mini|hochkant=1.5|Weltkarte mit Markierung der Orte, unter denen Hotspots, und damit Mantel-Plumes, vermutet werden. Jedoch äußern sich nicht alle diese Hotspots aktuell durch intensiven Vulkanismus. Mantel-Plume (kurz auch Plume, aus dem Englischen/Französischen für „buschige Feder“ oder „Rauchfahne“) bezeichnet eine für die Konvektion im Erdmantel vorgeschlagene Aufstiegsstruktur. Mantelplumes weisen in der Tiefe eine schlanke, schlauchartige Form auf und verbreitern sich bei Erreichen der starren Lithosphäre helmbuschartig oder pilzförmig. Im deutschen Sprachraum wird auch die Bezeichnung Manteldiapir (oder kurz Diapir) verwendet. Mantelplumes werden für eine besondere Form des Vulkanismus verantwortlich gemacht, der nicht an Plattengrenzen gebunden ist und als Hotspot-Vulkanismus bezeichnet wird.
Geschichte des Plume-Konzepts mini|Die in ihrem älteren Abschnitt komplett unterseeische Hawaii-Emperor-Kette führte zur Entwicklung des Plumemodells Die Modellvorstellung der Mantelplumes entstand in den 1960er und 70er Jahren. Vulkanismus ist ein geowissenschaftliches Phänomen, das überwiegend an aktiven Plattenrändern, also an Subduktions- und Rift- bzw. ozeanischen Spreizungszonen, auftritt. Die Entstehung des Magmas findet dabei in der Asthenosphäre, einer Zone des oberen Erdmantels, statt und ist durch die Plattentektonik physikalisch vollständig erklärbar. Unverständlich blieben jedoch die sogenannten Intraplattenvulkane, die unabhängig von Plattengrenzen an beliebigen Orten auftreten und durch das Konzept der Plattentektonik nicht erklärt werden konnten.Frank Press, Raymond Siever: Allgemeine Geologie. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1995, ISBN 3-86025-390-5.
Die meisten aktiven Intraplattenvulkane sind in ozeanischen Gebieten zu beobachten, oft in Verbindung mit geradlinigen Insel- und Seamount-Ketten. Eines der bekanntesten Beispiele hierfür ist der Hawaii-Archipel, dessen Inseln die jüngsten Glieder der sich bis in den äußersten Nordwesten des Pazifikbeckens erstreckenden Hawaii-Emperor-Insel-Seamount-Kette darstellen. Altersdatierungen der Lavagesteine der Hawaii-Inseln zeigten, dass die Inseln mit zunehmender Entfernung vom heute aktiven Zentrum des Vulkanismus kontinuierlich älter werden. John Tuzo Wilson leitete 1963 aus dieser Beobachtung einen Zusammenhang zwischen dem Vulkanismus und der Drift der Platten ab und folgerte, dass die Quellregion des Magmas wesentlich tiefer im Inneren der Erde liegen muss als bei gewöhnlichen Vulkanen. Die tiefe Quelle versorgt demnach den aktiven Vulkan, der jedoch mit der Lithosphärenplatte, auf der er sich befindet, durch die Plattenbewegung fortgetragen wird, bis er durch die ortsfeste tiefe Magmaquelle nicht mehr gespeist werden kann. Stattdessen entsteht ein neuer Vulkan, der wiederum nach einiger Zeit erlischt, wenn auch er sich zu weit von der Quellregion entfernt hat. Über geologische Zeiträume entsteht so eine Inselkette, die die Bewegungsrichtung der Platte nachzeichnet.J. T. Wilson: Evidence from islands on the spreading of ocean floors. In: Nature. Bd. 197, 1963, S. 536–538.
Das Konzept wurde 1971 durch den Geophysiker W. Jason Morgan erweitert und verbessert. Morgan postulierte, dass die tiefen Magmaquellen, die er („heiße Flecken“) nennt, mit aufströmenden Plumes im Zusammenhang stehen, die Ausdruck von Konvektionsvorgängen im unteren Mantel sind. Mit dieser Annahme konnte er gleichzeitig eine weitere Beobachtung erklären, nämlich dass die Basalte, die durch den Hotspot-Vulkanismus gefördert werden, eine etwas andere chemische Zusammensetzung zeigen als jene, die an Mittelozeanischen Rücken entstehen.W. J. Morgan: Convection plumes in the lower mantle. In: Nature. Bd. 230, 1971, S. 42–43. Das Konzept erlangte in den 1980er und 1990er Jahren allgemeine Akzeptanz und ist anhand von Erkenntnissen aus Laborversuchen, Computersimulationen und seismologischen Untersuchungen kontinuierlich weiterentwickelt worden.
Seit Beginn des 21. Jahrhunderts entwickelte sich um Plumes eine Paradigmendebatte „The great plume debate“, in der die Plume-Hypothese angezweifelt und u. a. der neueren Platten-Hypothese gegenübergestellt wurde („Plates vs. Plumes“). Anlass ist, dass die Mantelplume-Hypothese seit ihrer Einführung im Jahr 1971 nicht dazu geeignet war, zuverlässige Vorhersagen zu treffen, und daher situativ immer wieder an beobachtete Hotspots angepasst wurde. Mit der Zeit entwickelte sich das Konzept eines Plumes mit der wachsenden Anzahl von Modellen zu einer schwach definierten Hypothese, die als allgemeiner Begriff derzeit weder beweisbar noch widerlegbar ist.
Physikalischer Hintergrund Entstehung und Entwicklung von Plumes mini|Mantelplume, schematisch Plumes sind aufsteigende Ströme heißen Materials aus dem tiefen Erdmantel, die sich in Form einer schmalen Säule zur Erdoberfläche bewegen. Durch sie wird Material aus der Tiefe an die Erdoberfläche transportiert, während an anderer Stelle Material durch die Subduktion in die Tiefe transportiert wird. Somit tragen Plumes zum Ausgleich der Massenbilanz bei und stellen daher einen wichtigen Teil der Mantelkonvektion dar.
Mantelplumes entstehen nach heutigem Wissen aus Instabilitäten einer thermischen Grenzschicht.D. Bercovici, A. Kelly: The non-linear initiation of diapirs and plume heads. In: Physics of the Earth and Planetary Interiors. Bd. 101, 1997, S. 119–130. Eine solche stellt u. a. die sogenannte D"-Schicht in rund 2900 km Tiefe dar, eine Übergangszone zwischen dem flüssigen äußeren Erdkern und dem untersten Erdmantel. Diese Grenzschicht wurde über lange Jahre als die Quellregion aller beobachteten Mantelplumes diskutiert. Neuere Untersuchungen lassen jedoch vermuten, dass wenigstens ein Teil der heute postulierten Plumes in oder direkt unterhalb der Mantelübergangszone (410 km bis 660 km Tiefe) entstehen.L. Cserepes, D. A. Yuen: On the possibility of a second kind of mantle plumes. In: Earth and Planetary Science Letters. Bd. 183, 2000, S. 61–71.R. Montelli u. a.: A catalogue of deep mantle plumes: New results from finite-frequency tomography. In: Geochemistry, Geophysics, Geosystems. Bd. 7, 2006, . Diese Zone, die den Übergang vom unteren zum oberen Mantel bildet, wird über Phasentransformationen des Minerals Olivin definiert. Der endotherme Charakter der 660-km-Diskontinuität, also der unteren Grenzschicht der Übergangszone, behindert den Aufstieg des Plumematerials und könnte als Barriere fungieren, unterhalb der sich das Material aufstaut und somit eine weitere thermische Grenzschicht erzeugt. Mantelplumes geringeren Durchmessers wären demnach nicht in der Lage, in den oberen Mantel einzudringen, während Plumes mit großem Durchmesser genügend Auftrieb hätten, ihren Aufstieg fortzusetzen.G. Marquart, H. Schmeling: Interaction of small mantle plumes with the spinel-perovskite phase boundary: implications for chemical mixing. In: Earth and Platentary Science Letters. Bd. 177, 2000, S. 241–254.
Nachdem ein Plume den zähplastischen Erdmantel durchquert hat, trifft das Material im oberen Bereich auf die festere Lithosphäre auf, unterhalb derer es sich pilzförmig in alle Richtungen ausbreitet.J. Korenaga: Firm mantle plumes and the nature of the core-mantle boundary region. In: Earth and Planetary Science Letters. Bd. 232, 2005, S. 29–37. Das heiße Plume-Material heizt den sublithosphärischen Mantel so weit auf, dass die Soliduskurve des Mantelgesteins überschritten wird, d. h. seine Temperatur steigt über den Wert, bei dem Teile des Mantelgesteins unter dem herrschenden Druck zu schmelzen beginnen. Je weiter der Plume aufsteigt, desto mehr Material schmilzt infolge des abnehmenden Druckes auf. Die Schmelze (Magma) strömt durch bestehende Klüfte und ein Netzwerk der durch das Schmelzen gebildeten Gesteinsporen im Muttergestein aufwärts, da sie eine geringere Dichte hat als das Gesteinsresiduum und zudem durch mechanische Spannungen im Muttergestein und den Auflastdruck ausgepresst wird. Dem Druck- und Dichtegradienten weiter folgend, wandert sie im Kluftraum durch die Lithosphäre bis in die Erdkruste, wo sie sich in einer Magmakammer sammelt. Wächst der Druck in der Magmakammer auf ein ausreichendes Maß an, kann die Schmelze schließlich bis zur Erdoberfläche aufdringen und dort einen intensiven Hotspot-Vulkanismus verursachen.
Erforschung Aufgrund der großen Tiefe entzieht sich die Quellregion der Mantelplumes einer direkten Beobachtung. Ihre Entstehung und ihr Aufsteigen können daher nur indirekt untersucht und erforscht werden. Wichtige Werkzeuge, die zum heutigen Bild der Mantelplumes geführt haben, sind numerische Modellierungen und Laborversuche. Modellierungen berechnen aus bekannten oder abgeleiteten physikalischen Parametern des Materials wie z. B. der Dichte oder der Viskosität in Verbindung mit fluiddynamischen Gesetzen die zeitliche Entwicklung eines aufsteigenden Plumes sowie dessen Wirkung auf das umgebende Gestein.T. Nakakuki, D.A. Yuen, S. Honda: The interaction of plumes with the transition zone under continents and oceans. In: Earth and Planetary Science Letters. Bd. 146, 1997, S. 379–391.N. Ribe, U.R. Christensen: Three-dimensional modeling of plume-lithosphere interaction. In: Journal of Geophysical Research. Bd. 99, 1994, S. 669–682. In Laborversuchen wird hingegen die Entwicklung von aufsteigenden Plumes in stark verkleinertem Maßstab untersucht. Hierzu wird die Situation im Erdinneren simuliert, indem zähplastische Flüssigkeiten mit vergleichbaren Viskositäten von unten erhitzt werden, was zur Entstehung von Instabilitäten und Aufströmen führt.R.C. Kerr, C. Mériaux: Structure and dynamics of sheared mantle plumes. In: Geochemistry, Geophysics, Geosystems. Bd. 5, 2004, .A. Davaille, J. Vatteville: On the transient nature of mantle plumes. In: Geophysical Research Letters. Bd. 32, 2005, . Ergebnisse beider Methoden liefern Anhaltspunkte zur Interpretation realer seismologischer Beobachtungen, die auf Effekte von Plumes zurückgeführt werden.
Geeignete seismologische Untersuchungsmethoden für die thermisch bedingten Effekte sind zum Beispiel die seismische Tomographie und die Receiver Functions. So ist die Tomographie in der Lage, die durch den heißen Aufstrom verursachte Verminderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeiten seismischer Wellen im Erdinneren aufzuspüren und deren grobe dreidimensionale Struktur aufzuzeigen.D. Zhao: Global tomographic images of mantle plumes and subducting slabs: insight into deep Earth dynamics. In: Physics of the Earth and Planetary Interiors. Bd. 146, 2004, S. 3–34. Die Receiver-Function-Methode hingegen wird eingesetzt, um Tiefenänderungen seismischer Grenzschichten zu kartieren, die ebenfalls durch die stark erhöhte Temperatur verursacht werden.I. Wölbern u. a.: Deep origin of the Hawaiian tilted plume conduit derived from receiver functions. In: Geophysical Journal International. Bd. 166, 2006, S. 767–781.L.P. Vinnik, V. Farra, R. Kind: Deep structure of the Afro-Arabian hotspot by S receiver functions. In: Geophysikal Research Letters. Bd. 31, 2004, .Li u. a.: Seismic observation of narrow plumes in the oceanic upper mantle. In: Geophysical Research Letters. Bd. 30, 2003, .
Gestalt und sekundäre Effekte Aus der Kombination solcher Untersuchungen wird heute zurückgeschlossen, dass der schmale Schlauch eines Plumes in der Regel einen Durchmesser von einigen zehn bis wenige hundert Kilometern aufweist, während sich der Plumekopf über weitaus größere Flächen ausbreiten kann. Aus den Ergebnissen der Forschung wird weiter abgeleitet, dass die Temperatur des Aufstroms 100 °C bis 300 °C höher liegt als die des umgebenden Materials. Mit dem Auftreten von Mantelplumes sind eine Reihe beobachtbarer geophysikalischer Effekte verknüpft, die wissenschaftliche Erkenntnisse liefern und zur Identifizierung von Plumes und deren oberflächlichen Erscheinungsbildes, den Hotspots, beitragen.