Magmatismus, Magma und magmatische Gesteine

Magmatische Gesteine und der Gesteinskreislauf

Magmatische Gesteine werden durch Erosion, Sedimentation und Verwitterung zu Sedimenten. Durch Diagenese entstehen Sedimentgesteine. Durch Metamorphose verwandeln sich diese in metamorphe Gesteine. Durch Anatexis (Aufschmelzen) können metamorphe Gesteine wieder aufgeschmolzen werden und Magma bilden; durch Erstarrung entsteht daraus erneut magmatisches Gestein. Sedimente, Sedimentgesteine und metamorphe Gesteine können in verschiedenen Kombinationen durch Erosion, Transport, Metamorphose und Anatexis ineinandergreifen und so den Gesteinskreislauf bilden.

Das Magma

Das Magma ist eine geschmolzene Gesteinsmasse. Die im Fluss transportierten Gesteinsfragmente bestehen vorwiegend aus Silikaten, die auch die Hauptbestandteile magmatischer Gesteine sind.

Die drei Phasen eines Magmas

• Feste Phase: Minerale bzw. Kristalle, die durch Kristallisation gebildet werden.
• Flüssige Phase: Die Schmelze selbst, die durch Aufschmelzen verschiedener Minerale entsteht.
• Gasphase: Gase, die in der Schmelze gelöst sind.

Die Schmelzbildung von Gesteinen wird durch Temperatur, Druck und Wassergehalt beeinflusst. Jedes Mineral hat unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen einen charakteristischen Schmelzbereich. Druck wirkt dabei meist so, dass bei steigendem Druck die Schmelztemperatur zunimmt (es wird schwieriger zu schmelzen). Wasser senkt hingegen den Schmelzpunkt der Minerale bei gegebenem Druck und erleichtert damit die Bildung von Magma.

Magmentypen

Es gibt saure, intermediäre, basische und ultrabasische Magmen. Saure Magmen (felsische Magmen) sind in der Regel zähflüssiger als basische Magmen (mafic), weil sie reich an vernetzten Silikaten (Tektosilikaten) sind. Basische Magmen sind dagegen flüssiger, da sie mehr einfacher gebaute Silikate (z. B. Nesosilikate) enthalten.

Physikalische Eigenschaften von Magma

Die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Magma sind Temperatur und Viskosität. Saure Magmen weisen typischerweise Temperaturen zwischen etwa 900 und 1200 °C auf; basische Magmen können Temperaturen über 1200 °C erreichen. Höhere Viskosität fördert explosive Eruptionen, während niedrigviskose Magmen leichter fließen und zu effusiven Eruptionen neigen.

Phasen der Konsolidierung von Magma

Ortomagmatische Phase: Diese Phase tritt zwischen der Temperatur, bei der das Magma zu kristallisieren beginnt, und etwa 500 °C auf. Hier kristallisieren die Hauptminerale aus der Schmelze.

Pegmatitisch-pneumatolytische Phase: Sie liegt ungefähr zwischen 500 und 250 °C. In dieser Phase ist das Magma eine Restflüssigkeit, die reich an Gasen und volatilen Komponenten ist. Der steigende Gasdruck kann bewirken, dass Magma in Spalten der umgebenden Gesteine eindringt und Dike und Adern bildet.

Hydrothermale Phase: Bei Temperaturen unter etwa 250 °C bilden sich hydrothermale Lösungen. Die restliche Flüssigkeit besteht dann überwiegend aus Wasser und flüchtigen Elementen, die sekundäre Minerale und Hydrothermaladern bilden können.

Magmatismus und Plattentektonik

Der Ursprung vieler Magmen ist partielles Aufschmelzen von Gesteinen der Kruste und des oberen Mantels in Tiefen zwischen etwa 70 und 200 km. Die Entstehung von Magma steht in engem Zusammenhang mit der Theorie der Plattentektonik. Die wichtigsten geologischen Zusammenhänge für die Bildung von Magmen sind die Grenzen der lithosphärischen Platten:

• Mittelmeer-Ozeanische Rücken (Dorsalen): Etwa 80 % des Magmas, das die Oberfläche erreicht, wird an mittelozeanischen Rücken gebildet. Durch die Spreizung der Platten kommt es zur Dekompressionsschmelze des Mantelmaterials; die primären Magmen dort sind überwiegend basisch.
• Subduktionszonen: In Subduktionszonen entstehen häufig intermediäre bis saure Magmen. Die subduzierende ozeanische Lithosphäre ist oft hydratisiert, u. a. durch marine Sedimente, was das Aufschmelzen erleichtert und die Zusammensetzung der Magmen beeinflusst.
• Platteninterner Magmatismus: Magma kann auch innerhalb der Platte erzeugt werden, sowohl in kontinentaler als auch in ozeanischer Lithosphäre — Beispiele sind die Kanarischen Inseln oder Hawaii (ozeanische Plattenhotspots) sowie Yellowstone und andere kontinentale vulkanische Felder.

Vulkanische Aktivität

Vulkanische Aktivität manifestiert sich als Gesamtheit der Prozesse, die mit dem Austritt von Produkten aus magmatischen Zentren verbunden sind. Zu den Produkten eruptiver Tätigkeit gehören:

Gase

Magmen enthalten gelöste Gase, die unter dem hohen Druck in tieferen Bereichen gelöst bleiben. Beim Aufsteigen des Magmas und beim Druckabfall exsolvieren die Gase, was den Aufstieg des Magmas weiter erleichtert und die Eruptionsdynamik beeinflusst.

Einfluss der Viskosität

Zähflüssige, saure Magmen können Gase schlecht entweichen lassen; dadurch steigt der Druck und es kann zu explosiven Eruptionen kommen. Niedrigviskose, basische Magmen ermöglichen ein leichteres Entweichen der Gase und führen eher zu effusiven (flussenden) Eruptionen.

Lavaströme

Lava ist Magma, das an die Erdoberfläche gelangt. Sie ist gegenüber der ursprünglichen Schmelze oft gasärmer. Typische Lava-Temperaturen liegen zwischen etwa 900 und 1200 °C. An der Erdoberfläche stockt Lava und bildet Gesteinsschichten oder Lavaströme. Saure, zähflüssige Laven erreichen geringe Fließgeschwindigkeiten und erstarren schnell; basische, flüssigere Laven können höhere Fließgeschwindigkeiten erreichen.

Nach Morphologie unterscheidet man u. a.:

• Pahoehoe-Lava (glatt und wellig)
• Kissenlava (typisch für Unterwasserausflüsse)
• Blockige oder zähflüssige, zerklüftete Laven

Pyroklastische Produkte

Fragmente magmatischen Materials, die in die Luft geschleudert werden, bezeichnet man als Pyroklasten. Diese entstehen bei explosiven Eruptionen und lagern sich als Asche, Lapilli, Bomben oder Blöcke ab.

Magmatische Gesteine

Magmatische (igneous) Gesteine entstehen durch die Erstarrung von Magma. Man unterscheidet nach dem Ort der Erstarrung:

• Plutonische (intrusive) Gesteine: Entstehen durch Erstarrung von Magma unter der Erdoberfläche; die Abkühlung erfolgt langsam, daher sind sie grobkörnig (phaneritisch).
• Vulkanische (extrusive) Gesteine: Entstehen durch Erstarrung von Lava und pyroklastischem Material an der Oberfläche; die Abkühlung erfolgt schnell, daher können sie glasig oder feinkörnig sein und oft porphyrische Texturen aufweisen.
• Filonische, hipoabyssale oder subvolkanische Gesteine: Entstehen durch Erstarrung von Magma in Rissen oder Spalten der Gesteine (z. B. Gänge). Sie zeigen oft eine Zwischentextur zwischen plutonisch und vulkanisch, häufig porphyrisch mit mikrokristalliner Grundmasse.

Texturen magmatischer Gesteine

• Plutonische Gesteine: Grobkörnige (granuläre) Textur durch langsame Abkühlung im Erdinneren.
• Vulkanische Gesteine: Glasige oder feinkörnige Textur; porphyrische Texturen sind häufig (große Einsprenglinge in feinkörniger Grundmasse).
• Filonische Gesteine: Oft porphyrisch mit einigen Mikro- oder Mikrokristallen.

Wichtige magmatische Gesteine

Plutonische Hauptgesteine: Granit (intrusiv, felsisch), Syenit, Gabbro und Peridotit.

Wichtige vulkanische Gesteine: Rhyolith (felsisch; Bimsstein ist ein glasiges, poröses Rhyolith), Andesit (intermediär), Basalt (mafic).

Filonische Gesteine: Pegmatite (filonische, oft saure Gänge mit großen Kristallen).