Mantelplume

Studie zeigt: Mantelplumes dienen als Gold-Pipelines

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Lavastrom am Kilauea auf Hawaii könnte Gold enthalten. © Marc Szeglat

Vulkane vom Hawaii-Typ fördern Edelmetalle aus dem Erdkern – Mantelplumes dienen als Pipelines

Gold ist ein begehrtes Edelmetall außerirdischen Ursprungs, das besonders in Krisenzeiten, wie wir sie aktuell erleben, als Wertanlage gefragt ist. Dabei war es lange rätselhaft, wie das schwere Edelmetall bis an die Erdoberfläche gelangt, denn eigentlich dürfte es nur im Erdkern vorkommen: Gold ist nicht irdischen Ursprungs und das Element mit der Ordnungszahl 79 entsteht nur bei der Kollision von Neutronensternen und in Supernovaexplosionen. Die gängige Theorie zu seinem irdischen Ursprung besagt, dass es in der Frühphase der Erdentstehung – als unser Planet noch keine feste Kruste hatte – durch die Kollision extrasolarer Asteroiden auf die Erde gelangte, die mit ihr verschmolzen. Aufgrund der Schwere des Goldes ist es bis in den Erdkern abgesackt, wo es aufgrund einer kaum überwindbaren Übergangsschicht zum Erdmantel eigentlich noch heute gefangen sein müsste.

Eine neue Studie von Forschern der Universität Göttingen zeigt nun, dass Gold und andere schwere Edelmetalle wie Platin und Ruthenium mit Hilfe von tief wurzelnden Mantelplumes bis in die Erdkruste und sogar darüber hinaus gelangen konnten, was sich darauf bezieht, dass die Edelmetalle mit der Lava an Vulkanen gefördert werden können. Bei diesen Vulkanen handelt es sich um Hotspot-Vulkane vom Hawaii-Typ, die von solchen tief wurzelnden Mantelplumes gespeist werden.

So untersuchten die Forscher Lavagesteine von Hawaii und folgten der Spur von Rutherium und Wolfram-Isotopen. Dank neuer hochpräziser Analysemethoden gelang es, feine Unterschiede im Isotopenverhältnis von Ruthenium, insbesondere beim Isotop ¹⁰⁰Ru, sichtbar zu machen. Diese Unterschiede lassen sich nicht durch Mantelprozesse allein erklären, sondern deuten auf eine Komponente hin, die ursprünglich aus dem Erdkern stammt.

Die Ergebnisse zeigen, dass bestimmte Lavaproben aus Hawaii eine Ruthenium-Isotopensignatur enthalten, die nur durch eine Beimischung von kernbürtigem Material entstehen kann. Dies legt nahe, dass tief im Erdinneren thermochemische Prozesse stattfinden, bei denen kleine Mengen metallischen Materials – darunter auch Gold – aus dem Kern in den unteren Mantel migrieren können.

Begleitende Modellrechnungen deuten darauf hin, dass riesige Mengen überhitzten Gesteins an der Kern-Mantel-Grenze entstehen und über geologische Zeiträume hinweg mit Hilfe von Mantelplumes bis an die Erdoberfläche aufsteigen können. Solche Mantelplumes bilden unter anderem die Grundlage für die Entstehung ozeanischer Inseln wie Hawaii.




Doch woher stammt etwa das Gold, das am russischen Vulkan Tolbatschik eruptiert wird? Diese Frage beantwortet die Studie nicht, sie liefert aber Raum für Spekulationen. Der Vulkan liegt auf der sibirischen Halbinsel Kamtschatka und seine Lava enthält bekanntermaßen vergleichsweise viel des edlen Metalls. Bei den Vulkanen Kamtschatkas handelt es sich aber nach den gängigen Lehrmeinungen um Subduktionszonenvulkane, deren Schmelze im oberen Erdmantel durch partielles Schmelzen subduzierten Ozeanbodens entsteht. Nun gibt es die Möglichkeit, dass unter Kamtschatka ein bis jetzt nicht bekannter Mantelplume liegt (was von einigen Forschern tatsächlich diskutiert wird), oder aber, dass die Ozeankruste, aus der die Schmelzen entstehen, besonders goldreich ist. Hier käme dann wieder Hawaii ins Spiel, denn entlang des Kamtschatka-Grabens taucht der Ozeanboden des Teils der pazifischen Platte, auf dem die Inselkette von Hawaii liegt, in den Erdmantel ab. Tatsächlich werden bereits erodierte Seamounts subduziert, die vor Jahrmillionen über dem Hawaii-Hotspot entstanden. Kamtschatka ist also das Krematorium von Hawaii und das Gold, das mit der Lava dort gefördert wurde, wird recycelt. Die Erde verschwendet nichts.

Man könnte den Ruthenium-Isotopen-Nachweis auch als Methode benutzen, um einen möglichen Kamtschatka-Mantelplume nachzuweisen. Natürlich liefert die Erkenntnis aus der Studie auch Hinweise auf mögliche Goldlagerstätten. Nicht zu leugnen ist, dass viele Goldlagerstätten in der Nähe von Hotspotvulkanen und anderen tief hinab reichenden Magmaquellen wie Plutone liegen. (Quellen: Pressemeldung Uni Göttingen, Studie in natur.com)

Riftvalley: Studie liefert Indizien für Superplume-Theorie

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Lavasee im Nyiragongo-Krater im Riftvalley. © Marc Szeglat

Ein Kontinent zerreißt – Das Ostafrikanische Rift und die Superplume-Theorie

Der Osten des afrikanischen Kontinents wird von einem tiefen Graben durchzogen, der von Mosambik bis zum Roten Meer reicht und seine Finger sogar bis in den Libanon ausstreckt. An diesem über 6.000 Kilometer langen Graben droht Afrika zu zerbrechen – und er könnte die Geburtsstätte eines neuen Ozeans sein, dessen Verlauf von einer Reihe von Sodaseen an seinem Boden markiert wird. Entlang des Ostafrikanischen Grabenbruchs, der kurz Riftvalley genannt wird, erstrecken sich nicht nur Seen, sondern auch Vulkane. Diese einzigartige Landschaft ist sichtbarer Ausdruck eines Prozesses, der tief im Erdinneren beginnt: der Plattentektonik.

Riftvalley- Karte. © WIKIPEDIA CC

Geografisch besteht das Rift aus zwei Hauptästen. Der östliche Riftarm verläuft durch Äthiopien, Kenia und Tansania, während der westliche Arm entlang der großen Seen Ostafrikas – wie dem Tanganjikasee oder dem Malawisee – verläuft. Gemeinsam bilden die beiden Arme eine Zone, in der sich die Afrikanische Kontinentalplatte langsam, aber unaufhaltsam in zwei Teile aufspaltet: die Nubische und die Somalische Platte. In einigen Millionen Jahren könnten sich die beiden Platten so weit voneinander entfernt haben, dass sich zwischen ihnen ein Ozean befindet und die Somalische Platte eine große Insel bildet.

Die Bewegung dieser Platten ist langsam und beträgt nur wenige Millimeter pro Jahr. Wo sich die Erdkruste dehnt und auseinanderzieht, entstehen tiefe Störungen und der Boden senkt sich ab. Magma steigt auf und formt Vulkane wie den Nyiragongo, den Erta Ale und den exotischen Ol Doinyo Lengai.

Plattentektonik oder Superplume als Motor der Erddynamik unter dem Riftvalley?

Brodelnde Lava. © Marc Szeglat

Doch was treibt diesen gewaltigen Prozess an? Neben den bekannten Spannungen durch Plattenbewegungen gerät seit Jahren eine andere Erklärung in den Fokus: die Superplume-Theorie. Diese besagt, dass unter Ostafrika ein riesiger, heißer Aufstrom von Magma aus dem tiefen Erdmantel – eine sogenannte Mantelplume – die Lithosphäre von unten aufwölbt, erwärmt und schwächt. In der Folge wird das Auseinanderbrechen der Kontinentalplatte erleichtert. Hinweise auf die Existenz eines Superplumes lieferten Modelle des Untergrunds, die mithilfe der seismischen Tomografie erstellt wurden. Die Modelle deuten auf ungewöhnlich hohe Temperaturen und eine geringere Dichte im unteren Mantel unter Ostafrika hin. Diese thermische Anomalie könnte erklären, warum genau hier ein vom Vulkanismus begleiteter Rifting-Prozess stattfindet.

Untersuchungen von Proben vulkanischer Gesteine, die von den Vulkanen des Rifts stammen, zeigten jedoch eine ungewöhnliche Heterogenität der Vulkanite, weswegen einige Forscher der Meinung sind, dass man es mit zwei einzelnen Mantelplumes zu tun hat, die nur an der Basis im tiefen Erdmantel miteinander verbunden sind. Einer dieser Plumes soll sein Zentrum unter Äthiopien haben, der andere unter Kenia und Tansania liegen.

Kritiker der Theorie sehen in der Superplume eine überflüssige Erklärung. Sie argumentieren, dass die beobachteten Phänomene auch durch oberflächennahe tektonische Prozesse erklärbar sind – etwa durch Spannungen im Zusammenhang mit der Bewegung der Afrikanischen Platte und benachbarten Mikroplatten.

Edelgas-Isotopen-Analyse belegt eine gemeinsam Quelle im tiefen Erdmantel

Nun hat eine neue Studie Indizien gefunden, dass doch etwas an der Superplume-Theorie dran sein könnte: Die Forscher um Fin Stuart und Biying Chen von der University of Glasgow untersuchten magmatische Gase des neu erschlossenen Menengai-Geothermalfelds in Kenia. Sie konzentrierten sich in ihren Analysen auf Spuren der Edelgase Helium und Neon und schlossen auch Kohlendioxid-Analysen mit ein. Die Gase und Fluide aus den Bohrungen des Geothermalfelds sind bei ihrer Entnahme noch nicht der Atmosphäre ausgesetzt gewesen, weswegen sie reiner sind als etwa Gasproben, die man an Fumarolen gewonnen hat. Ihre Analyse zeigte, dass die Isotope der Edelgase aus dem tiefen Erdmantel stammen. Darüber hinaus wurden sie mit den Neon- und Helium-Isotopen verglichen, die aus Fluideinschlüssen in Vulkaniten unterschiedlicher Riftvulkane stammten. Die Analyse bestätigte, dass die Isotopen-Signaturen identisch sind – was als Beweis angesehen werden kann, dass sie von einer gemeinsamen Quelle stammen. Bei dieser Quelle könnte es sich um den Superplume handeln.

(Quelle: Forschungsarbeit „Neon Isotopes in Geothermal Gases From the Kenya Rift Reveal a Common Deep Mantle Source Beneath East Africa“ | AGU)

Vulkaneifel: Schwache Erdbeben nahe Laacher-See-Vulkan

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Drei schwache Erdbeben nahe des Laacher-See-Vulkans seit dem 15. November

Datum 18.11.24 | Zeit: 10:05:46 UTC | Koordinaten: 50.366 ; 7.367 | Tiefe: 10 km | Mb 0,6

Der November ist aus seismischer Sicht ein bewegender Monat für die Eifel, denn es ereigneten sich ungewöhnlich viele schwache Erschütterungen: Die Shakemap des EMSC zeigt 15 Beben an. Betrachtet man noch den südlich gelegenen Hunsrück, dann kommt man auf mehr als 20 Erschütterungen. Diese Erdbeben standen mit Störungszonen in Verbindung. Seit dem 15. November gab es 3 Erschütterungen südöstlich des Laacher-See-Vulkans. Das jüngste Beben gab es gestern. Die Erschütterungen hatten Magnituden im Bereich der Mikroseismizität und Hypozentren, deren Tiefen auf 10 Kilometer fixiert wurden. Das bedeutet, dass man die Tiefen nicht exakt feststellen konnte, man aber davon ausgeht, dass es sich um flach liegende Erdbeben handelte. Zoomt man in die Karte hinein, erkennt man, dass die Beben in einem Areal südöstlich von Kruft stattfanden, in dem Lava und Bims im Tagebau abgebaut werden. Die Markierungen der Beben lagen zwar außerhalb der Bergbaugebiete, doch es ist nicht auszuschließen, dass sie durch Arbeiten dort ausgelöst wurden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass es einen Zusammenhang mit der Bewegung magmatischer Fluide gibt im Untergrund gibt.

Erdbeben und der Eifel-Mantelplume

In den letzten Jahren stellte man fest, dass die Seismizität in der Region höher ist, als man zuvor annahm, und baute das seismische Netzwerk deutlich aus. Es wurden auch mehrere Schwarmbeben in großen Tiefen von mehr als 40 Kilometern entdeckt, von denen man annimmt, dass sie durch Magmenbewegungen an der Grenze zur Asthenosphäre hervorgerufen werden. Es könnte also sein, dass Magma aus dem Erdmantel aufsteigt und in ein flacher gelegenes Reservoir im Bereich des Vulkans aufsteigt. Die Erschütterungen sind allerdings sehr schwach, und wenn es sich um aufsteigende Schmelze als Auslöser der Beben handeln sollte, dann sind es wohl eher geringe Mengen, die da unterwegs sind. Dennoch stellte man auch fest, dass der Eifelplume (Magmenschlauch), der aus großer Tiefe im Erdmantel bis in die Asthenosphäre reicht, deutlich größer ist als früher angenommen wurde: Er soll gut 100 Kilometer breit sein und seine Ränder reichen bis über das Areal der Eifel hinaus. Vielleicht werden sogar die Erdbeben im Hunsrück durch steigenden Druck im Mantelplume ausgelöst, indem die entstehenden Spannungen Störungszonen entlang des Rheingrabens aktivieren.

Die seismische Aktivität bedeutet nun nicht, dass der Laacher-See-Vulkan oder ein anderer Feuerberg der Vulkaneifel in den nächsten Jahren ausbrechen wird, zeigt aber, dass die Vulkane langfristig betrachtet wieder aktiv werden könnten und alles andere als erloschen sind. Doch Immobilienbesitzer brauchen sich keine Sorgen zu machen: Ein Vulkanausbruch in der Eifel ist zu unseren Lebzeiten eher unwahrscheinlich.

Droht Island eine Eruptionsserie?

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Isländischer Geoforscher befürchtet Ausbruchserie auf Island – Vulkane außerhalb der Reykjaneshalbinsel könnten aktiv werden

Während die Erdbebentätigkeit auf der isländischen Reykajneshalbinsel gestern hoch war und der Boden bei Svartsengi weiterhin ansteigt, gab der bekannte isländische Vulkanologe Thorvaldur Þórðarson ein neues Interview gegenüber isländischen Medien. Der Vulkanologe fordert, dass man sich auf der Reykjaneshalbinsel auf alle möglichen Arten von Vulkanausbrüchen vorbereiten sollte und sieht auch die Gefahr, dass andere Vulkansysteme jenseits von Reykjanes bald aktiv werden könnten. Als Grund nennt er, dass InSAR-Aufnahmen multiple Bodenhebungen auf ganz Island anzeigen würden, wobei eine der signifikantesten Hebungen im Bereich des Vatnajökulls auszumachen sei. Besonders dort könnte es aber noch einen anderen Grund für die Bodenhebung geben: Aufgrund des Masseverlustes des Gletschers, bedingt durch die Eisschmelze des Klimawandels, könnte der Boden aufsteigen. Dieser Effekt ist in weiten Teilen Skandinaviens zu beobachten und wird noch durch das Verschwinden der Gletscher der letzten Eiszeit hervorgerufen.

Thorvaldur Þórðarson glaubt allerdings nicht an dieses Szenario für die Landhebung, sondern geht davon aus, dass der isländische Mantelplume aktiver geworden ist und vermehrt Schmelze aufsteigen lässt. Man nimmt an, dass das Zentrum des Mantelplumes unter dem Grimsvötn liegt, der sich seinerseits unter dem Nordwesten des Vatnajökulls befindet. Allerdings zeigt die Bodenhebung am Grimsvötn aktuell wieder leicht abfallende Tendenzen an. An der benachbarten Askja wird hingegen ein positiver Bodenhebungstrend beobachtet. Der Mantelplume könnte auch wenigstens teilweise für die Eruptionen auf Reykjanes verantwortlich sein: neuen Modellen zufolge soll der Mantelplume, der direkt aus dem Erdmantel aufsteigt, weit verzweigt sein und seine Finger bis unter dem Südwesten Islands ausstrecken.

Die Hypothese wird durch die Analyse von Lavaproben gestützt, die von den jüngsten Eruptionen auf Reykjanes stammten. Diese Lava soll stark an Lavaströmen erinnern, die bei früheren Eruptionen an Askja und Grimsvötn austraten.

Der Vulkanologe sieht eine große Gefahr für weitere Eruptionen auf Reykjanes, insbesondere natürlich im Svartsengisystem, wo viele Forscher für diese Woche eine neue Eruption prognostizierten. Er hält es aber nach wie vor für möglich, dass auch andere Spaltensysteme der Halbinsel aktiv werden. Eine Gefahr sieht er auch darin, dass die Hauptverbindungsstraße zwischen dem Flughafen Keflavik und der Hauptstadt Reykjavik von einem Lavastrom unterbrochen werden könnte. Mit dieser Einschätzung steht er offenbar nicht alleine da, denn Bergþóra Þorkelsdóttir, Direktorin der isländischen Straßenverwaltung, sagte in einem anderen Interview, dass man derzeit die Möglichkeiten prüft, den Verkehr vom und zum Flughafen über andere Verkehrswege umzuleiten. Sollte die Reykjanesbraut -so der Name der Verbindungsstraße- von Lavaströme verschüttet werden.

Wie schnell die Isländer eine von Lava verschüttete Straße wiederherstellen können, zeigte das Beispiel des Grindavikvegurs, der bei der letzten Eruption verschüttet wurde und seit über einer Woche wieder befahrbar ist.

Vulkaneifel: Neues vom Mantelplume

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Die Vulkaneifel im mittleren Westen Deutschlands beherbergt ein Vulkanfeld, das von vielen Vulkanologen als aktiv eingestuft wird. Der letzte Ausbruch ereignete sich hier vor gut 10.900 Jahren und hat damit die Marke um 900 Jahre überschritten, ab der ein Vulkan als erloschen gilt. Doch neuere Studien zeigen, dass Vulkane auch nach einer viel längeren Ruheperiode wieder ausbrechen können.

Lange Zeit rätselten Vulkanologen darüber, wie der Vulkanismus der Eifel zustande kam. 2 Theorien wurden aufgestellt: Die Vulkane befinden sich auf der Schulter einer divergenten Störungszone. Dieses Rift wird durch den Verlauf des Flusses Rhein markiert. Der Vulkanismus könnte also tektonisch bedingt sein. Doch häufig entstehen Vulkane inmitten einer Kontinentalplatte durch Mantelplume, die auch gerne als Hotspots bezeichnet werden. So ein Hotspot wurde auch für die Eifel postuliert und mittels seismischer Tomografie nachgewiesen. Doch damit wusste man noch nicht, ob dieser Hotspot tatsächlich noch aktiv ist. Nun hat eine neue Studie gezeigt, dass sich der Boden im Bereich der Vulkaneifel anhebt und die Hebung ein viel größeres Gebiet umfasst, als man bisher vermutet hätte. Nicht nur das Gebiet um die beiden Vulkanfelder der Eifel wird angehoben, sondern noch ein Stück des Rheinischen Schiefergebirges.

Ein Wissenschaftsteam um Corné Kreemer von der Universität in Nevada, untersuchte Millionen GPS-Daten Europas, die innerhalb von 20 Jahren gesammelt wurden, um etwaige Bodendeformationen auf die Spur zu kommen. Tatsächlich entdeckten die Forscher im Bereich der Eifel nicht nur eine vertikale Bodenanhebung, sondern auch eine Zone horizontaler Dehnung, die von einem radialen Muster der Verkürzung umgeben ist. Dieses Gebiet ist deutlich größer als die Vulkaneifel. Korrigiert man die Hebungsraten des Bodens um den Wert des isostatischen Anstiegs, der immer noch durch die Eisschmelze der letzten Eiszeit verursacht wird, so kommt man auf eine Hebungsrate von etwa 1 mm pro Jahr. Die Wissenschaftler bezeichnen die Hebungsrate als bemerkenswert und gehen davon aus, dass sie von den Auftriebskräften des Mantelplumes verursacht werden. Solche Auftriebskräfte in einem Gesteinskörper kann es nur geben, wenn die Gesteine weniger dicht als das umgebende Gestein ist, was bei einem Plume der Fall ist, wenn zumindest ein Teil des Gesteins als Schmelze vorliegt. Diese Schlussfolgerungen legen nahe, dass die Vulkane der Eifel eines Tages wieder aktiv werden könnten. Allerdings gibt es keine Anzeichen für einen unmittelbar bevorstehenden Vulkanausbruch.

(Quelle: https://doi.org/10.1093/gji/ggaa227)

Neues Modell des Yellowstone Mantelplume

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Yellowstone Mantelplume
Yellowstone Mantelplume

Forscher der Universität von Kalifornien entwickelten mit Hilfe der seismischen Tomografie ein neues Computermodell des Mantelplume unter dem Yellowstone Vulkan. Das Forscherteam um Mathias Obrebski wertete dafür die Signale von unzähligen Seismometern aus, die in den letzten Jahren im Westen der USA installiert wurden. Bei der seismischen Tomografie wird der Umstand zunutze gemacht, dass sich Erdbebenwellen in verschiedenen Medien unterschiedlich schnell ausbreiten. Lokale Unterschiede im Gestein der Erdkruste verursachen so eine Differenz zwischen tatsächlicher und erwarteter Laufzeit von Erdbebenwellen. Da heiße Gesteine eine geringere Dichte haben, als kälteres Gestein ändert sich auch hier die Laufzeit der Erdbebenwellen. Im heißen Gestein verringert sich die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Erdbebenwellen und es entsteht eine sogenannte „low-velocity-zone“. Umgekehrt nimmt die Geschwindigkeit der Erdbebenwellen in kälterem Gestein zu und es entsteht eine „high-velocity-zone“.
Mit diesen Laufzeitunterschieden und einem dichten Netzwerk von Seismometern wurden nun zahlreiche Erdbebenwellen aus unterschiedlichen Richtungen detektiert werden und Obrebski berechnete ein dreidimensionales Bild des Mantelplumes unter dem Yellowstone. Darüber hinaus wurde auch eine Interaktion zwischen der Subduktionszone vor der Westküste der USA und dem Mantelplume feststellen. Dieser durchstieß die in den Erdmantel abtauchende Juan de Fuca Platte und fragmentierte diese. Einige der Plattenfragmente wurden durch den aufsteigenden Mantelplume abgelenkt. Das Model zeigt sogar eine große Lücke in der subduzierten Platte unter Oregon.
Die Interaktion zwischen Mantelplume und subduzierte Platte könnte einige besondere geophysikalische Effekte der Cascaden-Subduktionszone erklären, die den Wissenschaftlern bisher Rätsel aufgaben. Zudem erklärt sie die verdrehte Struktur des Mantelplumes, die ein wenig an den Windungen eines Korkenziehers erinnert.
Eine weitere –und bisher von den Wissenschaftlern nicht diskutierte Möglichkeit- wäre die chemische Interaktion zwischen der basaltischen Schmelze eines Mantelplumes und Magma das durch partielles Schmelzen subduzierter ozeanischer Kruste entsteht. Letztere ist reich an Wasser und Kieselsäure und wird von Vulkanen explosiv gefördert, während die basaltische Schmelze eines Mantelplumes überwiegend geringexplosiv gefördert wird. Die hochexplosiven Phasen des Yellowstone-Vulkans förderten große Mengen ryholithische Lava, die im Verhältnis 1:10 aus einem basaltischen Magma hervorgehen kann, indem dieses über lange Zeiträume in der Magmakammer umgewandelt wird. Eventuell wurde dieser Prozess durch die Interaktion der subduzierten Platte mit dem Mantelplume verstärkt.
Eine weiter Hypothese ist, das besagte Interaktion zum Ausbruch der Columbia River Basalte führte.