Zwei Super-Reservoire im Erdmantel

Glutflüssige Wurzeln: In den Tiefe unseres Planeten gibt es zwei gewaltige Reservoire besonders heißen Magmas, wie eine neue Durchleuchtung unseres Planeten per Bebenwellen enthüllt. Aus diesen Reservoiren steigen gleich mehrere Säulen glutflüssigen Gesteins auf und speisen die vielen Hotspotvulkane der Erde. Diese Mantelplumes sind jedoch viel dicker und im oberen Teil verzweigter als bisher angenommen, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Einige Stellen im Erdmantel sind heißer als andere, an diesen Hotspots oder Mantelplumes steigt heißes Magma von der unteren Mantelgrenze bis in die Erdkruste auf und bildet Hotspot-Vulkane. Die Fraßspur eines solchen Plumes wurde vor kurzem unter Nordamerika entdeckt, aber auch unter Afrika existiert eine stabile Aufströmung heißen Gesteins.

Wie viele solcher Hotspots es aber gibt und welche von ihnen tatsächlich vom unteren Mantel bis an die Erdoberfläche reichen, war bisher unklar. Deshalb haben Scott French vom National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) am Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Kollegen nun anhand der seismischen Wellen von 273 Starkbeben der letzten 20 Jahre eine Art Tomografie unseres Planeten durchgeführt.

Zwei große Reservoire

Ihre aus diesen Daten erstellte Weltkarte zeigt erstmals, wo und wie die tiefen Mantelplumes mit Hotspotvulkanen in Verbindung stehen. „Keiner hat zuvor diese säulenförmigen Objekte den gesamten Weg vom tiefen Mantel bis an die Krustengrenze verfolgt“, sagt French.

Die neue Tomografie zeigt, dass es in unserem Planeten zwei große Reservoire von überheißem Magma im unteren Erdmantel gibt: eines unter Afrika und eines unter dem Pazifik. Diese beiden Reservoire messen rund 5.000 Kilometer im Durchmesser und stehen wahrscheinlich schon seit mindestens 250 Millionen Jahren an der gleichen Stelle.

Unerwartet dicke Säulen

Und noch etwas enthüllt die neue Durchleuchtung der Erde: Von diesen beiden Reservoiren aus steigt heißes, geschmolzenes Gestein in mehreren breiten Säulen in die Höhe – und diese sind erheblich dicker als bisher angenommen. Statt nur 100 bis 200 Kilometer im Durchmesser sind sie zwischen 600 und 1.000 Kilometer dick, wie die Forscher herausfanden.

In diesen Mantelplume-Säulen ist das Gestein mindestens 400 Grad heißer als in der Umgebung, wie die Berechnungen ergaben. Zusammen mit ihrem unerwartet großen Durchmesser spricht dies nach Ansicht der Wissenschaftler dafür, dass diese Aufstiegszonen sich nicht nur in der Temperatur, sondern auch chemisch von der Umgebung unterscheiden. Das könnte erklären, warum die Lava von Hotspotvulkanen anders zusammengesetzt ist als die der Vulkane an Plattengrenzen.

Diese 3D-Grafik zeigt die verzweigten Zuflüsse der Hotspotvulkane im Pazifik © Scott French

Mäandrierende Zuflüsse

Die neuen Analysen zeigen auch, dass die Mantelplumes weniger direkt mit den Hotspotvulkanen verbunden sind als gedacht. „Im untern Mantel sind die Säulen klar definiert und steigen bis rund 1.000 Kilometer unter der Oberfläche gerade auf“, erklärt Seniorautorin Barbara Romanowicz von der University of California in Berkeley. „Aber im oberen Teil des Erdmantels beginnen sie dann auszudünnen, sie mäandrieren und werden abgelenkt.“

Nach Ansicht der Forscher könnte das erklären, warum unter einigen Hotspotvulkanen nur flache Magmareservoire entdeckt wurden und keine direkte Verbindung in den unteren Erdmantel: Hier erreicht das Magma des ausgeweiteten Plume-Kopfes den Vulkan nur über einen der schrägen Mäanderströmungen. „Die Spitzen der Mantelplumes stehen daher zwar durchaus mit diesen Hotspotvulkanen in Verbindung, stehen aber nicht immer senkrecht unter ihnen“, so Romanowicz. Auch beim Supervulkan unter dem Yellowstone Nationalpark könnte dies der Fall sein. (Nature, 2015; doi: 10.1038/nature14876)

(University of California – Berkeley, 07.09.2015 – NPO)