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4.8: Hotspots und Mantelfedern - Geowissenschaften

4.8: Hotspots und Mantelfedern - Geowissenschaften


Ein Hotspot ist ein Ort im oberen Erdmantel, an dem extrem heißes Magma aus dem unteren Erdmantel aufsteigt, um durch die Kruste normalerweise im Inneren einer tektonischen Platte zu schmelzen und ein vulkanisches Merkmal zu bilden.
• Dies sind Hotspots unter der Lithosphäre, die durch aufsteigende Wolken aus heißem Mantelmaterial entstehen.
• Kann Vulkane an der Oberfläche bilden (Beispiele umfassen Hawaii und Yellowstone-Hotspots (Abbildungen 4-26 und 4-27).
-Vulkane sind meistens mafisch (basaltisch)), da diese Laven sehr heiß und aus tiefen Quellen sehr flüssig sind.
-Weniger verbreitet sind felsisch (rhyolithisch) Magmen, da sie dicker und weniger fließend sind.
• Hotspots können unter jedem Krustentyp (OC oder CC) auftreten.
• Wo sie eine Spur bilden, die aus einer Kette von Vulkanen besteht (wie in Hawaiis Emperor Seamount-Kette, Abbildung 4.26)
• Hotspots können zehn Millionen Jahre lang an ungefähr derselben Stelle existieren
• Das hawaiisch Hotspot existiert seit etwa 60 Millionen Jahren; der jüngste Teil der Kaiser Seebergkette.
• Der älteste Teil der Kaiserseebergkette wurde bereits subduziert (zerstört).
• Es gibt Hunderte von Hotspots auf der ganzen Welt. Einige sind größer und aktiver als andere.
• Die meisten Hotspots befinden sich unter den inneren Abschnitten von Lithosphärenplatten, aber einige treten in der Nähe von divergenten Plattengrenzen auf.
• Paläomagnetismus in Gesteinen am Meeresboden in Verbindung mit Hotspots bietet eine Methode zur Bestimmung von Geschwindigkeit und Richtung von Plattenbewegungen.
• Wir sind uns nicht sicher über den genauen Mechanismus, der Hotspots bildet, es gibt einige Ideen (siehe unten).

Hotspot des Yellowstone-Nationalparks:

• Der Yellowstone-Hotspot, der derzeit unter kontinentaler Kruste liegt (Abbildung 7.50).
• Yellowstone ist ein sehr großer und komplexer Supervulkan.
Der Yellowstone-Supervulkan befindet sich am östlichen Ende einer langen Kette von zunehmend älteren Supervulkanen, die sich entlang der Spur der Snake River Plain (Idaho, Washington und Oregon) gebildet haben.
• Der Hotspot hatte Vulkane sowohl basaltischer als auch rhyolithischer Zusammensetzung gebildet.
• Hatte in den letzten 2 Millionen Jahren dreimal große rhyolithische Eruptionen
• Dieser Hotspot scheint für weniger Zeit vorhanden gewesen zu sein als der hawaiianische Hotspot (ca. 17 Millionen Jahre).

Heißes Thema: Hängen Hotspots mit "Astrolemes" (große Asteroideneinschläge) zusammen?

Die Erde wurde in der geologischen Vergangenheit von vielen Asteroiden getroffen. Wenn die Erde keine Atmosphäre und keine aktive Plattentektonik hätte, würde sie wie der Mond stark kraterartig erscheinen!

Aktuelle Forschungen deuten darauf hin, dass massive Asteroideneinschläge die Lithosphäre tief durchdringen und brechen können, wodurch Krater mit Lava überflutet werden können – dem Magma, das sowohl durch den Einschlag als auch durch Material, das von tiefer unten an die Oberfläche strömt, erzeugt wird. Die Frage ist, mach Astrobleme einbiegen in Hotspots? Es wurde auch vorgeschlagen, dass Stoßwellen von einem massiven Aufprall durch die Erde wandern können und Energie an der "Gegenpole" - was zu einem tiefen Aufbrechen der Lithosphäre führt, was zu massiven Vulkanausbrüchen führt. Beispiele für zwei mögliche "Antipol" -Ausbrüche umfassen die Bildung des Deccan-Fallen in Indien (gegenüber dem K/T-Grenzeinschlag vor ~66 Millionen Jahren in der Region Yucatan in Mexiko. Vor etwa 250 Millionen Jahren ereignete sich ein weiterer massiver Flutausbruch, der die massive Sibirische Fallen (massive Flutbasalte, die sich um die Zeit des großen Aussterbens des Perm bildeten).


Wird Yellowstone-Vulkanismus durch eine tief sitzende Mantelfeder verursacht?

Die folgenden aktuellen Fragen und ausgewählten Ressourcen sollen Sie durch die aktuelle Debatte über die Entstehung des Yellowstone-Hotspots führen: Kommt er von Prozessen, die nur in den flachen Teilen des Erdmantels ablaufen, oder vielleicht von einem tiefer sitzenden Merkmal? eine Mantelfahne, die an der Kern-Mantel-Grenze erzeugt wird? Die auf dieser Seite verlinkten Ressourcen umfassen eine Auswahl an Web- und Nicht-Web-Ressourcen, veröffentlichten Artikeln, Abstracts und Grafiken. Direkten Links zu Webressourcen folgt ein "weitere Infos" Link, der eine kurze Beschreibung der Webressource enthält. Diese Ressourcen umfassen keineswegs eine umfassende Behandlung der Literatur zu diesem Thema, sollten Ihnen aber zumindest einen Ansatzpunkt für Ihre Untersuchung der Entstehung des Yellowstone-Hotspots bieten.


Ursprüngliches Helium, das von den heißesten Mantelplumes mitgerissen wird

Helium-Isotope sind ein wichtiges Werkzeug, um frühe Erd-, Ur-Reservoirs aufzuspüren, die im Inneren des Planeten überlebt haben. Vulkanische Hotspot-Laven, wie sie auf Hawaii und Island ausgebrochen sind, können seltene hohe 3 He/4 He-Isotopenverhältnisse (bis zum 50-fachen des gegenwärtigen atmosphärischen Verhältnisses Ra) beherbergen, verglichen mit den niedrigeren 3 He/4 He-Verhältnissen, die Mitte Ozeanrückenbasalte, die durch Schmelzen des oberen Erdmantels entstehen (ca. 8Ra Ref. 5). Eine seit langem bestehende Hypothese besagt, dass sich die 3 He/ 4 He-Domäne im tiefen Mantel befindet, unterhalb des oberen Mantels, der von Basalten der Mittelozeanischen Rücken beprobt wird, und dass auftriebsstarke Plumes aus dem tiefen Mantel hoch- 3 He/ 4 He-Material in den flachen Mantel unter von Plumes gespeisten Hotspots. Ein Problem bei dieser Hypothese ist, dass, während einige Hotspots 3 He/ 4 He-Werte von niedrig bis hoch aufweisen, andere Hotspots nur niedrige 3 He/ 4 He-Verhältnisse aufweisen. Hier zeigen wir, dass unter den Hotspots, die für Mantelplumes vorgeschlagen wurden, diejenigen mit den höchsten maximalen 3 He / 4 He-Verhältnissen hohe Hotspot-Auftriebsflüsse aufweisen und Regionen mit seismischen Anomalien niedriger Geschwindigkeit im oberen Mantel überlagern, im Gegensatz zu von Plumes gespeisten Hotspots mit nur niedrige maximale 3 He/ 4 He-Verhältnisse. Wir interpretieren die Beziehungen zwischen den 3 He/ 4 He-Werten, dem Auftriebsfluss an Hotspots und der Scherwellengeschwindigkeit des oberen Mantels so, dass heiße Plumes – die in 200 Kilometern Tiefe seismische Anomalien mit geringer Geschwindigkeit aufweisen – mehr Auftrieb haben und sowohl hoch- 3 He/ 4 He und Low- 3 He/ 4 He-Material. Im Gegensatz dazu nehmen kühlere, weniger schwimmfähige Plumes dieses 3 He/4 He-Material nicht mit. Dies kann erklärt werden, wenn die Domäne mit hohem 3 He/ 4 He-Gehalt dichter ist als in Plumes enthaltene Komponenten mit niedrigem 3 He/ 4 He-Mantel, und wenn Material mit hohem 3 He/ 4 He-Gehalt nur durch die heißesten . aus dem tiefen Mantel mitgerissen wird , die meisten Auftriebsfedern. Eine so dichte, tiefliegende 3 He/4 He-Domäne mit hohem 3 He/ 4 He-Gehalt könnte vom Konvektionsmantel isoliert bleiben, was die Erhaltung der frühen Hadean (vor > 4,5 Milliarden Jahren) geochemischen Anomalien in Laven, die dieses Reservoir beprobten, erklären könnte.


4.9 Seamounts und Hot Spots

Der Meeresboden ist übersät mit Seeberge , einige isoliert und einige in Ketten. Seamounts sind Unterwasservulkane, und die meisten sind viel jünger als die ozeanische Kruste, auf der sie sich gebildet haben. Wenn ein Seeberg groß genug wird, um die Meeresoberfläche zu durchbrechen, wird er zu einer vulkanischen Insel. Einige Seamounts werden aus Magma gebildet, das an einer divergenten Grenze aufsteigt, und wenn sich die Platten auseinander bewegen, bewegen sich die Seamounts mit, was zu einer Seamount-Kette führen kann. Andere Seamounts bilden sich aus dem aufsteigenden Magma in einer Ozean-Ozean-Subduktionszone, darunter die Aleuten, die sich von Alaska bis Russland erstrecken, und die Kleinen Antillen im östlichen Teil der Karibik. Manchmal sinkt die Kruste, auf der eine Insel oder ein Seeberg sitzt, und nimmt den Seeberg mit. In diesem Fall kann die Spitze des Seamounts flach erodiert werden, und diese Seamounts mit flacher Spitze werden dann als bezeichnet Tischhalterungen oder Guyots .

Einige Seamounts bilden sich jedoch weit entfernt von den Plattengrenzen, an Orten, an denen wir normalerweise nicht viel vulkanische Aktivität erwarten würden. Einige Seeberge und Ozeaninseln bilden sich über a Mantelfeder oder Hot-Spot — ein Ort, an dem heißes Mantelmaterial in einer stationären und semipermanenten Wolke aufsteigt und die darüber liegende Kruste beeinflusst. Man nimmt an, dass die Mantelplumes mit etwa der 10-fachen Geschwindigkeit der Mantelkonvektion ansteigen. Die aufsteigende Säule kann einen Durchmesser in der Größenordnung von Kilometern bis Dutzenden von Kilometern haben, aber nahe der Oberfläche breitet sie sich aus, um einen pilzartigen Kopf zu bilden, der einen Durchmesser von mehreren Dutzend bis über 100 Kilometern hat. In der Nähe der Basis der Lithosphäre (dem starren Teil des Mantels) schmilzt die Mantelfahne (und möglicherweise ein Teil des umgebenden Mantelmaterials) teilweise, um Magma zu bilden, das aufsteigt, um Vulkane zu ernähren.

Ein großartiges Beispiel für Seamounts, die aus einem Hot Spot entstanden sind, sind die Hawaii- und Emperor Seamount-Inselketten im Pazifischen Ozean (Abbildung 4.9.1). Der älteste der Hawaiian/Emperor Seamounts wird auf etwa 80 Ma datiert und befindet sich auf einer ozeanischen Kruste im Alter von etwa 90 bis 100 Ma. Das vulkanische Gestein, aus dem diese Inseln bestehen, wird in Richtung Südosten immer jünger und gipfelt in der Insel Hawaii selbst, die aus Gestein besteht, das fast ausschließlich jünger als 1 Ma ist. Es scheint, dass eine stationäre Wolke aus heißem aufsteigendem Mantelmaterial die Quelle des hawaiianischen Vulkanismus ist und dass sich die Ozeankruste der Pazifischen Platte über diesen Hot Spot nach Nordwesten bewegt. Ein Seamount wird durch vulkanische Aktivität über dem Hot Spot gebildet, dann bewegt sich die Platte und verdrängt den Seamount, bevor der Hot Spot den nächsten Seamount produziert und so weiter. Auf diese Weise bilden sich im Laufe der Zeit die Seamounts in Ketten. In der Nähe der Midway Islands nimmt die Kette eine deutliche Richtungsänderung ein, von Nordwest-Südost für die Hawaii-Inseln bis fast Nord-Süd für die Emperor Seamounts. Diese Änderung wird weithin einer Richtungsänderung der Pazifischen Platte zugeschrieben, die sich über die stationäre Mantelfahne bewegt, aber es ist auch möglich, dass die hawaiianische Mantelfahne während ihrer gesamten Geschichte nicht wirklich stationär war und sich tatsächlich mindestens 2.000 km nach Süden bewegt hat der Zeitraum zwischen 81 und 45 Ma.

Abbildung 4.9.1 Die Hawaiian Islands/Emperor Seamount-Kette mit jahrhundertealten ausgewählten Strukturen. Diese Kette hat sich gebildet, als sich die Pazifische Platte über einen Hot Spot nach Nordwesten bewegte (Steven Earle, “Physical Geology”).

Da sich die meisten Mantelplumes unter den Ozeanen befinden, finden die frühen Stadien des Vulkanismus typischerweise auf dem Meeresboden statt. Im Laufe der Zeit können sich sehr große Inseln wie auf Hawaii bilden. Tatsächlich ist der Mauna Loa auf der Insel Hawaii von seiner Basis auf dem Meeresboden bis zum Gipfel der größte Berg der Erde mit einer Höhe von 9700 m (im Vergleich dazu beträgt die Höhe des Gipfels des Mount Everest 8848 m .). ). Während die Insel Hawaii die jüngste in der Kette ist, gibt es tatsächlich einen neuen Vulkan namens Loihi, der noch in einer Tiefe von 980 m südöstlich von Hawaii versunken ist und eines Tages eine neue hawaiianische Insel werden könnte, wenn er 10.000 &# 8211 In 100.000 Jahren.

Es gibt Beweise für viele solcher Mantelplumes auf der ganzen Welt. Die meisten befinden sich in den Ozeanbecken, darunter Orte wie Hawaii, Island und die Galapagos-Inseln, aber einige liegen unter Kontinenten. Ein Beispiel ist der Yellowstone Hot Spot im Westen der Mitte der Vereinigten Staaten, und ein anderes ist verantwortlich für den Anahim Volcanic Belt im Zentrum von British Columbia. Es ist offensichtlich, dass Mantelplumes sehr langlebige Phänomene sind, die mindestens zehn Millionen Jahre, in einigen Fällen möglicherweise Hunderte von Millionen Jahren, andauern.

ein versunkener Berg, der sich vom Meeresboden erhebt (4.9)

die unter den Ozeanen liegende Erdkruste (im Gegensatz zur kontinentalen Kruste) (3.2)


Mantle Plume &ndash Spreading Ridge Interaktion: Eine vergleichende Studie des Roten Meeres und der Reykjanes Ridges

Als junger Mittelozeanischer Rücken ist das Rote Meer ein einzigartiges natürliches Labor zur Untersuchung der Prozesse, die das Aufbrechen und Aufbrechen des Kontinents vorantreiben. Die Rolle von Hot Spots, die häufig Mantelplumes zugeschrieben werden, beim Auslösen oder Treiben des Aufbrechens und ihre Auswirkungen auf die Krustenstruktur und Topographie ist nicht gut verstanden. Wir haben festgestellt, dass der Rücken des Roten Meeres in Bezug auf Bathymetrie, Morphologie, geophysikalische Eigenschaften, Basaltchemie und modellierte Schmelztemperatur und Druck von Primärbasalten Ähnlichkeiten mit dem Reykjanes-Rücken aufweist. Die Ergebnisse der Modellierung der Basaltschmelztemperatur stellen die Rolle der Manteltemperatur bei der Erzeugung überschüssiger Schmelze unter dem Roten Meer und den Reykjanes-Rücken in Frage. Innerhalb von 300 Kilometern um ein Hotspot-Zentrum, bestimmt durch seismische Tomographie, betragen die Übertemperaturen des Mantels bis zu 300 Grad im Vergleich zu einer Umgebungstemperatur des Mantels von etwa 1300 °C. Außerhalb dieses Radius sind Übertemperaturen nicht signifikant (weniger als 50 °C), und unwahrscheinlich, dass es zu signifikanten Schmelzanomalien kommt. Es ist wahrscheinlich, dass das südliche Rote Meer und der nördliche Reykjanes-Rücken direkt von heißen, treibenden Auftrieben der Afar- und Island-Mantelfahnen betroffen sind, und das zentrale Rote Meer und der südliche Reykjanes-Rücken könnten von dynamischem Druck im Zusammenhang mit dem aktiv aufsteigenden Mantel um den Mantelfedern.


Magmatische Prozesse und Manteldynamik

Magmatismus ist Teil unserer Forschung, von seinen Ursprüngen im unteren oder oberen Erdmantel bis hin zu den Auswirkungen seines Wassergehalts auf die Dynamik und Explosivität der eventuellen Eruptionen.

Unsere Gruppe verwendet einen interdisziplinären Ansatz mit einer breiten Palette von Techniken, von mikroanalytischen Techniken über Hochdruck-/Temperaturexperimente bis hin zu geodynamischen Modellierungen, um eine integrierte Sicht auf das Verhalten von Magma und seinen Zusammenhang mit der Manteldynamik zu entwickeln.

Laufende Projekte

Plume-Verhalten im oberen Mantel

Verständnis der Wechselwirkungen zwischen aufsteigenden Plumes und Platten, Phasenübergängen und Topographie an der Lithosphäre-Asthenosphäre-Grenze mit einer Kombination aus Petrologie, Geochemie, Geophysik und geodynamischer Modellierung .

Schlüsselpersonal: Professor Godfrey Fitton, Dr. Lara Kalnins

Langlebiger Intraplattenvulkanismus ohne Plume

Entwicklung neuer Modelle für die Bildung von langlebigem Intraplatten-Magmatismus (Hotspots), bei dem es unwahrscheinlich ist, dass eine Plume beteiligt ist, wie die Kamerun-Linie in Westafrika. Die Rolle von Mantelplumes beim Intraplatten-(Hotspot-)Magmatismus. Wir versuchen, das gesamte Spektrum der Hotspot-Mechanismen durch eine Kombination aus Petrologie, Geochemie, Geophysik und geodynamischer Modellierung zu verstehen.

Schlüsselpersonal: Professor Godfrey Fitton, Dr. Alan Hastie, Dr. Lara Kalnins, Professor Linda Kirstein

Lithosphärische Stärke und Vulkanismus

Verstehen, wie sich die Stärke und Rheologie der Lithosphäre entwickeln und mit Oberflächen- und Mantelprozessen, insbesondere Vulkanismus, interagieren. Wir untersuchen diese Prozesse sowohl durch globale Studien als auch regionale Studien, die auf Interaktionen zwischen wichtigen Lithosphärenstrukturen wie erloschenen sich ausbreitenden Rücken und Vulkanismus abzielen.

Schlüsselpersonal: Dr. Lara Kalnins

Flüchtige Stoffe im tiefen Mantel

Bildung von Basalten der Ozeaninseln und Recycling von flüchtigen Stoffen in den tiefen Mantel. Durch eine Kombination von In-situ-Isotopenmessungen (Bor, Kohlenstoff, Wasser) und Spurenelementkonzentrationen von Gläsern und Schmelzeinschlüssen aus einer globalen Reihe von Basalten von Ozeaninseln wollen wir die Entwicklung der Mantelheterogenität im Laufe der Zeit verfolgen.

Schlüsselpersonal: Dr. Cees-Jan De Hoog

Die Rolle flüchtiger Stoffe in der Eruptionsdynamik

Untersuchung des Einflusses von Halogenen und flüchtigen Phasen auf die Rheologie und das explosive Verhalten von Magmen mithilfe einer Kombination von Techniken zum Verständnis von Merkmalen wie vulkanischen Kügelchen und konservierten Texturen, was Einblicke in die Beziehungen zwischen Entgasung, überkritischen Flüssigkeiten und vulkanischen Wolken liefert.

Schlüsselpersonal: Professorin Linda Kirstein

Mantelwolken und Einblicke in die tiefe Erde

Petrologische Daten werden verwendet, um die Zusammensetzung der Erdmantelplumes und des untersten Erdmantels zu bestimmen, damit wir besser verstehen können, wie sich die primitiven Mantelreservoirs der Erde ursprünglich gebildet haben und wie sie sich in den letzten 4,6 Milliarden Jahren entwickelt haben.

Entwicklung des karibischen Ozeanplateaus

Untersuchung der magmatischen Prozesse, die das karibische ozeanische Plateau bildeten und verstehen, wie es sich schließlich zur karibischen tektonischen Platte zwischen Nord- und Südamerika entwickelt hat.

Techniken und Einrichtungen

Unsere Gruppe verwendet eine breite Palette von Techniken und Einrichtungen, um unseren multidisziplinären Ansatz zu unterstützen.

Zu den hausinternen Einrichtungen gehören:

  • Röntgenfluoreszenzspektrometrie
  • Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma
  • Analysen mit Elektronenmikrosonden
  • NERC-Ionenmikrosondenanlage (IMF)
  • NERC anerkannte experimentelle geowissenschaftliche Einrichtung (XG)

Zu den Einrichtungen der Universität gehören:

Veröffentlichungen

(2020) Gleichzeitiger Intraplatten-Magmatismus an konjugierten Südatlantikrändern: Ein Hotspot-Rätsel. Earth and Planetary Science Letters, Band 536, 116147.

*Autoren: Guimarães, A. R., Fitton, J. G., Kirstein, L. A., Barfod, D. N.

(2021) Borisotopensignaturen von Schmelzeinschlüssen aus Nordisland zeigen recyceltes Material in der isländischen Mantelquelle. Geochimica und Cosmochimica Acta, Band 294.

*Autoren: Hartley M., De Hoog J.C.M., Shorttle, O.

(2020) Aus überkritischen Flüssigkeiten kondensierte Vulkankügelchen in der Vulkanprovinz Payenia, Argentinien. Zeitschrift der Geologischen Gesellschaft.

*Autoren: Kirstein, L. A., Kanev, S., Fitton, J. G., Turner, S., EIWF.

(2021) Nordost- oder Südwest-eintauchende Subduktion im kreidezeitlichen karibischen Tor? Lithos, Bände 386–387.

*Autoren: Hastie, A. R., Cox, S., Kerr, A.C.

(2019) Untersuchung der Quellheterogenität der Ozeaninselmantelquellen mit Borisotopen in Schmelzeinschlüssen. Earth and Planetary Science Letters, Band 508, 15. Februar 2019, Seiten 97-108.

*Autoren: Walowski, K. J., Kirstein, L. A., De Hoog, J. C. M., Elliot, T., Savov, I.P., Jones R.E., EIWF.

(2018) Die Morphologie der Tasmantiden-Seamounts: Wechselwirkungen zwischen tektonischer Vererbung und magmatischer Evolution. Geochemie, Geophysik, Geosysteme.

*Autoren: Richards, F.D., Kalnins, L. M., Watts, A. B., Cohen, B. E. , Beaman, R. J.

(2016) Die Zusammensetzung der Mantelplumes und der tiefen Erde. Earth and Planetary Science Letters, Band 444, Seiten 13-25.


Antike Anker

Das neue Bild zeigt auch, dass die Basen dieser Plumes an der Kern-Mantel-Grenze in zwei riesigen Klumpen aus heißem Gestein mit einem Durchmesser von jeweils etwa 5000 Kilometern verankert sind, die wahrscheinlich dichter sind als das umgebende Gestein. Romanowicz schätzt, dass diese beiden Anker, die sich unter Afrika und dem Pazifischen Ozean direkt gegenüberliegen, seit 250 Millionen Jahren an denselben Stellen liegen.

French und Romanowicz, die auch mit dem Institut de Physique du Globe und dem Collège de France in Paris verbunden sind, veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Ausgabe des britischen Journals vom 3. September 2015 Natur.

Die meisten der bekannten vulkanischen Hotspots sind mit Wolken aus heißem Gestein (rot) verbunden, die von zwei Stellen auf dem Bondary zwischen dem Metallkern und dem felsigen Mantel 1.800 Meilen unter der Erdoberfläche aufsteigen.

Die Erde ist wie eine Zwiebel geschichtet. Eine äußere Kruste enthält die Ozeane und Kontinente, während unter der Kruste ein dicker Mantel aus heißem, aber festem Gestein mit einer Dicke von 2.900 Kilometern liegt. Unterhalb des Mantels befindet sich der äußere Kern, bestehend aus flüssigem, geschmolzenem Eisen und Nickel, der einen inneren Kern aus festem Eisen im Zentrum des Planeten umhüllt.

Durch den heißen Kern erhitzt, hebt und senkt sich das Gestein im Mantel wie sanft köchelndes Wasser in einer Pfanne, allerdings erfolgt diese Konvektion viel langsamer. Seismologen schlugen vor etwa 30 Jahren vor, dass stationäre Wolken aus heißem Gestein im Mantel gelegentlich durch die Kruste stanzten, um Vulkane zu erzeugen, die bei der Bewegung der Kruste Inselketten wie die Galapagos, die Kapverden und die Kanarischen Inseln erzeugten.

Die Hawaii-Inseln zum Beispiel bestehen aus dem 5 Millionen Jahre alten Kauai im Westen, aber immer jüngeren Inseln im Osten, weil sich die Pazifische Platte nach Westen bewegt. Der neueste Ausbruch, Loihi, wächst immer noch unter Wasser östlich der jüngsten Insel der Kette, Hawaii.

Bisher waren die Beweise für die Plume- und Hotspot-Theorie nur Indizien, und einige Seismologen argumentierten stattdessen, dass Hotspots sehr flache Becken aus heißem Gestein sind, die Magmakammern unter Vulkanen speisen.

Romanowicz, der seismische Wellen verwendet, um das Erdinnere zu untersuchen, hatte zuvor zusammen mit French, damals Doktorand, an einem tomographischen Modell der oberen 800 Kilometer des Erdmantels gearbeitet, das periodisch heiße und kalte Gesteinsregionen unter Hotspot-Vulkanen zeigte. Die neue Studie vervollständigt dieses Bild bis zur Kern-Mantel-Grenze.

Sie stellte fest, dass, wenn nur höhere Temperaturen für die steigenden Wolken verantwortlich wären, sie nur 100-200 km breit wären und sich nur dann aufblähten, wenn sie sich der Oberfläche näherten. Die Tatsache, dass sie im unteren Erdmantel fünfmal breiter zu sein scheinen, lässt vermuten, dass sie sich auch chemisch vom umgebenden kühleren Gestein unterscheiden.

Dies unterstützt Modelle, bei denen das Material in der Plume eine Mischung aus normalem Mantelgestein und Urgestein aus dem dichten Gestein ist, das die Plume an der Kern-Mantel-Grenze verankert. Tatsächlich ist bekannt, dass sich Lava, die aus Hotspot-Vulkanen austritt, chemisch und isotopisch von Lava anderer Vulkane unterscheidet, wie etwa jenen, die in Subduktionszonen ausbrechen, in denen die Erdkruste in den oberen Mantel eintaucht.

Die Supercomputeranalyse hat nicht unter allen Hotspot-Vulkanen, wie etwa denen im Yellowstone-Nationalpark, Schwaden entdeckt. Die Schwaden, die sie ernähren, könnten angesichts der rechnerischen Grenzen der globalen Modellierungstechnik zu dünn sein, um entdeckt zu werden, sagte French.


Nur die heißesten und schwimmfähigsten Mantelfedern schöpfen aus einem Urreservoir tief in der Erde

Hauptautor Matthew Jackson probiert hawaiianische Lava mit einem Steinhammer. Quelle: WHOI-Programm für Geodynamik

Der Erdmantel – die Schicht zwischen der Kruste und dem äußeren Kern – beherbergt eine Ursuppe, die noch älter ist als der Mond. Zu den Hauptbestandteilen gehört Helium-3 (He-3), ein Überbleibsel des Urknalls und der Kernfusionsreaktionen in Sternen. Und der Mantel ist seine einzige irdische Quelle.

Wissenschaftler, die vulkanische Hotspots untersuchen, haben starke Beweise dafür und fanden in einigen Plumes, den Auftrieben aus dem tiefen Erdmantel, einen hohen Helium-3-Wert im Vergleich zu Helium-4. Ursprüngliche Reservoirs in der tiefen Erde, die von einer kleinen Anzahl vulkanischer Hotspots weltweit beprobt wurden, haben diese alte He-3/4-Signatur.

Inspiriert von einem Papier aus dem Jahr 2012, das eine Korrelation zwischen solchen Hotspots und der Geschwindigkeit seismischer Wellen vorschlug, die sich durch das Erdinnere bewegen, arbeitete Matthew Jackson, der Geochemiker der UC Santa Barbara, mit den Autoren des Originalpapiers zusammen – Thorsten Becker von der University of Texas at Austin Jackson School of Geosciences und Jasper Konter von der University of Hawaii – um zu zeigen, dass nur die heißesten Hotspots mit der langsamsten Wellengeschwindigkeit aus dem primitiven Reservoir stammen, das sich früh in der Geschichte des Planeten gebildet hat. Ihre Ergebnisse erscheinen in der Zeitschrift Natur.

“Wir nutzten die Seismologie des flachen Erdmantels – die Geschwindigkeit, mit der seismische Wellen durch die Erde unterhalb ihrer Erdkruste wandern –, um Rückschlüsse auf den tieferen Erdmantel zu ziehen“, sagte Jackson, Assistenzprofessor am Department of Earth Science der UCSB . “Bei 200 km weist der flache Mantel die größte Variabilität der seismischen Geschwindigkeiten auf – mehr als 6 Prozent, was viel ist. Darüber hinaus korreliert diese Variabilität, von der wir annehmen, dass sie mit der Temperatur zusammenhängt, mit He-3.”

Für ihre Studie verwendeten die Forscher die neuesten seismischen Modelle der Geschwindigkeitsstruktur der Erde und 35 Jahre Heliumdaten. Als sie ozeanische Hotspots mit hohen He-3/4-Werten mit seismischen Wellengeschwindigkeiten verglichen, stellten sie fest, dass diese die heißesten Hotspots darstellen, mit seismischen Wellen, die sich langsamer bewegen als in kühleren Gebieten. Sie analysierten auch den Auftriebsfluss von Hotspots, mit dem gemessen werden kann, wie viel Schmelze ein bestimmter Hotspot produziert. Auf Hawaii, den Galapagos-Inseln, Samoa und der Osterinsel sowie in Island wiesen Hotspots einen hohen Auftrieb auf, was eine physikalische Grundregel bestätigt: Je heißer, desto mehr Auftrieb.

“Wir haben festgestellt, dass ein Hotspot umso mehr Schmelze produziert, je höher der Auftriebsfluss der Hotspots ist, und desto wahrscheinlicher ist es, dass er hohe He-3/4 aufweist,” Jackson. “Heissere Plumes haben nicht nur eine langsamere seismische Geschwindigkeit und einen höheren Hotspot-Auftriebsfluss, sie sind auch diejenigen mit dem höchsten He-3/4. Dies alles passt gut zusammen und ist das erste Mal, dass He-3/4 mit flachen Mantelgeschwindigkeiten und Hotspot-Auftrieb weltweit korreliert wurde.”

Becker, der eine Stelle im Department of Geological Sciences and Institute for Geophysics der Jackson School innehat, stellte fest, dass Korrelation keine Kausalität impliziert, “ aber es ist ziemlich geschickt, dass wir zwei starke Korrelationen gefunden haben, die beide auf denselben physikalisch plausiblen Mechanismus hinweisen: das urtümliche Zeug wird bevorzugt von den schwimmfähigsten thermochemischen Auftrieben aufgenommen.”

Die Autoren wollten auch wissen, warum nur die heißesten, schwimmfähigsten Plumes hohe He-3/4-Werte aufweisen.

“Die Erklärung, die wir gefunden haben – die Leute, die numerische Simulationen durchführen, seit langem vorschlagen – ist, dass dieses Reservoir mit primitivem Helium wirklich dicht sein muss, damit nur die heißesten und schwimmfähigsten Wolken mitgerissen werden können etwas davon an die Oberfläche,&8221 sagte Jackson. “Das macht Sinn und erklärt auch, wie etwas so Altes 4,5 Milliarden Jahre in dem chaotisch konvektiven Mantel überleben konnte. Der Dichtekontrast macht es wahrscheinlicher, dass das uralte Heliumreservoir erhalten bleibt und nicht weggemischt wird.”

“Da diese Korrelation von Geochemie und Seismologie nun von Heliumisotopen in dieser Arbeit bis zu den von uns untersuchten Zusammensetzungen im Jahr 2012 gilt, scheint es, dass die geochemischen Variationen der Hotspots insgesamt aus der Sicht des Auftriebs erneut untersucht werden müssen,” Konter schloss .

Das Originalfassung dieser Pressemitteilung wurde auf der UC Santa Barbara-Homepage veröffentlicht.

Für weitere Informationen kontaktieren: Anton Caputo, Jackson School of Geosciences, 512-232-9623 Monica Kortsha, Jackson School of Geosciences, 512-471-2241.


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