04. Aug. 2017

Luftbild des Lavasees in Holuhraun vom 18. November 2014.

Die Vulkane der Erde sitzen in ihrer großen Mehrzahl an den Grenzen der Krustenplatten und werden von der Plattentektonik angetrieben. Eine geringe Zahl von Feuerbergen allerdings bezieht ihr Magma aus großer Tiefe des Erdmantels und ist von der Bewegung der Platten an der Oberfläche nahezu unabhängig. Kalifornische Geophysiker haben jetzt in "Science" vorgestellt, wie der Fuß eines solchen Hot-Spot-Vulkans an der Kern-Mantel-Grenze aussieht. Ihr Beispiel war Island.

Islands Wurzeln reichen tief ins Erdinnere, bis an den Rand des Erdkerns in 2900 Kilometern Tiefe. Dort haben Geophysiker um Barbara Romanowicz von der Universität von Kalifornien in Berkeley einen rund 800 Kilometer breiten und vielleicht 15 Kilometer dicken Diskus identifiziert, von dem aus eine Säule aus heißem Material aufsteigt und letztendlich in einem der zahlreichen isländischen Vulkane ans Tageslicht kommt. "Die Lava auf Island hat eine andere Zusammensetzung als die der meisten Vulkane des zirkumpazifischen Feuerrings oder der mittelozeanischen Rücken", sagt Romanowicz. Die Insel im Nordatlantik gehört zur relativ kleinen Gruppe der Hot-Spot-Vulkane, deren Antrieb nicht wie bei der Mehrzahl von der Plattentektonik in den obersten paar Dutzend Kilometern des Planetenkörpers geliefert wird. Die spezielle geochemische Signatur ihrer Lava, die sich vor allem in den Isotopen niederschlägt, spricht vielmehr für eine tiefe Wurzel an der Kern-Mantel-Grenze.

Barbara Romanowicz und ihre Gruppe haben jetzt diese geochemischen Indizien um geophysikalische Daten ergänzt. Sie nutzten die Daten von sieben Erdbeben aus dem Mittleren bis Fernen Osten und eines von den Antillen in der Karibik. Bei allen acht liefen Wellen durch den unteren Erdmantel unterhalb von Island und versorgten seismische Netzwerke auf der gegenüberliegenden Seite der Erdkugel mit den notwendigen Informationen über die Grenzzone zwischen Erdkern und -mantel. Damit ist die Insel im Nordatlantik ein Glücksfall für die Erforschung der Hot-Spot-Vulkane, denn sie liegt im Empfangsbereich geophysikalischer Messnetze, die vor allem in Nordamerika und Europa, seit neuestem auch in China entsprechend empfindlich und dicht sind. Andere Hot-Spots wie Hawaii, Samoa oder Réunion können bislang nicht detailliert beobachtet werden, weil die Empfängerstationen ungünstig liegen.

Geophysikalische Hilfe für eine geochemische Idee

Die Idee, dass es Vulkane mit gewissermaßen direktem Kontakt zum Erdkern gibt, ist bereits rund ein halbes Jahrhundert alt. Doch das Modell der Manteldiapire oder Plumes litt lange Jahre darunter, dass es nur wenig mehr als ein mit geochemischen Befunden unterfüttertes Gedankenexperiment war. Für das Beispiel Island laufen jetzt nach und nach die geophysikalischen Messergebnisse ein, die belegen, dass es die Verbindungen zwischen der Kern-Mantel-Grenze und der Erdoberfläche tatsächlich gibt. "Das Material ist an seiner Basis geschmolzen und steigt in ziemlich breiten Säulen auf", berichtet Romanowicz, die bereits 2015 diese Aufstiegspfade unter Hawaii beobachtet hat. Die Auflösung reichte bei den seismischen Daten des uralten Hawaii-Emperor-Plumes allerdings nicht aus, um auch dessen Fuß tief im Erdinneren zu erkennen, daher wechselten Romanowicz und ihre Mitarbeiter die Methode und auch die Insel, nämlich nach Island. Hier reichen die seismischen Daten für den unteren Erdmantel zwar immer noch nicht aus, um den Fuß des Island-Plumes detailliert abbilden zu können, aber sie sind detailliert genug, um unterschiedliche Erklärungsmodelle für die Entstehung des Island-Plumes an ihnen testen zu können.

Der Lavasee in Holuhraun, Island, am 10. Januar 2015. Seit Dezember 2014 hat sich die Lava deutlich abgekühlt.
Bild: Science/Gro Birkefeldt Möller Pedersen
Die Vulkanfelder auf und vor Island.
Bild: Dudy001/CC BY-SA 3.0
Vulkan Bardarbunga auf Island (hier vor seinem Ausbruch) könnte eine ähnliche Aschewolke erzeugen wie 2010 der Eyjafjallajökull.
Bild: Sparkle Motion/CC BY 2.0

Von allen verfügbaren Erklärungsmodellen für die Entstehung des Islandvulkanismus passte derjenige mit einem fest umrissenen, kompakten Diskus als Basis an der Kern-Mantel-Grenze am besten zu den empirischen Daten der Seismometer-Netzwerke. Die Forscher aus Kalifornien glauben, dass der Diskus nur viel heißer ist als der ihn umgebende Erdmantel, deswegen mindestens zum Teil geschmolzen und auf den Seismogrammen so gut erkennbar. "An der Kern-Mantel-Grenze wird die Hitze aus dem Kern abgeleitet und das geschieht nicht gleichmäßig über die gesamte Kontaktfläche, sondern in fokussierten Zonen, die wir Plumes nennen", so Romanowicz. Es wäre eine ausschließlich thermodynamische Erklärung für den Fuß des Island-Vulkanismus und die etwa 20 weiteren Plumes, die man im Erdmantel kennt.

Diskussion um Plume-Charakter kann beginnen

Es gibt allerdings noch eine zweite Erklärung für solche Zonen an der Kern-Mantel-Grenze, die mit chemischen Unterschieden zum restlichen Mantel argumentiert. "Manche Forscher haben vorgeschlagen, dass ein bisschen Kernmaterial über die Kern-Mantel-Grenze gelangt und sich in den Plumes mit Mantelmaterial mischt", erklärt Romanowicz. Sie selbst glaubt allerdings nicht an eine solche chemische Spur des Erdkerns im Hot-Spot-Magma. Der Erdkern besteht vor allem aus Eisen, ein nur teilweise geschmolzener 800 Kilometer breiter Brocken könne nur schwer die kreisrunde Diskusform annehmen, die man in den Seismogrammen erkenne. "Die höheren Temperaturen sind einfach eine viel natürlichere Erklärung", so Romanowicz. Andere Forscher sind nicht so überzeugt. Allen McNamara von der Michigan State University beschäftigt sich vor allem mit den Strömungen im untersten Erdmantel und glaubt, dass diese auch widerstrebendes Erdkernmaterial über kurz oder lang in eine zylindrische Form bringen würden. "Alles von großer Dichte wird von den Strömungen im unteren Erdmantel erfasst", erklärte er gegenüber "Science".

Offensichtlich wird sich die Debatte um die Plumes verlagern von ihrer bloßen Existenz weg hin zu Charakter und Entstehung, und die immer besseren Bilder, die die Geophysiker von den untersten Zonen des Erdmantels herstellen können, werden diese Diskussion beflügeln. Hinzu kommt, dass seismische Netze auch auf anderen Erdteilen und sogar auf dem Boden der Ozeane geplant sind, mit denen dann auch heute "unterbelichtete" Hot-Spot-Vulkane genauestens untersucht werden können.