Yellowstone: Hinweise auf eine geringere Tiefe des Magmasystems
Supereruptionen gehören zu den extremsten geologischen Ereignissen der Erde – mit Ausbrüchen von mehr als 1.000 Kubikkilometern Magma, Gestein und Asche. Neue Forschung liefert nun Einblicke in die Prozesse, die diese gewaltigen Ereignisse im Erdinneren antreiben. Ein Team des Institute of Geology and Geophysics der Chinese Academy of Sciences hat ein dreidimensionales geodynamisches Modell entwickelt, das die Dynamik der Erdkruste und des oberen Mantels in Nordamerika simuliert und einen möglichen Mechanismus der Magmaentstehung unter Supervulkanen aufzeigt.
Die Ergebnisse wurden am 9. April in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht.
Supervulkane – also Vulkane, die in der geologischen Vergangenheit Supereruptionen hervorgebracht haben – wurden traditionell so verstanden, dass sie langlebige, flüssigkeitsdominierte Magmakammern in der Erdkruste enthalten. Nach dieser Vorstellung führt die Ansammlung von Magma mit geringerer Dichte zu einem Druckanstieg, der schließlich ein Versagen der Kruste, einen Kollaps und eine Eruption auslöst. Neuere Studien deuten jedoch darauf hin, dass solche dauerhaft flüssigen Magmakammern unter aktiven Supervulkanen weltweit nicht existieren. Stattdessen liegt das Magma in großflächigen Zonen teilweise geschmolzenen Gesteins vor, sogenannten „Magma-Mush“-Systemen, die sich über weite Teile der Lithosphäre erstrecken.
Die Lithosphäre ist die kalte, starre äußerste Schicht der Erde und umfasst die gesamte Erdkruste sowie den lithosphärischen Mantel. Darunter befindet sich die Asthenosphäre, eine zähplastische Schicht, die über geologische Zeiträume hinweg langsam fließt. Jüngste Studien zeigen, dass das Magma, das Supervulkane speist, aus der oberen Asthenosphäre stammt, also aus dem flachen Mantel direkt unter der Lithosphäre, wobei der Mechanismus der partiellen Aufschmelzung bislang unklar war.
Beim Aufstieg in die Lithosphäre interagiert die Schmelze mit dem umgebenden festen Gestein und bildet ein hochviskoses Magma-Mush. Die effektive Viskosität solcher Systeme ist um mehrere Größenordnungen höher als die von flüssigem Magma, was den auf Auftrieb basierenden Mechanismus gängiger Supereruptionsmodelle infrage stellt. Zudem sind diese Magma-Mush-Systeme diffus in der Lithosphäre verteilt, im Gegensatz zu den lokalisierten Magmakammern traditioneller Modelle.
Die Yellowstone-Caldera, ein bekannter Supervulkan im Westen Nordamerikas, hat in den letzten 2,1 Millionen Jahren zwei Supereruptionen hervorgebracht und dient als wichtiges natürliches Labor mit umfangreichen geologischen, geophysikalischen und petrologischen Daten. Frühere Studien zeigen, dass Yellowstone ein langlebiges, großräumiges translithosphärisches Magma-Mush-System besitzt, das eine nach Südwesten geneigte Geometrie aufweist. Ein flüssigkeitsreicher, flacher Magmakörper – vergleichbar mit einer klassischen Magmakammer – tritt offenbar nur kurzzeitig vor Eruptionen auf. Die zugrunde liegenden geodynamischen Kräfte waren jedoch bislang unklar.
Mit ihrem neuen Modell zeigen die Forschenden, dass das Magma von Yellowstone aus der flachen Asthenosphäre stammt und nicht aus einem tiefen Mantelplume. Eine ostwärts gerichtete Strömung im Mantel, eine sogenannte „Mantelströmung“, wird durch die Subduktion der Farallon-Platte angetrieben, deren Überreste tief unter dem zentralen und östlichen Nordamerika liegen. Diese Mantelströmung transportiert heißes Material in Richtung Yellowstone.
Im Gegensatz zu atmosphärischem Wind handelt es sich dabei um eine breite, horizontale Strömung heißen, langsam fließenden Gesteins im Erdmantel. Dieses Material wird unter die dicke Lithosphäre gezogen, wo die entstehende vertikale Dehnung zu starker Druckentlastung und damit zur Schmelzbildung führt. Dieses Ergebnis widerspricht der traditionellen Hypothese, dass Yellowstone der Oberflächenausdruck eines tiefen Mantelplumes ist, der von der Kern-Mantel-Grenze aufsteigt.
Die Mantelströmung spielt eine entscheidende Rolle bei der Ausbildung des translithosphärischen magmatischen Systems von Yellowstone. Die ostwärts gerichtete Strömung übt einen horizontalen Druck auf die dicke lithosphärische Wurzel östlich von Yellowstone aus, während die auftriebsbedingten Kräfte der Lithosphäre westlich von Yellowstone eine entgegengesetzte Kraft erzeugen. Das Zusammenspiel dieser Kräfte führt dazu, dass die kontinentale Lithosphäre gewissermaßen „aufgerissen“ wird und ein nach Südwesten geneigter, kanalartiger Aufstiegsweg entsteht.
Dieser Kanal schafft günstige Bedingungen für Aufstieg, Transport und Entwicklung von Magma innerhalb der Lithosphäre und bestimmt damit die Geometrie sowie die langfristige Entwicklung des magmatischen Systems von Yellowstone. Die Vorhersagen des Modells stimmen mit unabhängigen geophysikalischen und geochemischen Beobachtungen überein.
Die Studie liefert erstmals eine umfassendere Erklärung für die Bildung magmatischer Systeme unter Supervulkanen, indem sie die Magmaerzeugung in der Asthenosphäre mit deren Ansammlung in der Lithosphäre verknüpft. Zudem identifiziert sie einen physikalischen Mechanismus, der langlebige, großräumige Magma-Mush-Systeme aufrechterhalten kann – ein Merkmal, das bei vielen Supervulkanen weltweit beobachtet wird.
Veröffentlichung: Zebin Cao et al, Tectonic origin of Yellowstone’s translithospheric magma plumbing system, Science (2026). DOI: 10.1126/science.ady2027
Quelle: Chinese Academy of Sciences
Titelbildunterschrift: Schematische Darstellung des magmatischen Systems des Yellowstone-Vulkans. Links: Darstellung des Yellowstone-Magmasystems nach dem traditionellen Modell einer Magmakammer. Rechts: Darstellung des translithosphärischen Magmasystems von Yellowstone nach dem „Magma-Mush“-Modell. (Quelle: Arbeitsgruppe von Liu Lijun.)
Pia Gaupels
Neueste Artikel von Pia Gaupels (alle ansehen)
- Yellowstone: Hinweise auf eine geringere Tiefe des Magmasystems - 12. April 2026
- Sauerstoff bestimmt offenbar nicht die Körpergröße von Insekten - 8. April 2026
- Uralte Plattentektonik als Schlüssel zu seltenen Rohstoffen - 8. April 2026
