Drijvende stenen

Vulkanisch gesteente bevat vaak holtes, soms een paar, soms zo veel dat het gesteente op water blijft drijven. Die holtes ontstaan op diverse manieren, afhankelijk van de taaiheid van het magma.

Leerlingen van Marloes Pouw (Bonaventura College Leiden) vragen zich bij het gesteentepracticum af hoe het zit met de met lucht gevulde holtes in allerlei vulkanische gesteentes. Hoe ontstaan die? En wat betekenen die holtes voor de eigenschappen van het gesteente?

Vulkanische gesteentes zijn een beetje een lastige categorie, omdat de indeling alleen gebaseerd is op de ontstaanswijze: er komt magma uit de aarde, dat stolt, en het resulterende gesteente is per definitie vulkanisch. Maar dat kan op allerlei manieren. Lava kan bijna als water opborrelen en over het oppervlak uitstromen (effusief), eruit geperst worden als een extreem taaie massa en grote klonten vormen (lavakoepels, ook effusief) of eruit exploderen en neerdwarrelen als vulkanische as (die qua ontstaanswijze in veel opzichten lijkt op sedimentgesteente). Het hangt er maar net van af hoe taai het magma is en hoeveel water erin zit.

Gasbellen

Als het magma veel water bevat, zo’n 5%, en dicht bij het oppervlak komt, waar de druk lager wordt, vormen zich veel bellen die van binnenuit spanning zetten op het magma. Bevat het magma minder water, zeg 0,5%, dan vormen zich ook bellen, maar minder, en komt er minder spanning op het magma te staan. Als het magma heel vloeibaar is (laag-visceus), kunnen de bellen makkelijk bewegen. Ze kunnen dan bij elkaar komen en grotere bellen vormen. Grotere bellen bewegen makkelijker, omdat ze een kleiner oppervlak hebben ten opzichte van hun volume. En dit soort bellen borrelt relatief makkelijk uit de lava. Het gas van de bellen (vooral waterdamp) verdwijnt in de atmosfeer. De lava die achterblijft, bevat dan minder bellen. Is de magma echter erg visceus (taai), dan kunnen de bellen niet makkelijk bewegen en ontsnappen ze nauwelijks naar de atmosfeer. Dan kun je een vulkanisch gesteente krijgen dat voor een groot deel, of zelfs het grootste deel (naar volume dan), uit bellen bestaat.

Viscositeit

Hoe visceus magma is, hangt vooral af van het percentage silica (SiO2). Basalt bevat zo’n 50% silica en is daarmee laagvisceus; het kan borrelen, bruisen en stromen. De bubbels gaan er makkelijk uit. Rhyoliet (de uitvloeiingsvariant van graniet) bevat zo’n 70% silica en is heel visceus; het stroomt nauwelijks.

In basalt is het dus niet zo makkelijk om bellen vast te houden – als de lava over het aardoppervlak stroomt, borrelen de bellen er gewoon uit. Toch vind je vaak basalt met bellen erin, zogeheten scoria. Er zijn veel vulkanen (scoriakegels, spetterkegels of strombolische kegels genoemd) die grotendeels uit basalt met bellen bestaan, zoals Puy de Côme in Midden-Frankrijk. De bellen hebben blijkbaar niet de kans gekregen allemaal te ontsnappen. Dat is goed te verklaren: als magma flink borrelt, worden er constant klodders lava hoog de lucht in geslingerd (vuurfonteinen) en tijdens hun traject door de atmosfeer koelen die behoorlijk af. Als ze neerkomen, zijn ze nog steeds erg heet. Maar als ze zijn afgekoeld tot pakweg 1000 graden, zijn ze niet meer in gesmolten toestand en blijven de bellen dus intact. Soms een beetje afgeplat, als de klodder nog iets samengeperst wordt door de landing of door de volgende klodders die erop terechtkomen.

Is de magma silicarijk en taai, dan raken de bellen er sowieso niet uit. Logischerwijs kun je dan ook een hoger percentage bellen krijgen.

Puimsteen

Silica (lees: kwarts of vulkanisch glas) heeft een dichtheid van 2,7 g/cm3, gasbellen een dichtheid van pakweg 0,001 g/cm3 en water van 1 g/cm3. Een vulkanisch gesteente dat voor meer dan twee derde uit luchtbellen bestaat (meer dan 65% porositeit), heeft als geheel dus een lagere dichtheid dan water. Die steen drijft op het water. Puimsteen kun je om die reden nog wel eens op het strand en op volle zee aantreffen na een heftige explosieve eruptie. Dit zijn dus brokken van een grotere magmaklont die door de interne gasdruk geëxplodeerd is. Puimsteen kan jaren op zee drijven, aangezien de gasbellen nauwelijks onderling met elkaar verbonden zijn en er dus bijna geen water in het gesteente doordringt.

Vulkanische as

Puimsteenbrokken komen vrij bij explosieve erupties, maar als de druk die de bellen van binnenuit op het magma zetten, erg groot wordt, kan het magma ook volledig exploderen onder de interne gasdruk. In dat geval verbrijzelt het magma in hete (‘vurige’) fragmentjes (klasten). Vandaar de aanduiding pyroklastisch (pyro = vuur). Dit is vulkanische as. De asdeeltjes zijn eigenlijk de resten van het magma dat tussen de bubbels zat. Om die reden zijn het vaak erg scherpe en hoekige fragmenten, heel ongezond om in te ademen. Die as kan dicht bij het oppervlak blijven of hoog de atmosfeer in geslingerd worden, maar komt uiteindelijk een keer naar beneden en vormt dan een aslaag. De hoekige vorm van de asdeeltjes maakt dat er in de stapeling altijd holtes overblijven (meer nog dan bij zand, waarvan de korrels veel ronder zijn).

Tufsteen

Als de asdeeltjes heet genoeg zijn, kunnen ze na de landing weer een beetje aan elkaar smelten. Zo ontstaat tufsteen. De individuele asdeeltjes zijn met het blote oog moeilijk te onderscheiden, maar de tufsteen zit vaak vol met grotere fragmenten van vulkanisch en ander gesteente die er bij de explosieve eruptie in terecht zijn gekomen. Het kan een erg stevig maar toch redelijk licht (dichtheid 1,5-2 g/cm3, met ongeveer 20-40% porositeit) materiaal zijn dat ook nog redelijk isoleert en daarmee erg geschikt is als bouwmateriaal. Tufsteen van de Laachersee-eruptie (12.000 jaar geleden) uit de Eifel is om die reden ook veel gebruikt in Nederland, bijvoorbeeld voor de Burcht in Leiden en in de Hervormde Kerk van Beekbergen. En ook wereldwijd, bijvoorbeeld door de Romeinen voor allerlei bouwwerken in Italië en door de Paaseilanders voor hun Moai.