M6 Hydrothermale Zirkulation

Thema

Hydrothermale Zirkulation ist die Bewegung einer Flüssigkeit, vorwiegend Wasser, durch die Erdkruste, angetrieben durch Druck- und Temperaturgradienten. An mittelozeanischen Rücken dringt kaltes Meerwasser in die zerklüftete Basaltkruste ein, erhitzt sich beim Erreichen der darunter liegenden Magmakammer auf bis zu 400 Grad Celsius, löst Metalle und Schwefel aus dem durchströmten Gestein und steigt, nun mit Metallen angereichert, wieder auf. Es tritt an hydrothermalen Quellen aus, die je nach den Mineralien, die sich beim Kontakt mit dem kalten Meerwasser abscheiden, schwarzen oder weißen Rauch ausstoßen.

Auf den Kontinenten mobilisieren geothermische Systeme wie in Island, im Yellowstone-Nationalpark und in Neuseeland auf ähnliche Weise Wasser meteorischen Ursprungs, das durch eine nahegelegene magmatische Intrusion von unten erhitzt wird.

Die grundlegende Physik dieser hydrothermalen Zirkulation kombiniert das Gesetz der Strömung in porösen Medien mit der Gleichung des Wärmetransports: Das Fluid bewegt sich aufgrund der es antreibenden hydraulischen Druckgradienten. Diese Bewegung transportiert Wärme, die wiederum das Temperaturfeld des Gesteins verändert und somit Dichte und Viskosität des Fluids beeinflusst. Diese Kopplung zwischen Fluidbewegung und Wärmetransport führt zu echter hydrothermaler Konvektion, wenn der Parameter, der die Konvektionsfähigkeit eines Fluids beschreibt, innerhalb einer homogenen porösen Schicht einen definierten kritischen Wert nahe 39 überschreitet.

Das zu erwartende Verhalten dieser hydrothermalen Konvektion ist die Bildung vollständiger Zirkulationszellen: eine aufwärts gerichtete, heiße Strömung, die sich in Bereichen höherer Permeabilität wie Verwerfungen und Klüften konzentriert, und eine abwärts gerichtete, diffuse Strömung, die die kühleren Bereiche des Gesteins durchströmt. Die maximale Temperatur, die eine hydrothermale Flüssigkeit erreichen kann, ist durch den kritischen Punkt des Wassers begrenzt, der bei etwa 374 Grad Celsius und 22,1 Megapascal liegt. Ab diesem Punkt verhält sich Wasser nicht mehr wie eine klar unterscheidbare Flüssigkeit oder ein Gas.

An den langsamsten mittelozeanischen Rücken stammt die Wärme, die die hydrothermale Zirkulation antreibt, nicht aus einer Magmakammer, sondern direkt aus dem exhumierten Mantel selbst, und zwar durch die Serpentinisierung seiner Mineralien. Dies stellt den Zusammenhang zwischen dem Druck- und Temperaturgradienten, mit dem diese Beschreibung begann, und den verschiedenen Wärmequellen her, die eine vollständige hydrothermale Zirkulation aufrechterhalten können.

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