Hot Spot unter Hawaii? Nicht so schnell…

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Neue Ergebnisse von Geophysiker Richard Gordon und seinem Team bestätigen nun, dass man anhand aktueller Geschwindigkeits- und Bewegungsdaten von Hot Spots rund um den Globus das vergangene und zukünftige Bewegungsmuster der tektonischen Platten ableiten kann. Durch die Analyse von vulkanischen Spuren haben Geophysiker der Rice University herausgefunden, dass sich Hot Spots nicht so schnell bewegen, wie man bislang  gedacht hat. Die Studie erscheint in Geophysical Research Letters.

Sehr vereinfachte Darstellung eines Manteldiapirs. (Bild: 2000 Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg)

Hot Spots sind Bereiche, in denen heißes Magma aus dem unteren Mantel bis an die Erdoberfläche aufsteigt und dort eine spezielle Art von Vulkanen bildet: Hot Spot Vulkane. Das besondere an diesen Vulkanen ist, dass sie nicht an Plattengrenzen auftreten. Neue Ergebnisse von Geophysiker Richard Gordon und seinem Team bestätigen nun, dass man anhand aktueller Geschwindigkeits- und Bewegungsdaten von Hot Spots rund um den Globus das vergangene und zukünftige Bewegungsmuster der tektonischen Platten ableiten kann.

Richard Gordon, Erstautor der Studie Chengzu Wang und Co-Autor Tuo Zhang entwickelten gemeinsam eine Methode, mit der man die relativen Bewegungen von 56 Hot Spots zu den Bewegungen der tektonischen Platten korrelieren kann. Sie erkannten, dass sich die Hot-Spot-Gruppen langsam genug bewegen, um als globaler Referenzrahmen verwendet zu werden, an dem man ableiten kann, wie sich die Platten relativ zum tiefen Mantel bewegen. Diese Methode ist sehr hilfreich, nicht nur um die aktuelle Plattenbewegung zu beobachten, sondern auch um Plattenbewegung in der geologischen Vergangenheit besser zu verstehen.

Hot Spots sind Fenster in das tiefe Erdinnere, da sie Stellen von Mantelplumes an der Oberfläche anzeigen, die heißes aufsteigendes Magma vom Erdinneren (Kern-Mantel-Grenze) an die Oberfläche befördern und so Vulkane produzieren. Man hat lange gedacht, dass Mantelplumes senkrecht und stationär aufgebaut sind. Aufgrund neuester Forschungsergebnisse wird vermutet, dass sie  sich über die geologische Zeit hin auch seitlich im konvektiven Mantel verschieben können.

Der primäre Beweis für die Plattenbewegungen sind die weltweiten vulkanischen Aktivitäten, die Berge auf dem Land, Inseln im Ozean oder Seamounts (Tiefseeberge) – bergähnliche Landschaftszüge auf dem Meeresboden – bilden. Ein Vulkan bildet sich inmitten einer tektonischen Platte nur über einem Manteldiapir. Wenn sich die Platte über den Diapir bewegt, entsteht dadurch  eine Reihe – wie auf einer Kette aufgezogen –  von Vulkanen. Sich anreihende erloschene oder gering aktive  Vulkane markieren ältere Positionen der Platte über dem Diapir. Eine solche Serie bilden beispielsweise die Hawaii-Inseln. Die jüngsten Vulkane bilden sich zu Inseln, während die älteren Vulkane langsam untergehen. Die Inselreihe erstreckt sich über Tausende von Kilometern und bildete sich, als die pazifische Platte über einen Zeitraum von 80 Millionen Jahren über einen Manteldiapir glitt.

Die Wissenschaftler der RU verglichen die beobachteten Hot-Spot-Spuren mit ihren berechneten globalen Hot Spot-Trends. Sie bestimmten außerdem die Hot Spot-Bewegungen, die höchstwahrscheinlich für die Unterschiede verantwortlich sind, die sie beobachteten. Ihre Methode zeigt, dass die meisten Hot-Spot-Gruppen den Anschein erwecken, still zu stehen und sich andere sehr viel langsamer bewegen, als zunächst erwartet.

„Die Mittelung der Bewegungen von Hot-Spot-Gruppen für einzelne Platten vermeidet Ausreißer in den Daten.“, stellt Gordon fest. „Die Ergebnisse erlauben uns zu sagen, dass sich diese Hot-Spot-Gruppen, relativ zu anderen Hot-Spot-Gruppen, um etwa 4 Millimeter oder sogar weniger pro Jahr bewegen.

„Wir haben eine Analysemethode verwendet, die für Hot-Spot-Spuren neu ist“, sagte er. „Glücklicherweise haben wir jetzt einen Datensatz von Hot-Spot-Spuren, der groß genug ist, damit wir ihn anwenden können.“

Geophysiker der Rice University haben eine Methode entwickelt, um die Geschwindigkeit der Plattenbewegungen anhand von Hot Spots zu berechnen. Zum Beispiel wurde die Juan Fernandez Kette (umrissen durch das weiße Rechteck) auf der Nazca Platte westlich von Chile von einem Hot Spot gebildet, als die Nazca nach Osten-Nordosten wanderte. Der Hot Spot befindet sich jetzt am westlichen Ende. Juan Fernandez Kette umfasst unter anderem die Alejandro Selkirk und die Robinson Crusoe Inseln. Der weiße Pfeil zeigt die Bewegungsrichtung der Nazca-Platte relativ zum Hotspot. Er ist nahezu nicht unterscheidbar von der Richtung, die von den globalen Plattenbewegungen in Bezug auf alle Hot Spots auf dem Planeten (grüner Pfeil) vorhergesagt wird. Die Ähnlichkeit in der Richtung zeigt, dass sich der Juan Fernandez Hot Spot im Vergleich zu anderen Hot Spots nur sehr wenig bewegen muss, um diesen Trend zu erklären.
(Illustration: Chengzu Wang)

Für 7 der 10 Platten, die sie mit der neuen Methode analysierten, war die durchschnittliche Hot Spot-Bewegung im Wesentlichen Null. Das widerspricht anderen Studien, die eine Bewegung von bis zu 33 Millimeter pro Jahr nennen. Die Höchstgeschwindigkeit für die verbleibenden Hot-Spot-Gruppen – die sich unter den Platten von Eurasien, Afrika und Nordamerika befinden – lag zwischen 4 und 6 Millimeter pro Jahr. Sie dürfte aber nach den neuen Analysen nur lediglich 1 Millimeter pro Jahr betragen. Das ist eine wesentlich geringe Geschwindigkeit, als die, mit der sich die meisten Platten relativ zu den Hot Spots bewegen. Zum Beispiel bewegt sich die pazifische Platte relativ  zu den Hotspots gesehen, etwa 100 Millimetern pro Jahr.

Gordon wies darauf hin, dass Paläogeographen in der Lage sein sollten, das Modell zu nutzen. „Wenn sich Hot Spots nicht viel bewegen, können Wissenschaftler die neue Analyse nutzen, um geographischer Verhältnisse der Erdgeschichte zu erforschen. Forscher, die sich beispielsweise für die Tektonik des Pazifischen Feuerrings interessieren, müssen die Geschichte der Plattenbewegung kennen.“

„Andere, die interessiert sein werden, sind Geodynamiker“, sagte er. „Die Bewegungen der Hot Spots spiegeln das Verhalten des Mantels wider. Wenn sich die Hot Spots langsam bewegen, kann es darauf hindeuten, dass die Viskosität des Mantels höher ist. Aktuelle Modelle sagen momentan eine schnelle Bewegung voraus.“

„Geologen, die die Mantelkonvektion im Erdinneren erforschen, müssen etwas auf der Oberfläche der Erde haben, um ihre Modelle einzuschränken oder um überprüfen zu können, ob sie korrekt sind“, sagte Wang. „Erst dann können sie ihre Modelle verwenden, um etwas vorherzusagen. Hot Spot-Bewegungen sind eine Möglichkeit, die angewendet werden kann, um ihre Modelle zu testen.“

Veröffentlichung:

Chengzu Wang, Richard G. Gordon, Tuo Zhang. Bounds on geologically current rates of motion of groups of hot spotsGeophysical Research Letters, 2017; 44 (12): 6048 DOI: 10.1002/2017GL073430

Quelle: off. Pn der Rice University

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.