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Magmatransport über 1.500 Kilometer

"Mantelwind" transportiert Material vom Mantelplume der Galapagosinseln bis nach Panama

Panama-Quelle
Das Wasser dieser warmen Quelle in Panama hat eine ungewöhnliche Isotopensignatur – sie passt nicht zur Lage weitab von aktiven Vulkanen. © Woods Hole Oceanographic Institution

Verborgene Ströme: Lange war rätselhaft, warum es in Panama hydrothermale Quellen und Ausgasungen gibt – denn Vulkane gibt es dort nicht. Jetzt haben Forscher das Rätsel gelöst: Im Untergrund existiert eine 1.500 Kilometer lange Verbindung zwischen Panama und dem vulkanischen Hotspot der Galapagosinseln. Möglich wird dieser Ferntransport durch eine Besonderheit in der eigentlich trennenden Subduktionszone, wie die Wissenschaftler herausfanden.

Normalerweise werden Vulkane von Magmareservoiren gespeist, die direkt unter ihnen in der Erdkruste oder im oberen Erdmantel liegen. Aus diesen Reservoiren steigen dann Magma und vulkanische Gase auf, oft entstehen durch die Hitze im Untergrund auch hydrothermale Quellen. Aus der Isotopen-Zusammensetzung der Vulkangase und der ausgeworfenen Lava lässt sich ermitteln, aus welchem Vulkangebiet oder Magmareservoir sie stammen – die Isotopensignatur ist wie ein Fingerabdruck.

Rätsel um heiße Quellen ohne Vulkane

Doch gerade dieser „Fingerabdruck“ hat in Panama und Costa Rica Überraschendes zutage gefördert. Dort existieren zahlreiche hydrothermale Quellen und Ausgasungen, obwohl es dort keine aktiven Vulkane gibt. Deshalb wollten Forscher um David Bekaert von der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) herausfinden, woher die Hitze und das vulkanische Gas kommen. Dafür nahmen sie Proben aus 65 heißen Quellen in Panama und Costa Rica und unterzogen sie Isotopenanalysen.

Das Ergebnis: „Wir haben eine unerwartete Zusammensetzung des Vulkangases gemessen“, berichtet Bekaert. Die in den Flüssigkeiten gelösten Vulkangase hatten einen ungewöhnlichen hohen Anteil des leichten Helium-Isotops Helium-3. Das aber deutet darauf hin, das die Quelle dieses Materials nicht im oberen Erdmantel liegt, wie für viele Vulkane typisch, sondern weit tiefer, wie das Team erklärt.

Woher kommt das Vulkanmaterial?

Damit sind die heißen Quellen in Panama doppelt ungewöhnlich: Sie sind nicht mit nahen Vulkanen gekoppelt und ihr Material muss aus dem Bereich des unteren Erdmantels stammen. So tiefreichende Wurzeln besitzen jedoch normalerweise nur Mantelplumes – vulkanische Hotspots, an denen besonders heiße Aufströme Magma aus den tiefen Bereichen des unteren Erdmantels nach oben transportieren. Solche Mantelplumes sind unter anderem für die Vulkane auf Hawaii, Island und den Galapagosinseln verantwortlich.

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Unter Panama jedoch liegt kein solcher Hotspot. Wie also kommen die dortigen heißen Quellen an Helium-Isotope aus dem unteren Erdmantel? Auf der Suche nach einer Erklärung haben Bekaert und sein Team als nächstes Lavaproben von den Galapagosinseln auf ihre Isotopensignaturen hin untersucht. Diese liegen zwar rund 1.500 Kilometer von Panama entfernt, stammen aber von dem am nächsten liegenden Hotspot. Tatsächlich ergaben die Analysen auffällige Übereinstimmungen.

Fernverbindung im Erdmantel

Nach Ansicht der Wissenschaftler spricht dies dafür, dass es zwischen dem Galapagos-Hotspots und den heißen Quellen in Panama eine verborgene Verbindung gibt. Durch diese 1.500 Kilometer lange „Leitung“ im oberen Erdmantel muss vulkanisches Material vom Mantelplume bis nach Mittelamerika transportiert werden. Ein solcher seitlicher Transport von Plume-Material wird schon länger diskutiert, war aber bisher kaum untersucht, wie Bekaert und seine Kollegen erklären.

Im Falle von Panama und dem Galapagos-Plume legen die geochemischen Signaturen einen solchen „Ferntransport“ nun aber nahe: „Unsere Daten passen zu einer tiefliegenden Ostwärts-Ausbreitung von Material aus dem Galapagos-Plume“, schreiben die Forscher. Das erkläre, warum aus dem unteren Mantel stammendes Material in Zentral-Panama auftauche, obwohl es dort keine aktiven Vulkane gebe.

ERdmantel
Die an der Subduktionszone westlich von Panama abtauchenden Erdplatten haben eine Lücke, durch die Material aus dem Galapagos-Mantelplume nach Osten strömen kann. © Bekaert et al./ PNAS, CC-by-nc-nd 4.0

„Fenster“ in der Barriere

Allerdings gibt es dabei ein Problem: Zwischen Galapagos und Panama liegt eine tief in den Erdmantel hineinreichende Barriere – die Subduktionszone. An dieser Plattengrenze schiebt sich ozeanische Kruste unter die kontinentale Platte Südamerikas und der Karibik und wird in die Tiefe gedrückt. Die schräg nach unten abtauchenden Erdplatten stehen dabei wie eine Wand im oberen Erdmantel.

„Von Mexiko bis Patagonien bilden subduzierte Ozeanplatten und dicke kontinentale Wurzeln eine nahezu kontinuierliche Barriere, die den Fluss im oberen Erdmantel unterbindet“, erklären Bekaert und seine Kollegen. Damit vulkanisches Material vom Galapagos-Plume nach Panama kommt, muss es diese Barriere irgendwie überwunden haben.

Tatsächlich gibt es in der Region unter Panama offenbar eine Art „Fenster“ in der subduzierten Platte, wie das Forscherteam herausfand. Diese Lücke im abgetauchten Krustenstück erlaubt eine seitliche Passage von Material. „Unsere Daten deuten darauf hin, dass kleine Stücke von Material aus dem unterem Erdmantel von einer Art ‚Mantelwind‘ durch dieses Fenster getragen wurden“, sagt Bekaert.

Auch für andere Mantelplumes relevant

Nach Ansicht der Geologen demonstrieren ihre Ergebnisse, dass vulkanisches Material von Plumes weiter seitlich verfrachtet werden kann als lange angenommen. „Über einen solchen lateralen Transport können geochemische Mantel-Heterogenitäten von vulkanischen Hotspots tausende von Kilometern transportiert werden“, schreiben die Forscher. Das habe auch potenzielle Bedeutung für andere Vulkanregionen und Mantelplumes. (Proceedings of the National Academy of Sciences, 2021; doi: 10.1073/pnas.2110997118)

Quelle: Woods Hole Oceanographic Institution, PNAS

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