Die Plattentektonik liefert für viele Phänomene des Vulkanismus und für das Auftreten von Erdbeben eine plausible Erklärung, nicht aber für die Entstehung der Hotspot-Vulkane, die zum Teil mehrere tausend Kilometer von Plattenrändern entfernt mitten im Ozean liegen. Zu diesen Vulkanen gehören etwa Hawaii, die Galapagos-Inseln, die Azoren oder Island. Laut der gängigen Theorie befinden sich diese Vulkane über Hotspots im Erdinnern. An diesen Stellen steigt demnach heisses Material – Mantel-Plumes genannt – im Erdmantel auf. Dieses kann dann als konzentrierter säulenartiger Magmastrom bis an die Erdoberfläche dringen. Dadurch bilden sich im Meer isolierte Vulkaninseln.

ETH-Professor Bernard Bourdon hat nun zusammen mit Andreas Stracke vom Institut für Isotopengeologie der ETH und anderen Wissenschaftlern neue Hinweise gefunden(1) , welche die Existenz der Mantel-Plumes bestätigen und damit die Standardtheorie stützen. In ihrer Studie, die am Donnerstag in der neuen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“ erschien(2) , analysierten die Forscher in Basaltgesteinen von acht verschiedenen Inselgruppen Anteile und Verhältnisse von verschiedenen Elementen und Isotopen wie Uran, Thorium und Protactinium. Anhand der Daten konnte Bernard Bourdon zeigen, dass zwischen den Verhältnissen der untersuchten Elemente und dem Materialfluss, der für die Inselbildung nötig ist, ein Zusammenhang besteht. Die Forscher konnten auch abschätzen, wie heiss die Mantel-Plumes sind, wie schnell sie aufsteigen und wie gross sie sind.

Wenn Mantelgestein schmilzt, wird das Verhältnis der Uranisotope zu ihren Zerfallsprodukten massiv gestört. Nach der Abkühlung kehrt das System wieder in einen gleichmässigen, voraussagbaren Zustand zurück. Anhand der Änderung der Verhältnisse konnten die Forscher berechnen, wie rasch und vollständig das Material beim Aufstieg geschmolzen ist. Sie konnten zudem den Temperaturunterschied zwischen dem umgebenden Mantel und den aufsteigenden Plumes berechnen. Diese Differenz bestimmt die Geschwindigkeit und Grösse des Auftriebs. Die Forscher schätzen die Temperaturunterschiede auf 50°C bis 200°C. Bei aktiven Vulkanen wie Hawaii und Galapagos sind die Temperaturunterschiede grösser, bei weniger aktiven Plumes wie Island und den Azoren geringer. Für symmetrische Plumes konnten Bourdon und seine Kollegen auch deren Durchmesser abschätzen. Diese Schätzungen stimmen mit seismischen Messungen ziemlich gut überein. So erreicht der Plume unter Hawaii eine Ausdehnung von mindestens 240 Kilometern, derjenige unter Island mindestens 250 Kilometer.

Anhand der Analyse von Isotopen verschiedener Elemente konnten ETH-Forscher die Hotspot-Theorie bestätigen. Diese erklärt, wie Vulkane wie der Mauna Kea auf Hawaii entstehen. (Bild: Dan Olberg, Senior Geologist, PT Nusa Halmahera Minerals)