Geologie, Fotografie und Musik

Subduktionszonen und Vulkanismus

An den konvergierenden Plattengrenzen wird ozeanische Lithosphäre unter kontinentale oder an Inselbögen unter ozeanische Lithosphäre geschoben. Durch die Aufschmelzung der subduzierten Platte entsteht ein explosiver Vulkanismus. Der Pazifik wird von Subduktionszonen umschlossen, aus diesem Grund wird dieser Gürtel „Feuerkreis des Pazifik“ genannt. Andere Subduktionszonen finden sich im ägäischen Meer, in Anatolien fortgesetzt im Hochland von Iran, in der Karibik und in Indonesien.

Die meisten Vulkanausbrüche auf der Erde ereignen sich in Vulkanen über Subduktionszonen. Fast alle bekannten Eruptionen der letzen zwei Jahrhunderte gehören dazu. Dieser Vulkanismus unterscheidet sich erheblich von dem Intraplattenvulkanismus und dem Vulkanismus an divergierenden Plattengrenzen. Die Eruptionen sind viel explosiver und fördern große Mengen an Aschen. Das heißt, dass die Entstehung und die Quellen des Magmas sehr unterschiedlich sein müssen. Wasser spielt dabei eine große Rolle, deshalb soll im folgenden geklärt werden, woher dieses Wasser stammt.

Verteilung der Vulkane

Die Vulkane treten bei konvergierenden Plattengrenzen erst in einer Entfernung von 150 bis 300 km auf. In der vulkanischen Front ist die Konzentration der Vulkane am größten. Diese Front ist 10 bis 50 km breit. Das Magma entsteht erst, wenn die subduzierte Platte eine Tiefe von 100 bis 200 km erreicht hat. Die Zusammensetzung des Magmas ändert sich mit zunehmender Tiefe der subduzierten Platte. Die Vulkangürtel können in 100 bis 300 km lange Abschnitte eingeteilt werden. Die Vulkanketten ändern ihre Richtung und sind gegeneinander versetzt. Der Grund dafür sind sich in der subduzierten Platte fortsetzende Transformstörungen.

Wadati-Benioff-Flächen

Mit der Subduktion tritt auch eine starke Seismizität auf. Die Hypozentren der Erdbeben liegen auf einer vom Tiefseegraben ausgehenden schräg abtauchenden Fläche. Durch die Erdbeben kann also die subduzierte Platte in eine Tiefe von 700 km verfolgt werden. Nach ihren Entdeckern wird diese Fläche Wadati-Benioff Fläche genannt. In 700 km Tiefe können die Erdbeben keine tektonische Ursache mehr haben, da der Mantel in dieser Tiefe verformbar (duktil) und zu heiß ist. Der Grund für diese Tiefbeben ist die schockartige Umwandlung von Mineralen. Es finden Phasenübergänge von weniger dichten zu dichteren Mineralen statt.

Subduktionsmagmen

Wie oben erwähnt, spielt Wasser eine große Rolle. Die abtauchende ozeanische Kruste führt in den Sedimenten und den bei Reaktionen mit Wasser gebildeten Mineralen Kristall- und Porenwasser mit sich.

Die Vulkane entstehen wie oben beschrieben erst ca. 200 km von den Subduktionszonen entfernt in der vulkanischen Front. Nach dem heutigen Wissensstand hat das folgenden Grund: Die kalte ozeanische Kruste hauptsächlich aus Spilit (Basalt) und Sedimenten bestehend wird subduziert und in größere Tiefen und Drücke gebracht. Dadurch werden die Basalte metamorph zu Grünschiefern umgewandelt. Durch weitere Versenkung in höhere Tiefen und Drücke wird aus dem Grünschiefer erst Amphibolit und dann Eklogit. Bei der Metamorphose werden fluide Phasen frei, die aufgrund des Dichteunterschiedes aufsteigen. Da Wasser den Schmelzpunkt der Gesteine heruntersetzt wird die Basis der kontinentalen Kruste partiell aufgeschmolzen und das Magma steigt aufgrund des Dichteunterschiedes auf. Durch die Anreicherung des Magmas mit Wasser ist der Vulkanismus viel explosiver als an den Mittelozeanischen Rücken und beim Intraplattenvulkanismus.

Arten von Subduktionszonen

Inselbögen

Inselbögen bilden sich, wenn eine ozeanische Platte auf eine andere ozeanische Platte trifft. Beispiele für Inselbögen sind die Westindischen Inseln, die Alëuten, die Philippinen, die Marianen und Japan.

Die Vulkane bilden bogenartige Ketten von mehreren tausend Kilometern, die konvexe Seite der Bögen zeigt im allgemeinen zur abtauchenden Platte. Dieser Bogen wird magmatischer Bogen (Magmatic arc) genannt. An den Plattengrenzen bilden sich Tiefseegräben (Trench) aus, die den Kontakt der konvergierenden Platte an der Oberfläche kennzeichnen. Die Vulkane aber entstehen nicht an den Tiefseegräben, sondern 100 bis 200 Kilometer in die Richtung des Kontinents. Der Bereich zwischen dem magmatic Arc und dem Tiefseegraben wird Fore arc genannt. Hinter dem Inselbogen entsteht ein Randbecken (back-arc-Becken).

Während der Subduktion kann sich an einigen Subduktionszonen zwischen dem Graben und dem Bogen ein Akkretionskeil ausbilden. Dort sammelt sich von der subduzierten Kruste abgehobeltes Material. An anderen Subduktionszonen hobelt die abtauchende Platte Material der kontinentalen Platte ab und lagert das Material unten an die obere Platte an. Dieser Vorgang wird Subduktionserosion und der Vorgang des Anlagerns Tectonic underplating genannt.

Aktive Kontinentränder 

Im Gegensatz zu den Inselbögen wird an den aktiven Kontinenträndern ozeanische Kruste unter kontinentale Kruste geschoben. Durch die Subduktion entsteht ein reger und explosiver Vulkanismus auf der kontinentalen Platte. Durch Intrusionen und Lavaergüsse bildet sich am Kontinentalrand ein Hochgebirge aus. Beispiele für aktive Kontinentränder sind die Anden und das Kaskadengebirge mit dem bekannten Mount St. Helens.

Die Magmen, von denen die Vulkane gespeist werden, stammen aus der aufschmelzenden Kruste und der subduzierten Platte.

Typen von Subduktionszonen

Marianen-Typ

Die Inselbögen mit Ausnahme von Japan entsprechen nach dem Geophysiker Uyeda meist dem Marianen-Typ. Das heißt, dass die Platte mit 50° bis 90° abtaucht. Als Grund hierfür wird die höhere Dichte der alten ozeanischen Platte angenommen. Die Platten sind meistens entkoppelt, dadurch wird die Kruste gedehnt. Es werden bei der Subduktion nur wenige Seamounts in den Akkretionskeilen an die kontinentale Platte geschweißt. Das back-arc-Becken ist meist weniger als 3000 m tief.

Die Magmen der Inselbögen haben überwiegend eine basaltische Zusammensetzung, es kommen in Magmakammern auch hochdifferenzierte z.B. rhyolithische und alkalische Magmen vor.

Die Entfernung der Vulkane ist sehr unregelmäßig und kann bis zu 250 km groß sein.

Chile-Typ

Der Chile-Typ bildet sich vor allem in Subduktionszonen aus und bei alten Inselbögen wie Japan. Die Platten fallen im Gegensatz zum Marianen Typ mit weniger als 45° ein. Es können sich große Akkretionskeile ausbilden, die entweder mitsubduziert werden oder an den Kontinent angeschweißt werden. Es gibt immer mehr Hinweise dafür, dass die Seamounts, Ozeaninseln und Plateaus an die Kontinente angeschweißt werden. Diese bilden dann accreted terranes. Die geförderten Magmen haben andesitische und basaltische Zusammensetzung. Der Andesit entsteht beim Aufschmelzen der subduzierten Platte oder der kontinentalen Kruste. Der Basalt entsteht durch Magma, das ohne Kontamination durch Sedimente aufsteigt. Calcium ist in den Gesteinen im Verhältnis zu den Alkalien hoch konzentriert, deshalb wird das Magma kalkalkalin genannt.

Durch starke Kopplung der Platten wird der Kontinent komprimiert. Dadurch entstehen 80% aller Erdbeben mit einer Magnitude größer als 8 und die Aufstiegsbedingungen des Magmas sind erschwert. Es sammelt sich deswegen häufiger in großen Magmakammern, die sich wenig fortbewegen, wodurch das Magma stärker ausdifferenziert. An der Basis der kontinentalen Platte sammelt sich basaltisches Magma, da die geringere Dichte der kontinentalen Kruste den Aufstieg des Magmas stärker bremst als die dichtere ozeanische Kruste. Im Gegensatz zu dem Marianen-Typ ist die Entfernung von Vulkanen geringer (weniger als 100 km) und die Verteilung von den Vulkanen regelmäßiger.