Wie lange leben vulkanische Inseln wie Hawaii oder die Galapagos-Inseln?

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Wenn ein heißer Magmaplume durch den Erdmantel aufsteigt und die darüber liegende Kruste durchstößt, kann sie nicht nur eine vulkanische Insel im Ozean schaffen, sondern auch eine hunderte bis tausende von Kilometern lange Welle in der Kruste. Im Laufe der Zeit wird die Insel von der darunter liegenden tektonischen Platte fortgetragen und der Plume bildet an ihrer Stelle eine weitere Insel. Über Millionen von Jahren kann dieser geologische Hotspot eine Kette von hintereinander liegenden Inseln hervorbringen, auf denen das Leben vorübergehend gedeiht, bevor die Inseln, eine nach der anderen, wieder im Meer versinken. Jetzt haben Wissenschaftler am MIT (Massachusetts Institute of Technology) eine Theorie über die Prozesse, die das Alter einer vulkanischen Insel bestimmen. In einer in der Science Advances veröffentlichten Arbeit berichten sie von einer Analyse von 14 großen vulkanischen Inselketten auf der ganzen Welt. Sie fanden heraus, dass das Alter einer Insel mit zwei geologischen Hauptfaktoren zusammenhängt: der Geschwindigkeit der darunter liegenden Platte und der Größe der durch den Hotspot-Plume erzeugten Schwellung.

Die Erde ist mit Dutzenden von Hotspots übersät, einschließlich derer, die die Inselketten von Hawaii und den Galapagos-Inseln hervorgebracht haben. Während der Prozess, durch den vulkanische Inseln entstehen, von Kette zu Kette ähnlich ist, kann die Zeit, die eine Insel über dem Meeresspiegel verbringt, sehr unterschiedlich sein, von einigen Millionen Jahren im Fall der Galapagos-Inseln bis zu über 20 Millionen im Fall der Kanarischen Inseln. Das Alter einer Insel kann das Leben und die Landschaften, die sich dort entwickeln, bestimmen. Und doch sind die Mechanismen, die die Lebensdauer einer Insel bestimmen, weitgehend unbekannt.

Liegt eine Insel beispielsweise auf einer sich schnell bewegenden Platte, hat sie wahrscheinlich eine kurze Lebensdauer, es sei denn, sie wurde – wie Hawaii – ebenfalls durch einen sehr großen Plume erzeugt. Der Plume, aus dem die hawaiianischen Inseln entstanden sind, gehört zu den größten der Erde, und obwohl die pazifische Platte, auf der Hawaii liegt, im Vergleich zu anderen ozeanischen Platten relativ schnell ist, dauert es eine beträchtliche Zeit, bis die Platte über die Schwellung des Plumes gleitet.

Die Forscher fanden heraus, dass dieses Zusammenspiel von tektonischer Geschwindigkeit und Plume-Größe erklärt, warum die hawaiianischen Inseln eine Million Jahre länger über dem Meeresspiegel bleiben als die ältesten Galapagos-Inseln, die ebenfalls auf Platten sitzen, die sich mit ähnlicher Geschwindigkeit, aber über einen viel kleineren Plume bewegen. Im Vergleich dazu sitzen die Kanarischen Inseln, die zu den ältesten Inselketten der Welt gehören, auf der sich langsam bewegenden atlantischen Platte und über einem relativ großen Plume.

(A) Lithosphärische Ausdünnung oder thermische Verjüngung der Lithosphäre. Die gestrichelte weiße Linie zeigt die anfängliche Dicke der Lithosphäre vor der Ausdünnung. (B) Dynamischer Auftrieb: Gestrichelte graue Linien zeigen die Tiefe des Meeresbodens in Abwesenheit von Oberflächenbelastung und damit verbundener Biegungsisostase. (Anm.: Die Abbildungskomponenten sind nicht maßstabsgetreu.) (Ill.: s. Veröffentlichung)

“Diese Inselketten sind dynamische, inselartige Laboratorien, auf die sich Biologen schon lange konzentrieren”, sagt die ehemalige MIT-Absolventin Kimberly Huppert, die Hauptautorin der Studie. “Aber außer Studien über einzelne Ketten gibt es nicht viele Arbeiten, die sie mit Prozessen der festen Erde in Verbindung bringen.

“Man kann sich vorstellen, dass all diese Organismen auf einer Art Laufband aus Inseln leben, ähnlich wie Trittsteine. Die Inseln entwickeln sich, driften auseinander, ihre Bewohner wandern auf neue Inseln und die alten Inseln versinken wieder im Meer. Was Kim gezeigt hat, ist, dass es einen geophysikalischen Mechanismus gibt, der kontrolliert, wie schnell sich dieses Laufband bewegt und wie lange die Inselketten wandern, bevor sie am Ende wieder verschwinden.”

fügt Taylor Perron, stellvertretender Leiter der Abteilung für Erd-, Atmosphären- und Planetenwissenschaften am MIT, hinzu.

Einen Schweißbrenner versenken

Die neue Studie ist ein Teil von Hupperts Diplomarbeit am MIT, in der sie sich vor allem mit der Entwicklung von Landschaften auf vulkanischen Inselketten, insbesondere auf den hawaiianischen Inseln, beschäftigt. Bei der Untersuchung der Prozesse, die zur Inselerosion beitragen, grub sie in der Literatur eine Kontroverse über die Prozesse aus, die den Meeresboden um die Hotspot-Inseln anschwellen lassen.

“Die Idee war, dass man, wenn man einen Teil des Bodens der Platte erwärmt, diese durch einfachen thermischen Auftrieb sehr schnell aufsteigen lassen kann, im Grunde wie ein Schweißbrenner unter der Platte”, sagt Royden.

Wenn diese Idee richtig ist, dann sollte die Abkühlung der erhitzten Platte auch dazu führen, dass der Meeresboden absinkt und die Inseln schließlich wieder im Meer versinken. Bei der Untersuchung des Alters untergegangener Inseln in Hotspot-Ketten auf der ganzen Welt fand Huppert jedoch heraus, dass Inseln schneller absinken, als es ein natürlicher Kühlmechanismus erklären könnte.

“Also kann der Großteil dieses Hebens und Sinkens nicht durch Erhitzung und Abkühlung entstanden sein”, sagt Royden. “Es muss etwas anderes gewesen sein.”

Hupperts Beobachtung inspirierte die Gruppe dazu, große vulkanische Inselketten zu vergleichen, in der Hoffnung, die Mechanismen des Hebens und Absenkens von Inseln zu identifizieren – wahrscheinlich die gleichen Prozesse, die die Lebensdauer einer Insel oder die Zeit über dem Meeresspiegel bestimmen.

Evolution auf einem Laufband

In ihrer Analyse betrachteten die Forscher 14 vulkanische Inselketten auf der ganzen Welt, darunter die Hawaii-, Galapagos- und Kanarischen Inseln. Für jede Inselkette notierten sie die Richtung, in die sich die darunter liegende tektonische Platte bewegte und maßen die durchschnittliche Geschwindigkeit der Platte relativ zum Hotspot. Dann maßen sie in Richtung jeder Inselkette die Entfernung zwischen dem Beginn und dem Ende der Hebung in der Kruste, die durch den darunter liegenden Plume erzeugt wurde. Für jede Inselkette teilten sie die Schwellungsdistanz durch die Plattengeschwindigkeit, um eine Zahl zu erhalten, die die durchschnittliche Zeit angibt, die eine vulkanische Insel auf der Oberseite des Plumes verbringen sollte. Sie sollte bestimmen, wie lange eine Insel über dem Meeresspiegel bleibt, bevor sie im Ozean versinkt.

Als die Forscher ihre Berechnungen mit dem tatsächlichen Alter jeder Insel in jeder der 14 Ketten verglichen, einschließlich der Inseln, die längst unter den Meeresspiegel abgesunken sind, fanden sie eine starke Korrelation zwischen der Zeit, die auf dem Hotspot verbracht wird, und der typischen Verweildauer der Inseln über dem Meeresspiegel. Die Lebensdauer einer vulkanischen Insel – so folgerten sie – hängt von einer Kombination aus der Geschwindigkeit der darunter liegenden Platte und der Größe des daruntergleitenden Plumes ab.

Huppert sagt, dass die Prozesse, die das Alter einer Insel bestimmen, den Wissenschaftlern helfen können, die biologische Vielfalt besser zu verstehen und zu verstehen, warum das Leben von Inselkette zu Inselkette anders aussieht.

“Wenn sich eine Insel lange Zeit über dem Meeresspiegel befindet, kann sich die Artenvielfalt lange Zeit entwickeln”, sagt Huppert. “Aber wenn man eine Inselkette hat, auf der Inseln schneller absinken, dann beeinflusst das die Fähigkeit der Fauna, sich auf benachbarte Inseln auszubreiten.

Die Forscher stellen fest, dass wir in gewisser Weise dem Zusammenspiel von tektonischer Geschwindigkeit und Plumegröße unser modernes Verständnis der Evolution verdanken.

“Sie betrachten einen Prozess der festen Erde, der dazu beiträgt, dass die Galapagos-Inseln sehr schnell entstehen, sich sehr schnell bewegen und so nicht lange Zeit haben, um zu erodieren. Dieses System hat dazu geführt, dass die Menschen die Evolution entdeckt haben”, bemerkt Royden. “In gewisser Weise hat dieser Prozess also wirklich die Voraussetzungen dafür geschaffen, dass die Menschen erkannten, worum es bei der Evolution ging, indem sie es in diesem Mikrokosmos verstanden. Wenn es diesen Prozess nicht gegeben hätte und die Galapagosinseln nicht diese kurze Verweildauer gehabt hätten, wer weiß, wie lange es gedauert hätte, bis die Menschen das Konzept der Evolution entdeckt hätten.


Veröffentlichung: Kimberly L. Huppert et al. Hotspot swells and the lifespan of volcanic ocean islands, Science Advances (2020). DOI: 10.1126/sciadv.aaw6906

Quelle: off. Pm des Massachusetts Institute of Technology


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Pia Gaupels

Gründerin bei GeoHorizon
Pia Gaupels, *86, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. 2015 gründete Sie die Seite Geohorizon. Sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung und arbeitet seit 2018 wieder als Bibliothekarin.

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