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Einführung in die Geowissenschaften I Geomaterialien Teil II WS 2016/2017
3 Was sind magmatische Gesteine?
• Magmatite an der Erdoberfläche: Vulkanite
• Magmatite in der Tiefe: Plutonite
• Schmelzbildung – Transport – Kristallisation
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Einteilung magmatischer Gesteine –Magmatite (Zusammenfassung)
1. Vulkanite (Effusivgesteine)- Entstehung durch rasche Abkühlung von Laven an der Erdoberfläche
(subaerisch) oder am Meeresboden (submarin)- Erscheinungsformen: Lavaströme, Dome, pyroklastische Ablagerungen
Einteilung nach ihrem Bildungsort: charakteristische Gefügemerkmale
Cerro Negro, Nicaragua
3. Subvulkanische (hypabyssische) Gesteine- Übergangsbereich zwischen Vulkaniten und
Plutoniten- Formen: Gänge (dikes),
Lagergänge (sills)
2. Plutonite (Tiefengesteine)- Entstehung durch langsames Abkühlen von Magmen im Erdinneren- Erscheinungsformen: Plutonite, Batholite
Castelo Intrusivkomplex, Brasilien
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• Plutonite (= Tiefen- oder Intrusivgestein)mittel- bis grobkörnig, häufig annähernd gleichkörnig
• Vulkanite (= Effusiv- oder Ergussgestein)porphyrisch, voll- oder hemikristallin, glasig,porös (blasig, schaumig, schlackig, Mandelsteinstruktur)
Gabbro(Plutonit)
Basalt(Vulkanit)
Magmatitische Gesteine (Magmatite)entstehen durch Erstarren von etwa 450 ⁰C bis 1500 ⁰C heißen
Gesteinsschmelzen (Magmen)
Obsidian(Vulkanit)
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→ Phänokristalle (= Phänokristen)das sind relativ große und gewöhnlich deutlich sichtbare Kristalle in einer feinerkörnigen Grundmasse. Diese Kristalle sind meist vor dem Ausbruch im Magma gewachsen Leucit-Phonolith
→ Xenokristalle (= Fremdkristalle)Kristalle, die beim Aufstieg der Schmelze mitgerissen wurden bzw. in die Schmelze hineingefallen sind
→ Xenolith (= Fremdgestein)Nebengesteinsbruchstücke, die in die Schmelze hineingefallen sind. Sie sind meist als Fremdeinschluss erkennbar
Gabbro-Xenolith im Granit; E-Sierra Nevada
Einsprenglinge
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dünnflüssige basaltischeLava, die in Strängen, Wülste oder Fladenerstarrt, bildet glasigeOberflächen
http://www.volcano.si.edu/reports/usgs/-
AA-Lava
AA-Lava(= Brockenlava)
zähflüssige basaltische Lava, die zu scharfkantigen Brocken und Klumpen erstarrt, bildet rauhe schlackige Oberflächen
Pahoehoe Lava (= Strick-, Fladen- Lava) Schollen-Laven,
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Kissenlava - Pillow lavas
www.youtube.com/embed/5yDlGXz3CwE?rel=0&hd=1" frameborder="0" allowfullscreen></iframe>http://www.youtube.com/watch?v=yY3qpSsQNfo&list=PL00969F440964CEDB&index=18
http://volcanoes.usgs.gov/Products/Pglossary/PillowLava.html
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http://www.discussfossils.com/forum/uploads/1038/01_Pillow_lava_sm.jpghttp://wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/d/d6/Pillow_Lava_in_Bonin_Islands.jpg/800px-Pillow_Lava_in_Bonin_Islands.jpg
Bonin-Islands
In der Nähe von Sohar, Oman
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Flutbasalt
http://media-2.web.britannica.com/eb-media/90/118890-004-8C5E9046.jpg
Flutbasaltlagen der Deccan Traps,Indien, ca. 2km Mächtigkeit
Flutbasalt, Kilt RockIsle of Skye
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Stratovulkan: Lascar – Zentralanden
Andesitische Lavaströme (~ 20 m hoch)
Basis: Pyroklastische AblagerungenGlutwolken (Ignimbrit) aus
Andesit und Dacit
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Fallout
Aschenregen
„pyroklastisch“ leitet sich ab aus dem Griechischen „pyros“ (Feuer) und „klasto“ (Brocken).
Vulkan Mayon, Philippinen 1984http://volcanoes.usgs.gov
Eruptionssäule
Geschwindigkeit bis zu 600 km/hrast lawinenartig als weißglühende Wolke zu Tal
pyroklastischer Strom → Gas, Glutwolke, Block- und Asche-Strom
Explosiver Vulkanismus Pyroklastite
Pyroklastischer Strom
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Bei explosiven Vulkanausbrüchen werden verschiedenartige Materialien eruptiert und abgelagert:
• Gas und Tephra (vulkanisches Lockermaterial oder Pyroklastite)
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Tephra:
Einteilung nach Durchmesser:
• Asche < 2 mm• Lapilli 2 - 64 mm• Bomben > 64 mm
Bild: USGS - http://t2.gstatic.com
LapilliBomben Asche
http://www.bz-berlin.de/multimedia/archive/00306/angostura2_30608418.jpg
La Angostura in Argentinien
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Größe der Fragmente in mm
Pyroklastite(in der Luft erstarrte Lavapartikel)
PYROKLASTISCHE AblagerungenUnverfestigte Tephra Überwiegend verfestigte
Tephra
64
> 2
> 1/16
< 1/16
Bombe, Block (Festgesteinstrümmer)
AgglomerateBett aus Block- oderBombentephra
Agglomerate Pyroklastische Breccie
Lapillus Lapilli oder Lapilli Tephra
Lapilli Tuff
Grobes Aschenkorn
Grobasche Grober Aschentuff
Feines Staubkorn Feinasche (Staub) Feiner Tuff(Staubtuff)
Klassifikation / Nomenklatur nach Verfestigungsgrad
Welded Tuff = Schmelztuff
Verschweiβte Fragmente
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Klassifikation der Pyroklastite:Nomenklatur nach Art der Fragmente
Bimstein
GlastuffAschentuff
KristalltuffKristallasche
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• Pyroklasten (= Pyroklastite, vulkanisches Lockergestein)Asche + Gas + Gesteinsfragmente. Sie entstehen bei vulkanischen Eruptionen oder anderen vulkanischen Prozessen durch Zerreißen oder Zerbrechen (= Fragmentierung) von Gestein oder Magma
• pyroklastische Gesteineüberwiegend verfestigte pyroklastische Fragmente
• Tephra (griech. Asche)Unverfestigte pyroklastische Ablagerungen
• Tuff (Aschetuff/Lapillituff)ein Festgestein aus Tephra mit mehr als 75 % Pyroklasten
• Bimsstein (ahd. pumiȥ / bumeȥ aus dem lat. pumex)ein poröses glasiges Vulkangestein, dessen Dichte aufgrund der zahlreichen Poren, kleiner als die von Wasser ist
• IgnimbritNach IUGS-Definition verhärteter Tuff aus verschmolzenen Kristall- und Gesteinsfragmenten in einer glasartigen Matrix.
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Unterscheidung der Vulkanite nach Art der Förderung:(Zusammenfassung)
1. Lava oder Ergussgesteine (effusiv), sowie Ganggesteine feinkörnig bis dicht Mineralbestand mit bloßem Auge oft schlecht oder nicht erkennbar teilweise oder vollständig glasig porphyrisches Gefüge
2. Pyroklastische Gesteine (explosiv) fein- bis sehr grobkörnige unverfestigte Fragmente Gesteins- und Kristallfragmente Tuffit (verfestigte und teilweise verschweiβte Fragmente) Ignimbrit (verschweiβte Fragmente)
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VulkanischerSchlot
GangSill / Dike
Schematic block diagram of some intrusive bodies.
Formen subvulkanischer Intrusivkörper
Ring dike
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Beispiel eines vulkanischen Schlotes mit RadialgängeShip Rock, New Mexico.
nach John Shelton © (1966) Geology Illustrated. W. H. Freeman. San Francisco.
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Ring Dikes und Cone Sheet
Isle of Mull, Scotland
Ardnamurchan, Scotland
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3 Was sind magmatische Gesteine?
• Magmatite an der Erdoberfläche: Vulkanite
• Magmatite in der Tiefe: Plutonite
• Schmelzbildung – Transport – Kristallisation
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Adamello Granit Pedra Azul Granit
Plutone sind im Aufschlussmaßstab überwiegend massig und homogen
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Gefüge
• Gleichkörnig• Porphyrisch• Serialgefüge
• Richtungslos• Eingeregelt – Fließrichtung
(Fluidalgefüge)
http://www.skan-kristallin.de/norwegen/gesteine/Magmatite/akerit/l_akerit/l_akerit_apm808b.JPG, wikimediahttps://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcROgocLEtvB_eMsG1RNUWFvVfbdbGO1XjFtzxHGTPX5Cuj2X76H
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Plutonite• meist in den Kernregionen von Orogenen• wesentlicher Bestandteil tief abgetragener alter Gebirgssockel• Bestandteil proterozoischer sowie archaischer Kratone
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Vulkanite
prinzipiell möglich, die Entstehung der vulkanischen Gesteine direkt zu beobachten
Plutonite
Ihre Entstehung kann nicht direkt beobachtet werden.
Sie sind erst nach Abtragung der überlagernden Gesteine zugänglich
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>1000 km
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~ 1000 km
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Plutone und Batholithe
~ 500 m
Tiefe der Intrusion ~ 30 km
Pedra Azul, ES, Brasilien
Granit
Tonalit
Granodiorit
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http://www.geopark-bayern.de/Public/Newsletter/2010/images/Geologische_Karte_Geopark_gr.jpg
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Schematic block diagram of some intrusive bodies.
Formen plutonischer Intrusivkörper
Plutone
Stock < 100 km² DurchmesserBatholith > tausende km²
Lopolith – Lakkolith
Ringintrusion(ring dike)
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3 Was sind magmatische Gesteine?
• Magmatite an der Erdoberfläche: Vulkanite
• Magmatite in der Tiefe: Plutonite
• Schmelzbildung – Transport – Kristallisation
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Schmelzbildung – Transport - Kristallisation
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Probenentnahme aus einer Lavatube in Hawaii
Eine auf die Erdoberfläche ausgetretenes Magma wird als Lava bezeichnet
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Erstarrte Magmaprobenaus einem Lavasee in Hawaii (Dünnschliffe)
nach Wright and Okamura, (1977) USGS Prof. Paper, 1004.
1170oC 1130oCOlivin Pyroxen
Plagioklas
Plagioklas
OlivinGlas
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Porphyrische Textur bedeutet bimodale Korngrößenverteilung (große Kristalle in einer deutlich feinerkörnigen Grundmasse)
Andesit
Die schnelle Abkühlung oder Abschreckung an oder nahe der Erdoberfläche nach der Eruption des Magmas bedingt eine rasche Kristallisation der Schmelze zu einer viel feinkörnigeren Grundmasse bzw. die Erstarrung zu Glas.
Die bereits in der Magmakammer begonnene Kristallisation wurde unterbrochen.
typisch porphyrisches Gefüge
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Wie entstehen silikatische Schmelzen (=Magma)?
• Durch Temperaturerhöhung
• Durch Druckentlastung
• Durch Erhöhung des Anteilsan Fluiden
Zune
hmen
de T
iefe
(bzw
. Dru
ck) • Durch Temperaturerhöhung
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Durch Temperaturerhöhung und …
…Temperatursenkung
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Bilder: De Campos
Durch Temperaturerhöhung und Senken der Temperatur- im Experiment -
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Bilder: De Campos
Durch Temperaturerhöhung und Senken der Temperatur- im Experiment -
~1mm
Pyroxen
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Zune
hmen
de T
iefe
(bzw
. Dru
ck) Granat - Lherzolith
• Olivin (grüngelblich)• Orthopyroxen• Klinopyroxen (dunkelgrün)• Granat (rot)
Wie entstehen silikatische Schmelzen (=Magma)?
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Teilschmelzen = partielle Aufschmelzung
Granat - Lherzolith• Olivin (grüngelblich)• Orthopyroxen• Klinopyroxen (dunkelgrün)• Granat (rot)
Restit(Harzburgit)• Olivin• Orthopyroxen• Spinell80 Vol.-% des Ausganggesteins
Basaltische Schmelzeca.10 - 20 Vol.-% des Ausganggesteins
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• Durch Temperaturerhöhung
• Durch Druckentlastung
• Durch Erhöhung des Anteilsan Fluiden
Zune
hmen
de T
iefe
(bzw
. Dru
ck)
Wie entstehen silikatische Schmelzen (=Magma)?
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Bilder: Winter, http://www.supramatic
Durch Druckentlastung (Dekompression)
Zune
hmen
de T
iefe
(bzw
. Dru
ck)
Schmelzemelt / liquid
RestitFeststoff / solid
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Durch Druckentlastung (Dekompression)
Aktivität entlang des mittelozeanischen Rücken
http://www.columbia.edu/~vjd1/MOR.gif
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• Durch Temperaturerhöhung
• Durch Druckentlastung
• Durch Erhöhung desAnteils an Fluiden
Zune
hmen
de T
iefe
(bzw
. Dru
ck)
Wie entstehen silikatische Schmelzen (=Magma)?
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- Kalte ozeanische Sedimentewerden aufgeheizt- Fluide wird freigesetzt- Bildung von Teilschmelze- Magma steigt auf unddifferenziert- Bildung des Vulkanbogens
• Erhöhung des Anteils an Fluiden -> Schmelztemperatur der Gesteine sinkt
Wie entstehen silikatische Schmelzen (=Magma)?
http://images.slideplayer.com/21/6242833/slides/slide_31.jpg
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Kilauea, Hawaii (1984) Photograph by J.D. Griggs Pichincha - Guagua Volcano in Ecuador
Explodieren (Explosives Verhalten)Ausfließen (effusives Verhalten)
Das vulkanische Dilema
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© U.Küppers
http://www.colourbox.de/preview/1260838-18633-.jpghttp://img.welt.de/img/wissenschaft/crop102003038/0172099557-ci3x2s-w260/sektkorken-DW-Wissenschaft-.jpg
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Implications 3
FragmentationFront
Bubbly Flow
Das Prinzip der Sektflasche
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Wie können verschiedeneMagmenzusammensetzungen entstehen?
• Fraktionierung durch Kristallbildung
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Norman L. BowenAmerikanischer Geologe und Geophysiker1887-1956Prof. (MIT, Yale, Carnegie Inst. Washington)
Karl Heinrich Ferdinand Rosenbusch* 1836 in Einbeck † 1914 in HeidelbergProf. für Petrographie und Mineralogie(Univ. Straßburg und Heidelberg)
Die Ausscheidungsfolge der Minerale in Magmagesteinen wurde von K.H.F. Rosenbusch (1875) erkannt und von N.L. Bowen (1922) experimentell nachgewiesen.
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Die häufigsten Minerale in Magmatiten
Quarz
Olivin
Pyroxen
Amphibol
Biotit
Muskovit
Ca-Plagioklas
Na-Plagioklas
Orthoklas
Fe- und Mg-haltig dunkel ohne Fe und Mg hell
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Bowen´sches Reaktionsprinzip
~1400oC
~400oC
Diskontinuierliche Reaktionsreihe Kontinuierliche Reaktionsreihe
Fe, Mg
Olivin
Pyroxen
Amphibol (Hornblende)
Biotit Na-Plagioklas
Orthoklas
Quarz
Na-K
The Evolution of Igneous Rocks, 1928
Ca-Plagioklas
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Kristallisation• Gleichgewichtskristallisation
ausgeschiedenen Kristalle bleiben im Gleichgewicht mit der Schmelze→ Gestein entspricht der Ausgangszusammensetzung
• Fraktionierte Kristallisationausgeschiedene Kristalle werden von der Schmelze getrennt→ Änderung der Zusammensetzung der Restschmelze
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Die Erstkristallisate werden gravitativaus einem Magma entfernt, d.h. die schwereren Erstkristallisate(-> höhere Dichte) sinken auf den Bodender Magmakammer
Fraktionierte Kristallisation
Magma = Erstkristallisate + Restschmelze
Bei weiterer Kristallisation und Entfernung der Kristallisate wird die chemische Zusammensetzung des Restmagmas geändert, weil die bereits kristallisierten Mineralphasen durch Absinken von der Restschmelze getrennt werden.
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Kristallisation
Okrusch & Matthes
Dies ist eine Erklärung für die Entstehung von verschiedenen Magmentypen aus einem basaltischen Stammmagma
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Magmenmischung
Dunkle gabbroide Magmen in einer helleren granitischen Schmelze. Caolas an Duin.
Photograph: Graham Durant
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Magmenmischung – Kontamination einer Schmelze
4 - duktile Verformung des Nebengesteins– hydrothermale Überprägung
5 - Laterale Verlagerung der Nebengesteine durch Bruch–bzw. Faltenbildung
6- Intrusion im Zusammenhang mittektonischen Bewegungen
Nach Paterson et al. (1991), Contact Metamorphism. Rev. in Mineralogy, 26, pp. 105-206. © Min. Soc. Am.
1 - Aufwölbung des Daches
2 - Partialschmelze & Assimilation der Nebengesteine
3 - Magmatic stoping