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Mantelplume: Aufstieg von heissem Material im Erdinneren

Wie heisses Gestein im Erdmantel gebremst wird

Gigantische Volumen heissen Gesteinsmaterials, die aus dem Erdmantel bis zur Lithosphäre aufsteigen, haben das Gesicht unseres Planeten geprägt. Sie führen, bei ausreichender Grösse, zum Auseinanderbrechen von Kontinenten und sind auch verantwortlich für das Massen-Aussterben in bestimmten Phasen der Erdgeschichte. Bisher nahm man an, dass diese - Mantelplumes genannten - riesigen Gesteinsströme aufgrund ihrer hohen Temperatur direkt aus dem tiefen Erdmantel aufsteigen können. Ein Team von Geodynamik-Modellierern des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ berichtet nun in der aktuellen Ausgabe von Nature Communications über mögliche Hindernisse, die den Aufstieg solcher Mantelplumes verhindern können und unter welchen Bedingungen das Gestein doch die Lithosphäre erreichen kann. Die Geoforscher konnten dabei zugleich Widersprüche in den bisherigen Modellvorstellungen auflösen.

Mantelplume
Riesige Gesteinsströme, welche aufgrund ihrer hohen Temperatur direkt aus dem tiefen Erdmantel aufsteigen.

Die grössten auf der Erde stattfindenden magmatischen Ereignisse beruhen auf dem massenhaften Schmelzen von aus dem tiefen Erdmantel aufsteigendem heissem Gestein. Spuren solcher Ereignisse der Erdgeschichte finden sich an der Erdoberflächeim Gestein von so genannten magmatischen Grossprovinzen (Large Igneous Provinces) findet. Die bisherige Vorstellung war, dass das heisse Gestein im tiefen Erdmantel aufgrund seiner hohen Temperatur einen starken Auftrieb besitzt, daher aufsteigt und die darüber liegende Erdoberfläche um mehr als einen Kilometer anhebt. Ausserdem wurde bisher angenommen, dass diese Mantelplumes eine pilzartige Form besitzen: Zuerst steigt Material in einer breiten, kugelartigen Struktur auf, in seiner Schleppe folgt ein wesentlich dünnerer Auftiegskanal, der einen entschieden schmaleren Radius von etwa hundert Kilometern besitzt.

Das Problem: diese Modellvorstellung stimmt in vielen Fällen nicht mit geologischen und geophysikalischen Beobachtungen überein, die breitere Aufströmungszonen und eine geringere topografische Hebung vermuten lassen.

Die Lösung liegt in Beobachtungen der Plattentektonik: An vielen Stellen auf der Erde sinkt der Ozeanboden in den Erdmantel, wie etwa in den Subduktionszonen rund um den Pazifik. Dieses Gesteinsmaterial taucht offenbar während Millionen von Jahren bis in grosse Tiefen in den Erdmantel ein. Dieser frühere Ozeanboden besitzt eine andere geochemische Zusammensetzung als der umgebende Erdmantel und hat eine höhere Dichte. Wenn dieses Gestein mit dem heissen Gestein des Mantelplumes vermischt wird, was geochemische Analysen von Gesteinen aus magmatischen Grossprovinzen vermuten lassen, verringert sich so der Auftrieb des Plumes. Damit stellt sich aber die Frage, ob das heisse Material noch leicht genug ist, um auch durch aus dem unteren Erdmantel bis zur Oberfläche aufzusteigen.

GFZ-Wissenschaftlerin Juliane Dannberg: "Unsere Computermodelle zeigen, dass einerseits die Temperaturunterschied zum Umgebungsgestein hoch genug sein muss, damit der Auftrieb am Entstehungsort des Plumes im unteren Mantel ausreicht, um den Aufstieg beginnen zu lassen. Andererseits muss das Volumen des aufsteigenden Gesteins ausreichend gross sein, um eine Zone im oberen Erdmantel durchqueren zu können, wo Drücke und Temperaturen im Gestein zu Bildung von Mineralen führen, die wesentlich schwerer als das Umgebungsgestein sind."

Unter diesen Bedingungen entstehen zum einen Mantelplumes mit so geringem Auftrieb, dass sie nicht zu massivem Vulkanismus und Naturkatastrophen führen, sondern sogar im Mantel stecken bleiben. Andererseits sind diejenigen Mantelplumes, die den gesamten Mantel durchqueren konnten, viel weiträumiger, verbleiben über Hunderte von Millionen Jahren im Erdmantel und heben die Erdoberfläche um nur um wenige hundert Meter an, wie es auch in der Natur beobachtet wird.

Originalveröffentlichung

Dannberg, J. and Sobolev, S.V., "Low-buoyancy thermochemical plumes resolve controversy of classical mantle plume concept", Nature Communications, 24.04.2015, doi: 10.1038/ncomms7960

Quelle: Text und Bilder Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, April 2015
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