Eine falsche oder unvollständige Definition des Begriffs “Magma” kann sehr populäre, aber auch völlig falsche Vorstellungen davon erzeugen, worum es sich hierbei handelt. Ein Beispiel hierfür ist ein nicht vorhandenes geschmolzenes Meer unter dem Yellowstone Nationalpark. Wir schlagen deshalb vor, den Begriff “Magma” neu zu definieren.
Beispiel einer aktuellen Definition von “Magma”:
“Ein vermengter oder ungeordneter Körper oder Masse von etwas.”
-Oxford English Dictionary Online (20. September 2016)
Magma ist ein grundlegender Bestandteil der Erde. Die vielfältigsten Themen, wie beispielsweise die vulkanische Gefährdungsbeurteilung oder Planetenentwicklung stützen sich auf das Wissen, wie sich Magma verhält und darauf, dass wir ihre Eigenschaften, Herkunft, Entwicklung und Bedeutung kennen. Daher sollte die Definition des Begriffs “Magma” einfach und universell vereinbar sein. Der Begriff bedeutet für jeden Menschen etwas grundlegend anderes.
Diese Inkonsistenz, die diese “Ungenauigkeiten” mit sich bringen, führt zu Missverständnissen zwischen Petrologen, Geophysikern, der Presse und der Öffentlichkeit. Durch eine verwirrende und nicht eindeutig festgelegte Definition kann es auch kein klares Bild des Begriffs “Magma” in der Vorstellung der Menschen geben. Es ist an der Zeit, eine klare, eindeutige und allgemein anerkannte geologische Definition des Begriffs “Magma” zu finden.
Für die Öffentlichkeit ist Magma gleichbedeutend mit Lava; eine heiße, glühend rote Flüssigkeit, die aus Vulkanen fließt. Strittig ist, ob teilweise geschmolzenes Gestein, das sich unterhalb der Erdoberfläche befindet und noch kristallin ist, auch als Magma bezeichnet werden sollte.
Auch bei Fachdiskussionen sollten Geologen und andere Wissenschaftler ein einheitliche und klare Definition des Begriffs Magma verwenden. Wir sind der Auffassung, dass die Definition “Magma” für eine Substanz stehen sollte, die sich sowohl an der Erdoberfläche als auch im Inneren der Erde bewegt.
Kann Magma fest sein?
Allgemein anerkannt ist, dass Magma zumindest teilweise geschmolzen ist. Beispielsweise wird in einer aktuellen seismischen Veröffentlichung von Untersuchungen in den Gebieten rund um den Yellowstone Nationalpark [Journal “Science”, Huang et al., 2015] von einem “Unterkrustenmagmakörper, [der] ein Volumen von 46.000 Kubikkilometer hat.”, berichtet. Das ist eine unvorstellbare Menge Magma.
Mehrere nationale Nachrichtenagenturen berichteten über die Ergebnisse der zuvor genannten Veröffentlichung, darunter National Public Radio, NBC News, die Washington Post und Fox News. Alle Artikel berichteten, (…) “dass dies genug Magma sei, um den Grand Canyon 11mal damit zu füllen”.
Diese Darstellung könnte in der öffentlichen Wahrnehmung suggerieren, dass sich unter dem Yellowstone ein riesiger Pool mit heißem Magma befindet, der jederzeit zu explodieren droht. Dabei waren die Autoren durchaus darauf bedacht zu betonen, dass sich nichts an der Zustand des Yellowstone Vulkans geändert hat. Die Menge des geschmolzenen Materials hat sich genauso wenig verändert wie das Risiko eines Ausbruchs des Supervulkans. Sie haben in der neuen Studie lediglich eine neue Methode zur Darstellung des Yellowstone-Untergrunds und des darin enthaltenen, teilweise geschmolzenen Gesteins vorgestellt.
Die Studie stellte fest, dass dieses große Volumen, das auf dem Bild gezeigt wird, nur einen geringen Prozentsatz an geschmolzenem Material aufweist. Das ist immer noch eine sehr große Menge Schmelze. Genug, um 20% des Grand Canyon zu füllen. Aber es wird immer noch in Form einer großen Menge festen Gesteins gebunden und hat sich aktuell nicht für eine Eruption gesammelt. Es ist unwahrscheinlich, dass die Eigenschaften, die Huang’s Team abgebildet hat, eine Eruption auslösen, ohne dass sich weiteres geschmolzenes Material in einer sehr viel kleineren Magmakammer mit einem sehr viel höheren Anteil an Schmelze angesammelt hat.
Wofür steht dieser Begriff?
Ob ein Gestein, das nur einen kleinen Teil an partieller Schmelze enthält, als Magma bezeichnet werden sollte, ist fraglich. Tatsächlich steht der Begriff “Magma” aktuell für zwei unterschiedliche Materialzustände. Er steht einerseits für ein Material, das sich an der Erdoberfläche befindet, weitgehend abgekühlt ist und nur noch einen kleinen Anteil an Schmelze enthält. Andererseits umfasst der Begriff auch einen Magmentyp, der sehr viel flüssiger ist und fließen kann. Die physikalischen und chemischen Unterschiede zwischen festem und flüssigem Zustand kommen bei aktuellem Gebrauch des einheitlichen Begriffes “Magma” nicht zum Ausdruck. Die grundlegenden Unterschiede in der breiten Verwendung des Begriffes “Magma” sind eindeutig und können konzeptionelle Probleme verursachen.
Der Begriff “Magma” wurde in der Pharmazie schon im 17. Jahrhundert für Suspensionen wie Magnesium Magma (heute Milch von Magnesium) verwendet. George SCROPE war einer den ersten, der den Begriff in einem geologischen Kontext erwähnt hat. [Scrope, 1862, S.. 121]. Er schrieb, dass Lava “keine homogene molekulare Flüssigkeit wie jede andere teilweise oder vollständig geschmolzene Substanz ist, aber […] eine Verbindung von kristallinen und geschmolzenen oder vollständig geschmolzenen Substanzen darstellt, bei der eine gewisse Beweglichkeit durch eine interstitielle Flüssigkeit gegeben ist.” Scrope betrachtet also die Fähigkeit zu fließen oder zu erstarren als bestimmendes Qualitätsmerkmal.
Soll ich erstarren oder fließen?
Eine kritische Kontrolle über die Mobilität in einem Kristall-Flüssigkeits-Gemisch ist das Volumenverhältnis von Kristallanteil zu Flüssigkeitsanteil; die scheinbare Viskosität eines Gemisches (Verhältnis der Scherspannung zur Viskositätsrate) hängt von dem Anteil an Partikeln ab, die darin suspendieren. Für einen geringen Anteil an festen Teilchen, z.B. weniger als 20 Vol-%, werden die Teilchen ausreichend dispergiert, sodass sie während des Fließens kaum in Wechselwirkung treten können.
Wenn jedoch der – auf das Volumen bezogene – Anteil der Teilchen etwa 40% bis 60% erreicht, sperren sie die scheinbare Viskosität und die Suspension erhöht sich um mehrere Größenordnungen, so dass die Kristalle die Viskosität von Marmelade annehmen. Kristalle innerhalb dieser Blockaden halten sich gegenseitig an Ort und Stelle. Dieses Phänomen wird “Kraftketten” genannt [Cates et al., 1998]. Das System geht aus einer Schmelze mit suspendierten Kristallen zu einem kristallinen Netzwerk mit interstitieller Schmelze über [Lejeune und Richet, 1995].
Schematische Illustration der Viskositätsänderung (Quelle: EOS)
Beim Abkühlen wachsen die Kristalle zusammen und greifen so ineinander, bis sie einen geschweißten Rahmen erzeugen. Ein solches Material kann nur fließen, wenn die Prozesse der Kristallplastizität dramatisch langsamer ablaufen als die Prozesse, bei denen auch hochviskose, siliziumdioxidreiche Schmelzen fließen können. Die Gewinnung von Schmelze aus diesem Material dauert ausgesprochen lange.
Zwei Namen für zwei Materialien
Der fundamentale Unterschied in der Verformung und Strömung (Rheologie) zwischen teilweise geschmolzenem Gestein, das reich an Schmelze ist (mehr als etwa 50% Schmelze) und dem schmelzarmen Gegenstück (weniger als etwa 50%), ist deshalb die Begründung, den beiden Materialien unterschiedliche Begriffe zuzuordnen. Wir schlagen vor, dass der Begriff “Magma” nur für schmelzreiche Materialien verwendet wird. Kristallreiche und weitgehend unbewegliche, aber teilweise geschmolzene Gesteine sollten mit einem anderen Begriff bezeichnet werden.
Durch diese Definitionen werden hochviskose Materialien – wie wasserarme Rhyolit-Laven, die eine Viskosität von 1010 Pascal-Sekunden oder mehr [Pinkerton und Stevenson, 1992] erreichen können – von Magmen getrennt, die die diese Eigenschaft nicht aufweisen. Hochviskose Materialien können im Gegensatz zu nicht hochviskosen Gesteinen sehr schnell zur Erdoberfläche aufsteigen und ausbrechen. Dies steht im Einklang mit der allgemeinen Beobachtung, dass Vulkanite mit mehr als etwa 50% Kristallanteil eher selten sind [Marsh, 1981].
Diese Unterscheidung ist nicht und kann auch nicht präzise sein. Sie ist aber dennoch sinnvoll, sowohl für die interne als auch für die externe Kommunikation unter Vulkanologen und mit benachbarten Fachgebieten. Viele Interpretationen von Plutoniten hängen von der abgeleiteten Definition von großen Körpern einer schmelzreichen Magma ab, in denen Prozesse wie die Fraktionierung eine Rolle spielen. Ein Beispiel ist das “Big Tank”-Modell, das in unzähligen Lehrbüchern und Papers als Beispiel genannt wird. Solche Verfahren sind in einem System, wie es sich unter Yellowstone gebildet hat, das aus 90% festem Gestein besteht und dessen Porenräume mit einer Schmelze gefüllt sind, kaum möglich. Die vulkanologische Forschungsgemeinschaft versteht diese Unterscheidung intuitiv, aber unter Verwendung des Begriffes “Magma” als “One-size-fits-all”- Begriff für Gestein mit jedem möglichen Anteil an Schmelze bringt er mehr Verwirrung mit sich als eine klare und allgemeingültige Definition.
Es führt zu einem falschen Bild in der Vorstellung der Menschen, wenn Wissenschaftler und beispielsweise auch Journalisten – wie im Fall des Yellowstone – für zwei grundlegend unterschiedliche Materialien den gleichen Begriff verwenden. Die Folgen dieser falschen Vorstellungen sehen wir dann in Medienbeiträgen, die die Existenz eines großen, heißen und daher gefährlichen Magmasees direkt unter dem Yellowstone-Nationalpark und einen damit möglichen Supervulkanausbruch suggerieren. Diese medialen und zum Teil reißerischen Storys sind nicht nur unzutreffend, sondern auch gefährlich, da sie nicht die tatsächlichen Verhältnisse wiedergeben.
Eine zutreffendere Definition
Wir möchten eine Diskussion über eine präzisere Definition des Begriffs “Magma” erreichen und schlagen hiermit folgende Formulierung vor:
Magma: natürlich vorkommende, ganz oder teilweise geschmolzenes Gesteinsmaterial, das innerhalb eines planetaren Körpers gebildet wird, aus Schmelze mit oder ohne Kristalle und Gasblasen besteht und einen ausreichend hohen Anteil an Schmelze enthält, die sowohl für intrusive als auch extrusive Vorgänge geeignet sind.
Diese vorgeschlagene Definition spiegelt natürlich unsere besondere wissenschaftliche Perspektive wider; Wir hoffen, dass dieser Artikel eine breite Diskussion auslösen und schlussendlich eine allgemein gültige Definition gefunden wird.
Anmerkung:
Wir möchten damit eine sinnvolle und überfällige Diskussion einer Neudefinition des Begriffs “Magma” auch im deutschsprachigen Raum anregen. (GeoHorizon)
Dieser Text ist eine freie Übersetzung folgenden Werkes:
“We Need a New Definition for “Magma””
Originalveröffentlichung:
Glazner, A. F., J. M. Bartley, and D. S. Coleman (2016), We need a new definition for magma, Eos, 97, doi:10.1029/2016EO059741. Published on 22 September 2016.
Pia Gaupels
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