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„Kalte“ Hotspots geben Rätsel auf

Magma einiger Mantelplumes ist eigentlich nicht heiß genug, um im Erdmantel aufzusteigen

Lavasee
Hotspot-Vulkane, wie hier auf Hawaii, werden gängiger Theorie nach von Mantelplumes gespeist – besonders heißen Magma-Auftrömen.© ErtaAle/ iStock

Widerspruch zu den Modellen: Einige vulkanische Hotspots sind weit kühler als sie sein dürften, wie Geoforscher herausgefunden haben. Demnach ist das Magma dieser Mantelplumes eigentlich nicht heiß genug, um vom unteren Erdmantel bis an die Oberfläche zu steigen – und wiederspricht damit gängiger Theorie. Wie diese Diskrepanz zu erklären ist und warum diese Hotspots dennoch existieren, bleibt vorerst offen, wie das Team im Fachmagazin „Science“ berichtet.

Ob Hawaii, Island, die Galapagosinseln oder die Eifel: Diese Vulkangebiete erhalten ihre Hitze und ihr Magma nicht von einer Plattengrenze, sondern von einem Mantelplume. In solchen Hotspots steigt Magma aus den tiefen des unteren Erdmantels an die Oberfläche. Gängiger Theorie nach ist dies aber nur dann möglich, wenn das geschmolzene Gesteinsmaterial mindestens 100 bis 150 Grad heißer ist als seine Umgebung – nur dann reicht der Auftrieb aus.

Hotspotkarte
Typischerweise liegen Hotspot-Vulkane abseits der Plattengrenzen. © USGS/ Eric Gaba

Nicht alle Hotspots sind heiß genug

Ob das wirklich so ist, haben nun Xiyuan Bao von der University of California in Los Angeles und seine Kollegen überprüft. Für ihre Studie nutzten sie seismische Wellen als „Temperaturfühler“, um die Hitze unter knapp 50 Hotspotvulkanen mit der unter „normalen“ Vulkanen an mittelozeanischen Plattengrenzen zu vergleichen.

Das Ergebnis: Betrachtet man den Mittelwert aller Hotspotvulkane, sind sie tatsächlich heißer als die mittelozeanischen Rücken – ihre Temperatur liegt im Schnitt bei 1.527 Grad, die der Rücken bei 1.377 Grad. Doch schaut man näher hin, ändert sich das Bild: Ein Teil der Hotspots ist deutlich kühler als er sein dürfte, wie die Forscher berichten. Die Temperaturdifferenz dieser Hotspots zur Umgebung liegt unter der für den Mantelplume-Auftrieb postulierten Grenze.

Drei Gruppen von Hotspots

Konkret enthüllten die Daten, dass es drei Gruppen von Hotspots gibt: 45 Prozent der Mantelplumes sind heiß – ihre Temperatur liegt mehr als 155 Grad über der der mittelozeanischen Rücken. Zu diesen gehören unter anderem Island, Galapagos, Hawaii, die Komoren oder Samoa. Die zweite Gruppe bilden „warme“ Hotspots, deren Differenz-Temperatur zwischen 50 und 138 Grad liegt. Sie machen 40 Prozent der Hotspots aus und umfassen unter anderem die Kanaren, die Azoren oder das Kerguelen-Plateau.

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15 Prozent der Hotspots sind hingegen „kalt“: Ihr Magma ist weniger als 36 Grad wärmer als die Mantel-Umgebung. „Insgesamt betrachtet zeigen unsere Daten damit, dass fast ein Drittel aller von einem Mantelplume gespeisten Hotspots unterhalb des Minimums für die Plume-Dynamik liegt“, konstatieren Bao und sein Team. Weil das Magma dieser Vulkane weniger als 100 Grad heißer ist als seine Umgebung, dürfte es ihm nicht gelingen, aus dem unteren Erdmantel bis an die Oberfläche aufzusteigen.

Hotspot-Gruppen
Über seismische Tomografie identifizierte das Team drei Gruppen von Hotspots: heiße, warme und kalte. © Boontigan Kuhasubpasin, Xiyuan Bao, Carolina Lithgow-Bertelloni

Erklärung gesucht

Um ganz sicher zu gehen, überprüften die Forscher zusätzlich, ob etwaige Beimischungen von „recyceltem“ Krustenmaterial eine Rolle spielen könnten. Doch die Tests ergaben, dass solche Beimischungen den Auftrieb des Magmas sogar noch weiter verringern. „Die Zugabe von Eklogitgesteinen kann daher die kalten Hotspots nicht erklären“, so Bao und seine Kollegen.

Eine weitere Erklärung wäre theoretisch, dass die Mantelplumes zu schmal sind, um in den seismischen Messungen sauber aufgelöst zu werden. Allerdings müssten kleine Hotspots sogar noch heißer sein, um den nötigen Auftrieb auf dem Weg von der Kern-Mantel-Grenze zur Oberfläche zu halten. Denkbar wäre auch, dass die kühlen Hotspots durch Strömungen im oberen Erdmantel gefangen und abgekühlt werden – aber auch dafür kommen nur einige Vulkangebiete in Frage.

Widerspruch zur Theorie

„Was auch immer die Erklärung sein mag: Diese Hotspots passen nicht zum klassischen Plume-Modell“, konstatieren die Wissenschaftler. Ein substanzieller Teil der vulkanischen Hotspots widerspricht demnach der gängigen Theorie. Was das Geheimnis dieser „unmöglichen“ Mantelplumes ist und warum sie trotz ihrer zu niedrigen Temperatur existieren, müssen nun weitere Forschungen zeigen. (Science, 2022; doi: 10.1126/science.abj8944)

Quelle: American Association for the Advancement of Science (AAAS)

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