Plume (Geologie)

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
(Weitergeleitet von Mantle Plume)
Wechseln zu: Navigation, Suche
Hotspot-Vulkanismus wird durch Plumes aus Quellen im tieferen Erdmantel gespeist

Mantel-Plume (kurz auch Plume, aus dem Englischen/Französischen für „buschige Feder“ bzw. „Rauchfahne“) ist ein geowissenschaftlicher Fachbegriff, der einen Aufstrom heißen Gesteinsmaterials aus dem tieferen Erdmantel bezeichnet. Mantelplumes weisen in der Tiefe eine schlanke, schlauchartige Form auf und verbreitern sich bei Erreichen der starren Lithosphäre helmbuschartig bzw. pilzförmig. Im deutschen Sprachraum wird auch der Begriff Manteldiapir (oder kurz Diapir) verwendet. An Orten, wo sich das aufströmende Gesteinsmaterial einen Weg bis an die Erdoberfläche bahnen kann, verursachen Erdmantel-Plumes eine besondere Form des Vulkanismus, der nicht an Plattengrenzen gebunden ist und als Hotspot-Vulkanismus bezeichnet wird.

Entstehung des Plume-Konzepts[Bearbeiten]

Die unterseeische Hawaii-Emperor-Kette führte zur Entwicklung des Plumemodells

Die Modellvorstellung der Mantelplumes entstand Mitte der 1960er Jahre. Vulkanismus ist ein geowissenschaftliches Phänomen, dessen Auftreten in der Regel an aktive Plattenränder, also an Subduktions- und Riftzonen, geknüpft ist. Die Entstehung des Magmas findet dabei im obersten Mantel statt und ist durch die Plattentektonik physikalisch vollständig erklärbar. Unverständlich blieben jedoch die sogenannten Intraplattenvulkane, die unabhängig von Plattengrenzen an beliebigen Orten auftreten und durch das Konzept der Plattentektonik nicht erklärt werden konnten.[1] Intraplattenvulkane wurden bald auch als Hotspots (engl. für „heißer Fleck“) bezeichnet, da ihr Vorkommen offenbar auf lokal erhöhte Temperaturen im Erdmantel zurückzuführen ist.

Die meisten Hotspot-Vulkane sind in ozeanischen Gebieten zu beobachten, häufig in Verbindung mit geradlinigen Inselketten. Eines der bekanntesten Beispiele hierfür ist die Inselgruppe von Hawaii, die den östlichen Abschluss der Hawaii-Emperor-Inselkette bilden, einer Reihe von Seamounts inmitten des Pazifik. Altersdatierungen von Gesteinen zeigten, dass die Inseln mit zunehmender Entfernung vom heute aktiven Zentrum des Vulkanismus kontinuierlich älter werden. John Tuzo Wilson leitete 1963 aus dieser Beobachtung einen Zusammenhang zwischen dem Vulkanismus und der Drift der Platten ab und folgerte, dass die Quellregion des Magmas wesentlich tiefer im Inneren der Erde liegen muss als bei gewöhnlichen Vulkanen. Die tiefe Quelle versorgt demnach den aktiven Vulkan, der jedoch mit der Lithosphärenplatte, auf der er sich befindet, durch die Plattenbewegung fortgetragen wird, bis er durch die ortsfeste tiefe Magmaquelle nicht mehr gespeist werden kann. Stattdessen entsteht ein neuer Vulkan, der wiederum nach einiger Zeit erlischt, wenn auch er sich zu weit von der Quellregion entfernt hat. Über geologische Zeiträume entsteht so die parallel zur Plattenbewegung verlaufende Inselkette.[2]

Das Konzept wurde 1971 durch den Geophysiker W. Jason Morgan erweitert und verbessert. Morgan postulierte, dass Hotspots durch aufströmende Plumes verursacht werden, die Ausdruck von Konvektionsvorgängen im unteren Mantel sind. Mit dieser Annahme konnte er gleichzeitig eine weitere Beobachtung erklären, nämlich dass die Basalte, die durch den Hotspot-Vulkanismus gefördert werden, eine etwas andere chemische Zusammensetzung zeigen als jene, die an Mittelozeanischen Rücken entstehen.[3] In den zurückliegenden Jahrzehnten haben theoretische Modellierungen und seismologische Untersuchungen von Hotspotgebieten zum besseren Verständnis von Mantelplumes beigetragen. Das Konzept ist heute allgemein anerkannt.

Physikalischer Hintergrund[Bearbeiten]

Entstehung und Entwicklung von Plumes[Bearbeiten]

Mantelplume, schematisch

Plumes sind aufsteigende Ströme heißen Materials aus dem tiefen Erdmantel, die sich in Form einer schmalen Säule zur Erdoberfläche bewegen. Durch sie wird Material aus der Tiefe an die Erdoberfläche transportiert, während an anderer Stelle Material durch die Subduktion in die Tiefe transportiert wird. Somit tragen Plumes zum Ausgleich der Massenbilanz bei und stellen daher einen wichtigen Teil der Mantelkonvektion dar.

Mantelplumes entstehen nach heutigem Wissen aus Instabilitäten einer thermischen Grenzschicht.[4] Eine solche stellt u.a. die sogenannte D"-Schicht in rund 2900 km Tiefe dar, eine Übergangszone zwischen dem flüssigen äußeren Erdkern und dem untersten Erdmantel. Diese Grenzschicht wurde über lange Jahre als die Quellregion aller beobachteten Mantelplumes diskutiert. Neuere Untersuchungen lassen jedoch vermuten, dass wenigstens ein Teil der heute postulierten Plumes in oder direkt unterhalb der Mantelübergangszone (410 km bis 660 km Tiefe) entstehen.[5],[6] Diese Zone, die den Übergang vom unteren zum oberen Mantel bildet, wird über Phasentransformationen des Minerals Olivin definiert. Der endotherme Charakter der 660-km-Diskontinuität, also der unteren Grenzschicht der Übergangszone, behindert den Aufstieg des Plumematerials und könnte als Barriere fungieren, unterhalb der sich das Material aufstaut und somit eine weitere thermische Grenzschicht erzeugt.[5] Mantelplumes geringeren Durchmessers wären demnach nicht in der Lage, in den oberen Mantel einzudringen, während Plumes mit großem Durchmesser genügend Auftrieb hätten, um ihren Aufstieg fortzusetzen.[7]

Nachdem ein Plume den zähplastischen Erdmantel durchquert hat, trifft das Material im oberen Bereich auf die festere Lithosphäre auf, wo es sich pilzförmig ausbreitet.[8] Im obersten Teil des Erdmantels überschreitet der Plume die Soliduskurve des Mantels, d. h. seine Temperatur liegt oberhalb der Temperatur, bei der Mantelgestein unter dem vorherrschenden Druck zu schmelzen beginnt. Je weiter der Plume aufsteigt, desto weiter schreitet die Aufschmelzung infolge der Dekompression fort. Die Schmelzen trennen sich vom Muttergestein ab und strömen durch bestehende Klüfte und ein Netzwerk der durch das Schmelzen gebildeten Gesteinsporen aufwärts, da sie eine geringere Dichte haben als das Gesteinsresiduum und zudem durch mechanische Spannungen im Muttergestein und den Auflastdruck ausgepresst werden. Wenn sie schließlich die Obergrenze der Schmelzzone im Mantel erreichen, können sie durch Dykes (vulkanische oder magmatische Gänge) an Schwächezonen der Erdkruste bis an die Erdoberfläche gelangen und damit Verursacher von Hotspot-Vulkanismus werden.

Erforschung[Bearbeiten]

Aufgrund der großen Tiefe entzieht sich die Quellregion der Mantelplumes einer direkten Beobachtung. Ihre Entstehung und ihr Aufsteigen können daher nur indirekt untersucht und erforscht werden. Wichtige Werkzeuge, die zum heutigen Bild der Mantelplumes geführt haben, sind numerische Modellierungen und Laborversuche. Modellierungen berechnen aus bekannten bzw. abgeleiteten physikalischen Parametern des Materials wie z.B. der Dichte oder der Viskosität in Verbindung mit fluiddynamischen Gesetzen die zeitliche Entwicklung eines aufsteigenden Plumes sowie dessen Wirkung auf das umgebende Gestein.[9],[10] In Laborversuchen wird hingegen die Entwicklung von aufsteigenden Plumes in stark verkleinertem Maßstab untersucht. Hierzu wird die Situation im Erdinneren simuliert, indem zähplastische Flüssigkeiten mit vergleichbaren Viskositäten von unten erhitzt werden, was zur Entstehung von Instabilitäten und Aufströmen führt.[11],[12] Ergebnisse beider Methoden liefern Anhaltspunkte zur Interpretation realer seismologischer Beobachtungen, die auf Effekte von Plumes zurückgeführt werden.

Geeignete seismologische Untersuchungsmethoden für die thermisch bedingten Effekte sind zum Beispiel die seismische Tomographie und die Receiver Functions. So ist die Tomographie in der Lage, die durch den heißen Aufstrom verursachte Verminderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeiten seismischer Wellen im Erdinneren aufzuspüren und deren grobe dreidimensionale Struktur aufzuzeigen.[6],[13] Die Receiver-Function-Methode hingegen wird eingesetzt, um Tiefenänderungen seismischer Grenzschichten zu kartieren, die ebenfalls durch die stark erhöhte Temperatur verursacht werden.[14],[15],[16]

Gestalt und sekundäre Effekte[Bearbeiten]

Aus der Kombination solcher Untersuchungen wird heute zurückgeschlossen, dass der schmale Schlauch eines Plumes in der Regel einen Durchmesser von einigen zehn bis wenige hundert Kilometern aufweist, während sich der Plumekopf über weitaus größere Flächen ausbreiten kann. Aus den Ergebnissen der Forschung wird weiter abgeleitet, dass die Temperatur des Aufstroms 100 °C bis 300 °C höher liegt als die des umgebenden Materials.[8],[6] Mit dem Auftreten von Mantelplumes sind eine Reihe beobachtbarer geophysikalischer Effekte verknüpft, die wissenschaftliche Erkenntnisse liefern und zur Identifizierung von Plumes bzw. deren oberflächlichen Erscheinungsbildes, den Hotspots, beitragen.

Die Flutbasalte an der Ostküste Grönlands bei Scoresbysund werden mit der Öffnung des Atlantik assoziiert und stehen vermutlich in Zusammenhang mit dem Kopf des heutigen Island-Plumes[17]

Das auffälligste unmittelbar sichtbare Phänomen ist in ozeanischen Gebieten die Ausbildung einer linearen Kette von vulkanischen Inseln und Seamounts, die letztlich zur Entwicklung des Plumemodells geführt haben. Auf Kontinenten können entsprechende Vulkanketten entstehen. Nach heutiger Ansicht werden auch Flutbasaltregionen (Large Igneous Provinces) als Zeichen von Plumeaktivität gewertet: Erreicht der niederviskose Plumekopf die Lithosphäre, kann es zu großflächiger vulkanischer Aktivität kommen, bei der in vergleichbarer Zeit wesentlich größere Mengen Magma gefördert werden als bei herkömmlichem Vulkanismus. Im späteren Stadium hingegen hinterlässt der Plumeschlauch die vergleichsweise kleinräumig ausgeprägte Vulkankette.[18],[19] Die Assoziation von Flutbasaltregionen mit dem Auftreffen des Plumekopfes hat Folgen auch für die Theorie der sogenannten Superplumes, die im folgenden Abschnitt dargestellt sind. Diese ungewöhnlich großräumigen, jedoch kurzlebigen Plumeereignisse wurden postuliert, um die Exzistenz der enorm mächtigen Flutbasaltprovinzen wie etwa den Dekkan-Trapp in Vorderindien zu erklären. Mit dem Konzept des auftreffenden Plumekopfes ist jedoch bereits eine hinlängliche Erklärung möglich. Folgerichtig werden die Dekkan-Trapp-Basalte heute mit dem Réunion-Hotspot in Verbindung gebracht,[18] auch wenn diese Interpretation nicht unumstritten ist.[20] Weitere Flutbasaltregionen sind z. B. die Paraná-Basalte in Brasilien (zum Trindade-Hotspot[18]), der Sibirische Trapp im Norden Russlands oder der Emeishan-Trapp in China. Mit den beiden letzten ist kein Mantelplume assoziiert, aufgrund ihres hohen Alters (Perm) ist jedoch unwahrscheinlich, dass die verursachenden Plumes heute noch existieren.[21]

Auswirkung der thermischen Beeinflussung der Lithosphären-Asthenosphären-Grenze unter Hawaii durch die Interaktion mit dem heißen Aufstrom des Mantelplumes: Mit fortschreitender Zeit (ältere Inseln, hinten) wird die Lithosphäre immer weiter ausgedünnt.

Ein weiterer messbarer Effekt von Plumes ist die Ausbildung einer topografischen Schwelle im Umfeld des rezenten Hotspot-Vulkanimus, sowie eine regionale Anhebung des Geoids. Ein solches Phänomen wurde am Beispiel des Hawaii-Hotspots (in der Abbildung der Hawaii-Emperor-Kette oben durch die helleren Blautöne angedeutet) untersucht. Ursprünglich wurde das Geoid-Hoch mit einem Aufstieg bedingt durch einfache thermische Expansion erklärt, Wärmeflussmessungen und der geologisch kurze Zeitraum des Aufstiegs zeigen jedoch, dass diese Erklärung allein nicht ausreicht. Ein zusätzlicher Effekt kommt durch den Aufstrom des Plumes selbst zu Stande, der zu einer dynamischen Hebung führt.[22],[23],[24]

Auswirkungen, die indirekt mit seismologischen Methoden nachweisbar sind, hat die Gegenwart eines heißen Aufstroms auch im Inneren der Erde: So führt die erhöhte Temperatur – wie im vorherigen Abschnitt erläutert – zu einer Abnahme der seismischen Geschwindigkeiten, zur Veränderung der Tiefenlage der 410-km-, der 660-km-Diskontinuitäten der Mantelübergangszone, sowie auch der Lithosphären-Asthenosphären-Grenze (Abbildung rechts).

Superplumes[Bearbeiten]

Nach einer Ende der 1980er und Anfang der 1990er veröffentlichten Theorie von Robert Sheridan (Rutgers University) und Roger Larson (University of Rhode Island) haben sich in der Kreidezeit großräumige Superplume-Aktivitäten abgespielt. Das Zentrum der Aktivitäten lag nach dieser Theorie unter dem Westpazifik. Das betroffene Gebiet hat einen Durchmesser von mehreren tausend Kilometern, ein Zehnfaches der nach gängigen Modellen durch Plumes betroffen Flächen. Aus diesem Grund wurde das Phänomen von Larson Superplume genannt.[25]

Sheridan und Larson entwickelten ihre Vorstellung von Superplume-Aktivität vor 120 Millionen Jahren auf Grund folgender Indizien:

Als heute noch sichtbaren Überreste dieses Ereignisses führte Larson den so genannten South Pacific Superswell an, einen ausgedehnten Bereich anormal dünner Ozeankruste und erhöhten Wärmeflusses im Südpazifik.

Weitere Aktivitäten von Superplumes wurden für den Jura, den Übergang vom Karbon zum Perm sowie für Proterozoikum und Archaikum postuliert. Einige Theorien führen auch vulkanische Phänomene auf anderen Himmelskörpern auf die Aktivität von Superplumes zurück, so etwa die Entstehung der Tharsis-Vulkane auf dem Mars.

Aktueller Forschungsstand[Bearbeiten]

Die Theorie der Superplumes ist in Fachkreisen noch nicht allgemein anerkannt und bleibt Arbeitsgebiet aktueller Forschung. In den zurückliegenden Jahren wurde der Begriff mangels einer eindeutigen Definition in verschiedenen Wortbedeutungen gebraucht, was zusätzliche Irritation schuf. Superplumes wurden zum Beispiel postuliert als Erklärung für das Aufbrechen früherer Großkontinente wie z.B. Pangäa.[26] Nachdem das Auftreten von massiven Flutbasaltprovinzen mittlerweile auch durch einfache Plumes beschrieben werden kann, wird die Bezeichnung Superplume in der jüngeren Literatur überwiegend nur noch für zwei Regionen verwendet, die sich aktuell durch besonders ausgedehnte Plume-Signaturen und damit verbundener Geoid-Hebungen auszeichnen. Eine davon ist die oben beschriebene South Pacific Superswell, die sich durch einen erhöhten Wärmefluss und vier Hotspots an der Oberfläche auszeichnet.[27] Ein weiterer Superplume wird unter dem afrikanischen Kontinent vermutet, der sich als eine enorm großräumige Niedriggeschwindigkeitsstruktur unter dem südlichen Teil Afrikas darstellt. Diese seismologisch abgeleitete Struktur ragt ausgehend von der Kern-Mantel-Grenze ca. 1200 km vertikal auf und könnte eine ähnliche horizontale Ausdehnung erreichen.[28],.[29]

Jüngere seismologische Studien zeigen häufiger jedoch auch Strukturen innerhalb der hypothetischen Superplumes, die durch die technisch immer weiter verbesserten Messgeräte früher nicht auflösbar waren. Die Bildung eines Superplumes aus einer Instabilität der D"-Schicht scheint aus fluiddynamischen Gesichtspunkten fragwürdig. Hingegen wird angenommen, dass benachbarte Manteldiapire durch die vom Aufstrom ausgelösten Zirkulationsströme dazu tendieren, sich aufeinander zuzubewegen. Denkbar ist daher, dass Superplumes tatsächlich eher eine Akkumulation normaler Mantelplumes sind.[30] In einer früheren numerischen Modellierung wurde allerdings gezeigt, dass eine Platte relativ kühleren Materials, das durch Subduktion bis zur Kern-Mantel-Grenze gelangt ist, eine deutlich stärkere Instabilität erzeugen könnte. Dieses Modell wäre geeignet, ein großräumiges, katastrophales Superplume-Ereignis zu beschreiben.[31]

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Joachim R. R. Ritter, Ulrich R. Christensen (Hrsg.): Mantle Plumes – A Multidisciplinary Approach. Springer Verlag, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-68045-1. (englisch)
  • Kent C. Condie: Mantle Plumes and Their Record in Earth History. Cambridge University Press, Cambridge 2001, ISBN 0-521-01472-7. (englisch)

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Frank Press, Raymond Siever: Allgemeine Geologie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1995, ISBN 3-86025-390-5.
  2. J. T. Wilson: Evidence from islands on the spreading of ocean floors. In: Nature. Bd. 197, 1963, S. 536–538.
  3. W. J. Morgan: Convection plumes in the lower mantle. In: Nature. Bd. 230, 1971, S. 42–43.
  4. D. Bercovici, A. Kelly: The non-linear initiation of diapirs and plume heads. In: Physics of the Earth and Planetary Interiors. Bd. 101, 1997, S. 119–130.
  5. a b L. Cserepes, D. A. Yuen: On the possibility of a second kind of mantle plumes. In: Earth and Planetary Science Letters. Bd. 183, 2000, S. 61–71.
  6. a b c R. Montelli u. a.: A catalogue of deep mantle plumes: New results from finite-frequency tomography. In: Geochemistry, Geophysics, Geosystems. Bd. 7, 2006, ISSN 1525-2027.
  7. G. Marquart, H. Schmeling: Interaction of small mantle plumes with the spinel-perovskite phase boundary: implications for chemical mixing. In: Earth and Platentary Science Letters. Bd. 177, 2000, S. 241–254.
  8. a b J. Korenaga: Firm mantle plumes and the nature of the core-mantle boundary region. In: Earth and Planetary Science Letters. Bd. 232, 2005, S. 29–37.
  9. T. Nakakuki, D.A. Yuen, S. Honda: The interaction of plumes with the transition zone under continents and oceans. In: Earth and Planetary Science Letters. Bd. 146, 1997, S. 379–391.
  10. N. Ribe, U.R. Christensen: Three-dimensional modeling of plume-lithosphere interaction. In: Journal of Geophysical Research. Bd. 99, 1994, S. 669–682.
  11. R.C. Kerr, C. Mériaux: Structure and dynamics of sheared mantle plumes. In: Geochemistry, Geophysics, Geosystems. Bd. 5, 2004, ISSN 1525-2027.
  12. A. Davaille, J. Vatteville: On the transient nature of mantle plumes. In: Geophysical Research Letters. Bd. 32, 2005, doi:10.1029/2005GL023029.
  13. D. Zhao: Global tomographic images of mantle plumes and subducting slabs: insight into deep Earth dynamics. In: Physics of the Earth and Planetary Interiors. Bd. 146, 2004, S. 3–34.
  14. I. Wölbern u. a.: Deep origin of the Hawaiian tilted plume conduit derived from receiver functions. In: Geophysical Journal International. Bd. 166, 2006, S. 767–781.
  15. L.P. Vinnik, V. Farra, R. Kind: Deep structure of the Afro-Arabian hotspot by S receiver functions. In: Geophysikal Research Letters. Bd. 31, 2004, doi:10.1029/2004GL019574.
  16. Li u. a.: Seismic observation of narrow plumes in the oceanic upper mantle. In: Geophysical Research Letters. Bd. 30, 2003, doi:10.1029/2002GL015411.
  17. T. Dahl-Jensen u. a.: Depth to Moho in Greenland: receiver-function analysis suggests two Proterozoic blocks in Greenland. In: Earth and Planetary Science Letters. Bd. 205, 2003, S. 379–393.
  18. a b c B. Steinberger: Plumes in a convecting mantle: Models and observations for individual hotspots. In: Journal of Geophysical Research. Bd. 105, 2000, S. 11127–11152.
  19. A. M. Jellinek, M. Manga: Links between long-lived hot spots, mantle plumes, D", and plate tectonics. In: Reviews of Geophysics. Bd. 42, 2004, doi:10.1029/2003RG000144.
  20. The Deccan beyond the plume hypothesis (engl.)
  21. A. Davaille, J. Vatteville: On the transient nature of mantle plumes. In: Geophysical Research Letters. Bd. 32, L14309, 2005, doi:10.1029/GL023029.
  22. L. Cserepes, U.R. Christensen, N.M. Ribe: Geoid height versus topography for a plume model of the Hawaiian Swell. In: Earth and Planetary Science Letters. Bd. 178, 2000, S. 29–38.
  23. J. van Hunen, S. Zhong: New insight in the Hawaiian plume swell dynamics from scaling laws. In: Geophysical Research Letters. Bd. 30, 2003, doi:10.1029/2003GL017646.
  24. P. Wessel: Observational constraints on models of the Hawaiian hot spot swell. In: Journal of Geophysical Research. Bd. 98, 1993, S. 16095–16104.
  25. Kent Ratajeski: The Cretaceous Superplume. Beitrag zu All Things Cretaceous: A Digital Resource Collection for Teaching and Learning des Science Education Resource Center (SERC), Carleton College, Northfield, Minnesota.
  26. K.C. Condie: Supercontinents and superplume events: distinguishing signals in the geologic record. In: Physics of the Earth and Planetary Interiors. Bd. 146, 2004, S. 319–332.
  27. F. Niu u. a.: Mantle transition-zone structure beneath the South Pacific Superswell and evidence for a mantle plume underlying the Society hotspot. In: Earth and Planetary Science Letters. Bd. 198, 2002, S. 371–380.
  28. S. Ni, D.V. Helmberger: Further constraints on the African superplume structure. In: Physics of the Earth and Planetary Interiors. Bd. 140, 2003, S. 243–251.
  29. S. Ni u. a.: Sharp sides to the African Superplume. In: Science. Bd. 296, 2002, S. 1850–1852.
  30. G. Schubert u. a.: Superplumes or plume clusters? In: Physics of the Earth and Planetary Interiors. Bd. 146, 2004, S. 147–162.
  31. E. Tan, M. Gurnis, L. Han: Slabs in the lower mantle and their modulation of plume formation. In: Geochemistry, Geophysics, Geosystems. Bd. 3, 1067, 2002, doi:10.1029/2001GC000238.

Weblinks[Bearbeiten]