Occurrence of maar-diatreme volcanoes

---

GeoLines 

15 (2003)

72

GeoLines 

15 (2003)

73

Introduction

Occurrence of maar-diatreme volcanoes. After the intermedi-

ate,  basic  and  ultrabasic  scoria  cones,  monogenetic  maar-dia-

treme volcanoes are the second most common volcano type on 

continents and islands (Wohletz and Heiken 1992). The majority 

of the maar-diatreme volcanoes represent the phreatomagmatic 

equivalent  of  the  magmatic  scoria  cones  and  their  associated 

lava flows (Lorenz 1985, 1986, 1998). Most maar-diatreme vol-

canoes occur in volcanic fields of basic to ultrabasic composition 

which comprise several tens to several hundreds of individual 

monogenetic  volcanoes – scoria  cones,  their  lava  flows,  and 

maar-diatremes. In addition, maar-diatremes are associated with 

large polygenetic volcanoes and occur in the foot plains and cal-

deras of shield volcanoes, stratovolcanoes and caldera volcanoes. 

Finally but more rarely, they also form as a phreatomagmatic 

equivalent of acidic to intermediate domes.

Scoria cones. Basic to ultrabasic magma in the upper crust 

mostly flows through dykes of less than, to in excess of, one 

metre in thickness. Flow direction is either vertical or more or 

less lateral, as increasingly demonstrated by AMS studies (e.g., 

Ernst and Baragar 1992). Very close to the Earth’s surface, the 

vertical flow component becomes dominant and has a velocity 

of several m/s to in excess of 10 m/s. Scoria cones form when 

magma  close  to  the  Earth’s  surface  rises  through  a dyke  and, 

during  its  final  approach  to  the  surface  accelerates  because 

of the formation and growth of vesicles and fragments due to 

several processes such as hydrodynamic fragmentation in free 

air, vesiculation in the still fluid state and brittle fragmentation 

caused  by  magma  flow  exceeding  the  critical  shear  strength 

(Zimanowski 1998, Morissey et al. 2000). Associated lava flows 

either form because of a high production rate resulting in less ef-

fective cooling and coalescence on the ground of still fluid clasts 

or because of quiet effusion. Scoria cones are known to erupt 

for weeks, months or even years. The scoria cone of Paricutin 

in Mexico, finally 424 m high, and its associated lava flow field, 

finally 24,8 km

2

 in size, erupted for about 9 years (Feb. 20, 1943 

to March 4, 1952; Luhr and Simkin 1993). Also Jorullo in its 

neighbourhood, which reached a final height of about 350 m 

and formed a lava field about 1.25 km

2 

in size, erupted for about 

15  years  (1759–1775;  Luhr  and  Simkin  1993). According  to 

Luhr  and  Simkin  (1993)  most  of  the  eruptions  giving  rise  to 

scoria cones are over within one year or less.

Size of maars. The maar-diatreme volcano in principal con-

sists at the surface of the maar crater, which is cut into the pre-

eruptive land surface, the tephra ring surrounding the crater, the 

more or less cone-shaped diatreme, which underlies the maar 

crater, the irregular-shaped root zone surrounding and underly-

ing the lower end of the diatreme, and finally the narrow feeder 

dyke at depth (Fig. 1). The maar crater is less than 100 m to over 

2 km in diameter (measured from the crest of the tephra ring) 

and several tens of metres to 300 m deep (measured also from 

the crest of the tephra ring). The tephra ring is several metres to 

perhaps over 100 m high. Its inner slope dips towards the inte-

rior of the crater at about 33°

 

(natural angle of rest)

 

and the outer 

slope dips outward at a much shallower angle (e.g., 5–10°), both 

angles depending on the total volume ejected, the pre-eruptive 

topography, and, during and immediately after the eruptions of 

the volcano, also on the state of moisture content of the tephra 

and erosion processes (e.g., slumping). The tephra ring is built 

up by possibly a few tens to over of 1000 tephra beds, the ma-

jority being only a few mm, cm to 1–2 dm thick. These thinly 

Maar-Diatreme Volcanoes, their Formation, and their Setting 

in Hard-rock or Soft-rock Environments

Volker LORENZ 

Institut für Geologie, Universität Würzburg, Pleicherwall 1, D-97070 Würzburg, Germany

ABSTRACT. Maar-diatreme volcanoes mostly form when rising magma in basic to ultrabasic volcanic fields interacts explosively 

with groundwater. Less commonly, there also exist maars associated with intermediate to acid magmas. The formation and growth 

of the maar-diatreme volcano type, the second most common volcano type on continents and islands, is reviewed applying the phre-

atomagmatic model of its formation. The site of explosions is the root zone which penetrates downward on its own feeder dyke. 

Because of repeatedly developing mass deficiencies in the root zone, the overlying cone-shaped diatreme and the maar crater are 

the consequent collapse/subsidence features. Prolonged downward penetration of the root zone leads to repeated collapse phases 

of both the diatreme and maar, thus both grow in size the longer the maar-diatreme volcano is active.

Two contrasting environments exist with respect to groundwater availability for the phreatomagmatic explosions: the hard-rock 

environment which is a joint aquifer and the soft-rock environment which is a pore aquifer. In the hard-rock environment, the tephra 

of maar-diatreme volcanoes contains large volumes of rock clasts originally derived from the hard country rocks formerly occupy-

ing the root zone resp. the diatreme and maar crater. In the soft-rock environment, the tephra contains large amounts of the indi-

vidual minerals and pebbles from the sediments but hardly any rock clast consisting of indurated sediments. The two environments 

are frequently combined in areas where unconsolidated, water-saturated sediments overlie diagenetically indurated sediments 

and/or crystalline basement rocks or in areas where unconsolidated sediments contain interbedded solidified and jointed sills and 

lava flows.

Maar-diatreme volcanoes have typically formed in areas characterized by rather normal groundwater conditions. In contrast, are-

as characterized by highly permeable water-saturated rocks or pebble beds just below the Earth’s surface give rise to tuff-rings or 

tuff-cones. Tuff-cones also form in the shallow sea or in lakes.

KEY WORDS: maar, diatreme, phreatomagmatism, hydrogeology, hard rocks, soft rocks.

---