasungsstrukturen, große Mengen feiner Asche fallen als Fallout aus.

2.3 Diskussion

Das Problem, Modelle für die Ablagerungsprozesse in pyroklastischen Strömen zu finden, liegt darin, daß sie, wenn überhaupt, nur schlecht zu beobachten sind. Daher basieren die Überlegungen auch größtenteils auf Versuchen mit Proben von Ignimbriten im Labormaßstab. Die beobachteten und beschriebenen Ströme sind nur als extrem klein zu bezeichnen, wenn man die Größe der gefundenen Ignimbritdecken aus erdgeschichtlicher Zeit bedenkt. Selbst die kleinen rezenten aber haben sich zumeist unter Wolken aus Asche und heißen Gasen versteckt. So wird noch diskutiert, ob die heißen Gase, die aus den entgasenden Partikeln stammen, maßgeblich für die hohe Mobilität der pyroklastischen Ströme verantwortlich sind, oder ob auch kalte Gesteinslawinen eine ähnliche Mobilität erreichen würden, wenn sie ähnlich den pyroklastischen Strömen aus Höhen von 0,6 - 9 km herabfallen würden. Die historischen Beispiele kleinerer Ströme schienen in ihrer Mobilität nicht wesentlich über kalten Gesteinslawinen zu liegen, so daß es fraglich ist, ob eingeschlossene heiße Gase tatsächlich eine Hauptrolle spielen und nicht die Luft, welche die kollabierende plinianische Säule aufnimmt. Damit hängt auch die Frage zusammen, wie denn letztendlich die pyroklastischen Ströme zum Stehen kommen. Durch Abkühlung ihrer heißen Gase, oder schlicht weil ihnen das Material ausgeht? Letzteres erscheint durchaus plausibel, hat doch der Taupo-Ignimbrit keine scharfe Kante, sondern es gibt eine 3 - 5 km breite Zone, in der es weder eine unterscheidbare Bodenlage noch ein deutlicher Hauptteil ausgebildet ist. Dies wird als die Entfernung gedeutet, ab der die Fluidisation des Stromes allein durch die Aufnahme von Luft an der Front des Stromes bewirkt wird. Dazu kommt, daß die Ignimbritdecken trotz ihrer manchmal imponierenden Ausdehnung und Mächtigkeit leicht der Erosion zum Opfer fallen. Dabei gehen Informationen über die Bedingungen am Ende eines großen pyroklastischen Stromes verloren.

3. Literatur

CAS, R.A.F., WRIGHT, J.V. (1988): Volcanic Successions: modern and ancient.Unwin Hyman, London.
p. 93 - 126, 177 - 221.

FRANCIS, P. (1988): Riesencalderen: Zeugen verheerender Vulkanausbrüche.in: Vulkanismus, Spektrum d. Wiss.
Reihe verständliche Forschung. Heidelberg. p. 78 - 90.

FRANCIS, P., SELF, S. (1988): Der Ausbruch des Krakatau. in: Vulkanismus,Spektrum d. Wiss. Reihe
verständliche Forschung, Heidelberg. p. 56 - 68.

FISHER, R.V., SCHMINCKE, H.-U. (1986): Pyroclastic Rocks. Springer, Berlin, New York, 472 S.

HALL, A. (1989): Igneous Petrology, Longman Scientific, Burnt Mill, Harlow, Essex. p. 45 - 53.

SCHMINCKE, H.-U. (1986): Vulkanismus. Wiss. Verlagsges. Darmstadt. p.107 - 120.

TUCKER, M.E. (1985): Einführung in die Sedimentpetrologie. Enke, Stuttgart. p. 231 - 239.

RAST, H. (1987) Vulkane und Vulkanismus. Enke, Stuttgart, p. 47 ff.

seit 23. April 1998

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