PräsentationGeothermie und Allg. Hydrogeologie
Yellowstone – Geysire und Vulkanismus
FachgebietGeohydraulik und IngenieurhydrologieProf. Dr. rer. nat. Manfred Koch
Ein Vortrag von Sascha Ries
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Gliederung
1. Einführung und Grundbegriffe1.1 Geysire
- Eigenschaften - Klassifikation - Falsche Geysire - Vorkommen
1.2 Vulkanismus - Plattentektonik - Klassifizierung - Vorkommen
2. Der Yellowstone Nationalpark 2.1 Grundlegende Informationen
2.2 Geysire im Nationalpark2.3 Der Yellowstone Supervulkan
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Eigenschaften von Geysiren Das Wort Geysir stammt von dem alten
isländischen Verb „gjose“ – ausbrechen , erruptieren
Begriff bezieht sich auf eine heiße Quelle, die in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen explosionsartig einen Teil oder den gesamten Inhalt ihres Reservoirs explosionsartig ausstößt
Dazu sind spezielle geologische Bedingungen notwendig
Geysire sind von 4 Faktoren abhängig: Wärmequelle (Plume) Wasserreservoir Wasserversorgung in Form eines
Grundwasserleiters Öffnung+Verengung zum
Leitungssystem Strokkur Geysir, Island
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Eigenschaften von Geysiren (2)
Funktionsweise: Zunächst füllt sich das Leitungssystem
(Wasserreservoir) mit Grund- und Sickerwasser
Das Wasser im Leitungssystem erwärmt sich durch die Wärmequelle im Erdinneren (bspw. Magmakammer)
Durch den Druck der darüber stehenden Wassersäule siedet das Wasser zunächst nicht (Siedepunktserhöhung)
Erst nachdem Temperatur des Wasserreservoirs über den Siedepunkt gestiegen ist, steigen Dampfblasen durch die Engstelle des Kanals und pressen einen Teil der Wassersäule nach oben
Rapider Druckabfall im unteren Teil der Wassersäule => schlagartiger Übergang von überhitztem Wasser im Dampf
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Eigenschaften von Geysiren (3) Ausbruch des Strokkur Geysir in Island
(Heißwassertal Haukadalur) Höhe: 25-35m ; Intervall: 3-5min
Quelle: Youtube
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Klassifikation von Geysiren
Nach Rinehart gibt es 6 verschiedene Reservoirtypen:
Quelle: Rinehart, John S.: Geysers and Geothermal Energy
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Klassifikation von Geysiren (2)
Nach Rinehart gibt es 6 verschiedene Reservoirtypen:
Typ A: unterirdisches Reservoir mit langem Eruptionskanal verbunden, welcher oberirdisch in einem nicht getauchtem Kegel mündet (Cone Typ). Regelmäßige, lange Eruptionen mit hoher Eruptionssäule als Wasser- und Dampfstrahl (Bsp.: Old Faithful im Yellowstone Park).
Typ B: Tiefer, enger Eruptionskanal ohne unterirdische Kammer mit nahezu ebener Mündung. Kurze heftige Eruptionen (Bsp.: Round-Geysir im Yellowstone Park).
Typ C: Ähnlich Modell A, jedoch Mündung des Eruptionskanals knapp unter der Wasseroberfläche eines Teiches. Eruptionen wie Modell A aber mit gestörtem Wasserstrahl (teilw. hochgeworfene Wasserschwalle)
Typ D: Ähnlich Modell C, jedoch münden in den Eruptionskanal mehrere Seitenkammern. Meist eine Serie von Eruptionen mit unregelmäßigen kurzen Pausen und Gruppen von Ausbrüchen.
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Klassifikation von Geysiren (3)
Nach Rinehart gibt es 6 verschiedene Reservoirtypen:
Typ E: Eruptionskanal führt von einer großen unterirdischen Kammer in einen Teich. Lange, meist regelmäßige Eruptionen mit niedriger Eruptionssäule in Form eines Wasserschwalls.
Typ F: Tiefer, langer Eruptionskanal mündet in einem Teich. Eruptionsverhalten wie Modell E
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Klassifikation von Geysiren (4)
Des Weiteren gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten von Geysiren:
Kegel- oder düsenartigen Geysir (engl.: Cone or Columnar Geyser):
- schmaler Wasser- und Dampfstrahl
- kein oder nur sehr kleiner Teich (keine Beeinflussung des Wasserstrahls)
- Ausgeworfene Wasser darf sich nicht im tieferem Becken über dem Eruptionskanal sammeln
- Reservoirtyp A oder B (Bsp.: Old Faithful im Yellowstone Nationalpark)Old Faithful,
Yellowstone
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Klassifikation von Geysiren (5)
Des Weiteren gibt es zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten von Geysiren:
Springbrunnenartiger Geysir (engl.: Fountain or Pool Geyser)
- befinden sich in einem Teich- Eruption in einem Schwall
anstatt eines scharfen Strahls- Mehrere Ausbrüche innerhalb
einer Eruption- Reservoirtyp D bis F (bspw.:
Grand Geysir im Yellowstone Nationalpark
Grand Geysir, Yellowstone
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Falsche Geysire
Künstlicher Geysir: Anbohren von Höhlen oder Aquiferen mit ausreichender
Grundwasserversorgung in geothermisch aktiven Gebieten Bsp.: Old Faithful of California oder Soda Springs in Idaho
Kaltwassergeysir: Druck im Eruptionskanal nicht durch Wasserdampf sondern durch
plötzlich ausperlendes Kohlendioxid (in Wasser gelöst oder in Höhlen austretend)
In Deutschland: Geysir Andernach (mit 60m höchster Kaltwassergeysir der Welt, Intervall ca. 100min); Wallende Born (Höhe 2-4m, Intervall ca. 35 min)
Kontinuierlich ausbrechender Geysir: Im eigentlichen Sinn Thermalquelle, welche ständig heißes Wasser
und Wasserdampf ausstößt Bsp.: Fly Geyser von Gerlach in Nevada
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Vorkommen von Geysiren
Insgesamt 6 größere Geysirfelder: USA – Yellowstone Natinalpark: ca. 300 aktive Geysire Russland – Kronozki Nationales Biosphärenreservat
Kamtschatka: das Tal der Geysire mit ca. 200 aktiven Geysiren
Neuseeland – Nordinsel: 51 aktive Geysire Chile – El Tatio: 38 aktive Geysire Island – Haukadalur: 26 aktive Geysire USA – Alaska (Umnak Island): 8 aktive Geysire
Daneben existieren vereinzelt Geysire in: USA (Nevada, Kalifornien, Oregon), Papua-Neuguinea,
Neubritannien, Indonesien, Peru, China, Fidschiinseln, Japan, Kenia, Äthiopien, Bolivien, Myanmar
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Vorkommen von Geysiren (2)
World Geysir distribution, Quelle: Wikipedia
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Vulkanismus – Plattentektonik
Beschreibt die großräumigen tektonischen Vorgänge in der Lithosphäre (Erdkruste und oberster Erdmantel)
Aufgrund Mantelkonvektion: Wärme-transportmechanismus zwischenOberfläche und Erdkern
Durch Bewegung der Lihosphären-platten ergeben sich geologische Phänomene
Entstehung von Faltengebirgen,Tiefseerinnen, die wiederum zusekundären Phänomenen wie Erd-beben und Vulkanismus führen Aufbau der Erde, Quelle: Planet
Wissen
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Vulkanismus – Plattentektonik (2)
Lithosphärenplatten, Quelle: Wikipedia
Lithosphäre in sieben große (Kontinentalplatten) und weitere kleine Platten gegliedert
An den Plattengrenzen gibt es 3 Bewegungen:
Divergierende Platten: Platten driften auseinander Neubildung von Lithosphäre (Vulkanismus und Erdbeben)
Konvergierende Platten: bewegen sich aufeinander zu (Überschiebung) Subduktionszone hat Gebirgsbildung zur Folge
Konservative Platten (Transformstörung): Platten gleiten ruckartig aneinander vorbei (Erdbeben)
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Klassifizierung von Vulkanen
Anhand der Plattenbewegungen können Vulkanen nach dem jeweiligen tektonischen Ort klassifiziert werden:
Vulkanismus auf mittelozeanischen Rücken Intraplattenvulkanismus/Hot-Spot-Vulkanismus
Seamounts/Vulkaninseln Intrakontinentale Vulkane
Vulkanismus in Subduktionszonen
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Klassifizierung von Vulkanen (2)
Klassifizierung auch morphologisch möglich:
Vulkantyp Eigenschaft
Tafelvulkan Flache und breite Oberflächenform; sehr steile Wände
Schildvulkan Dünnflüssige und schnell fließende Lava; Hawaii-Inseln
Schichtvulkan (Stratovulkan)
Einzelne Schichten von Lava und Lockergesteinen; steile und spitzkegelige Form
Schlackenvulkan (Aschenvulkan)
Niedrige Höhe und regelmäßige konische Form mit steilen Flanken
Caldera (inkl. Supervulkane)
Einbruchs- oder Explosionskrater; Supervulkane zeichnen sich durch besonders große Calderen aus (Yellowstone)
Vulkandome (Staukuppe)
Hügelförmige Erhebung (Lavanadel) durch Eruption sehr zähflüssiger Lava entstanden
Maar Trichterförmige Mulde vulkanischen Ursprungs; Wasserdampfexplosion
Klassifizierung morphologisch, Quelle: Wikipedia
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Klassifizierung von Vulkanen (3)
Klassifizierung auch morphologisch möglich:
Schildvulkan
Schichtvulkan
Schlackenvulkan
Tafelvulkan
Lavadom
Maare
Caldera
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Vorkommen von Vulkanen
Vulkane der Erde, Quelle: Global Volcanism Program
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Vorkommen von Vulkanen (2)
Die größten und berühmtesten Vulkane:
Ätna auf Sizilien – der am häufigsten ausbrechende Vulkan Mauna Loa auf Hawaii – größte aktivste Vulkan der Welt
(4170m ü. NN) Mauna Kea auf Hawaii – größte inaktive Vulkan der Welt
(4205m ü. NN) Aconcagua in Argentinien – größte Vulkan auf dem Festland
(6959m) Nevado Ojos del Salado in Chile – zweitgrößte Vulkan (6893m) Vesuv in Neapel – Kammer in 5km tiefe Stromboli nahe Sizilien – letzter Ausbruch 2002 Kilimandscharo in Tansania – 5895m Popocatépetl in Mexico – Zwillingsvulkan, letzter Ausbruch
1994
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Der Yellowstone Nationalpark – Daten
Gründung am 1. März 1872 – älteste Nationalpark der Welt Name stammt vom gleichnamigen Fluss „Yellowstone
River“ Lage:
Hochebene ca. 2500 m ü. NN Fläche von ca. 8987 km² In den Bundesstaaten Wyoming (96%),
Montana (3%) und Idaho (1%) Nord-Süd-Ausdehnung 102km; Ost-West-
Ausdehnung 87km Bekannt für seine geothermalen
Aktivitäten (Geysire, Schlammtöpfe,etc.) und für seltene Wildtiere (Bisons, Grizzly´s, Wölfe, etc.)
Fast 3 Mio. Besucher jährlich
Lage des YNP, Quelle: Wikipedia
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Der Yellowstone Nationalpark – Karte
Karte YNP, Quelle: Homepage des YNP
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Geysire im Yellowstone Nationalpark
62% sämtlicher weltweit existierenden heißen Quellen (ca. 10000 Stück) und über 50% der weltweit aktiven Geysire (ca. 300 Stück) befinden sich im Yellowstone Nationalpark
Die berühmtesten Geysire im Nationalpark:Geysir Interv
all [h]Höhe
Eruptionssäule [m]
Dauer [min]
Sonstiges
Beehive-Geysir 18 45-55 4-5 Wasserphase düsenartig
Giant-Geysir unregel-mäßi 50-83 Über 60
Wasserphase düsenartig
Giantess-Geysir
unregel-mäßig 30-60
5-10 Wasserphase,
Bis zu 300 Dampfphase
Springbrun-nenartig
Castle-Geysir 12,75 20-30 20 Wasserphase,40 Dampfphase düsenartig
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Geysire im Yellowstone Nationalpark (2)
Die berühmtesten Geysire im Nationalpark:
Geysir Intervall [h]
Höhe Eruptionssäule [m]
Dauer [min]
Sonstiges
Grand Geysir 9,75 50-60
10-12 Wasserphase,
mehrere Ausbrüche
hintereinander
Springbrun-nenartig
Old Faithful 1,5 30-55 2-12 Wasserphase düsenartig
Grotto-Geysir unregel-mäßig 10-13 Über 60
WasserphaseSpringbrun-nenartig
Great-Fountain-
Geysir12 (±2) 30-50 90 Wasserphase,
Mit Pausn düsenartigQuelle: Wikipedia und The Geyser Observation and Study Association (GOSA)
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Geysire im Yellowstone Nationalpark (3)
Video: Ausbruch des Grand-Geysir im Yellowstone Nationalpark Höhe: 50-60m ; Springbrunnenartig
Quelle: Youtube
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Geysire im Yellowstone Nationalpark (4)
Video: Ausbruch des Beehive-Geysir im Yellowstone Nationalpark Höhe: 45-55m ; düsenartig
Quelle: Youtube
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Der Yellowstone Supervulkan
Die Bezeichnung „Supervulkan“ ist umstritten und nicht klar definiert (Einführung durch BBC Redakteure 1999)
Nach h.M.: im Gegensatz zu normalen Vulkanen bauen Supervukane aufgrund der Größe ihrer Magmakammer keine Vulkankegel auf, sondern hinterlassen riesige Calderen im Boden (Vulkanexplosivitätsindex 8)
Unter dem Yellowstone Nationalpark lauert ein „schlafender Riese“
Wissenschaftler fanden zahlreiche Tierskelette, die vor 10 Mio. Jahren alle gleichzeitig an einer Lungenkrankheit, ausgelöst durch vulkanische Asche, gestorben waren
Ascheschicht von 2 Metern auch im 1600km entfernten Idaho mit gleicher chem. Zusammensetzung
Ausbruch eines gewaltigen Supervulkans
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Der Yellowstone Supervulkan (2)
Yellowstonecaldera zufällig entdeckt (NASA teste eine neue Infrarotkamera zufällig über dem Park)
Mit 45x85 km eine der größten Calderen der Welt Hot-Spot unter dem Yellowstone Park, der Magma in die
Nähe der Erdoberfläche fördert (seit 17 Millionen Jahren aktiv)
Magmakammer: 60km lang, 35km breit und 8-10km mächtig
In normalen Zeiten sorgt diese für das enorme hydrothermale System von heißen Quellen und Geysiren
Wenn der Druck jedoch zu sehr ansteigt, kann es zu enormen Eruptionen kommen
In den vergangenen 2,1 Millionen Jahren detonierte der Yellowstone-Hot-Spot dreimal, zuletzt vor ca. 640000 Jahren
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Der Yellowstone Supervulkan (3)
Die drei calderaformenden Ausbrüche:
Tuff-Name
Alter (Mill. Jahre)
Eruptions- Volumen
(km³)
Betroffene Fläche (km²)
Caldera- Gösse (km)
Caldera Name
Lava Creek Tuff 0.64 1,000 7,500 85 x 45 Yellowston
e caldera
Mesa Falls Tuff 1.3 280 2,700 16 km
Henry's Fork
caldera
Huckleberry Ridge
Tuff 2.1 2,450 15,500 75-95 x
40-601
Big Bend Ridge, Snake
River, and Red
Mountains caldera
segments
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Der Yellowstone Supervulkan (4)
Yellowstone Caldera, Quelle: survival.4u.org
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Der Yellowstone Supervulkan (5)
Ablauf eines Yellowstone-Ausbruchs:
1.Phase: - Anheben der gesamten Region (Uplift) - Dadurch radial angeordnete Risse aus
denen Lava quillt - langsamer Prozess
2.Phase: - Druckerhöhung in der unteririschen Magmakammer
- Eruption (mehrere Wochen) - Bruch des „Daches“ der Magmakammer – Bildung einer Caldera
3.Phase: - Wiederauffüllung der Magmakammer - Caldera steigt allmählich wieder an
- Aus den Bruchkanten steigt Lava in vielen kleineren Eruptionen
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Der Yellowstone Supervulkan (6)
Momentane Entwicklung:
Gravimetrische Untersuchen (Universität Utah) ergaben einen Anstieg des Bodenlevels um 18cm zwischen 2004 und 2006 (derzeit 5-8cm/a)
Anstieg der kleineren Erdbeben seit 2009 von 12/Tag auf bis zu 500/Tag gestiegen
Jedoch: Momentan Magma in sicherer Tiefe von rund 10 Kilometern (erst ab 2-3km Tiefe problematisch)
Einige Wissenschaftler befürchten Ausbruch in den nächsten 10-100000 Jahren (sehr ungewiss), viele geben jedoch Entwarnung für die nähere Zukunft (1000 Jahre)
Folgen: - Ausgestoßene Asche und Schweloxyd vergiften Atmosphäre
⟶ Temperatursturz - Dezimierung der Bevölkerung an den Rand der
AusrottungMagmakammer, Quelle: wildlife-extra.com
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Danke für Eure Aufmerksamkeit
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Quellen
Richter, Wolfgang und Lillich, Wolfgang: Abriß der Hydrogeologie; Stuttgart 1975; E. Schweizerbart´sche Verlagsbuchhandlung
Rinehart, John S.: Geysers and Geothermal Energy; USA 1980; Springer-Verlag New York
Rothe, Peter: Die Erde – Alles über Erdgeschichte, Plattentektonik, Vulkane, Erdbeben, Gesteine und Fossilien; Darmstadt 2008; WBG
Schmincke, Hans-Ulrich: Vulkanismus; Darmstadt 2009; WBG
Wikipedia: Geysir, Yellowstone(Vulkan)
USGS (U.S. Geological Survey)– Yellowstone Volcano Observatory
Youtube: Der Yellowstone Nationalpark (Doku), Der Yellowstone-Supervulkan (Doku), Geysire
National Park Service – Homepage des Yellowstone Nationalparks (http://www.nps.gov/yell/index.htm)