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Neue Methode zeigt die tief verborgenen Wurzeln von Vulkanen
Hotspot-Vulkane können von Mantelplumes gespeist werden, deren verschlungene Aufstiegswege sich bislang kaum eindeutig zurückverfolgen ließen. Eine neue graphentheoretische Methode verbindet nun seismische Strukturen mit der Isotopenchemie von Lava. Für acht Hotspots in Ostafrika und im Indischen Ozean ergeben sich mindestens drei unterschiedliche Quellregionen nahe der Kern-Mantel-Grenze.
Cambridge (U.S.A.). Die meisten Vulkane liegen an den Grenzen tektonischer Platten. Einige Hotspots entstehen dagegen weit davon entfernt und werden mit Mantelplumes in Verbindung gebracht, also sehr langsam aufsteigenden Bereichen heißen Mantelgesteins, die ihren Ursprung tief im Erdinneren haben können.
Seismische Tomografie macht solche Strukturen über die Ausbreitung von Erdbebenwellen sichtbar. Neuere Aufnahmen zeigen jedoch keine einfachen senkrechten Röhren, sondern verzweigte Netzwerke, in denen sich auffällige Bereiche biegen, vereinigen oder aufteilen. Dadurch blieb oft unklar, welcher tiefe Ursprung zu welchem Hotspot an der Oberfläche gehört.
Geophysiker Xiyuan Bao von der Harvard University und seine Kollegen haben dieses Zuordnungsproblem nun mit Methoden der Graphentheorie bearbeitet. Ihr Ansatz überträgt das Prinzip von Navigationssystemen auf den Erdmantel. Statt Straßen werden mögliche Verbindungen durch dreidimensionale seismische Strukturen bewertet, wobei unter anderem Weglänge und seismische Geschwindigkeit in die Gewichtung eingehen.
Das Team wandte die Methode auf acht Hotspots in Ostafrika und im Indischen Ozean an, zwei an Land und sechs im Meer. Für jeden Hotspot berechneten die Forscher nicht nur eine einzelne Route, sondern Ensembles plausibler Wege durch ein hochauflösendes regionales Tomografiemodell. Anschließend gruppierten sie diese Wege mit einer Clusteranalyse.
Entscheidend war der unabhängige Vergleich mit der Geochemie. Eine multivariate Analyse der Isotopenverhältnisse von Basalten aus den betroffenen Hotspots ergab eine ähnliche Gruppierung wie die seismisch rekonstruierten Pfade. Damit stützen zwei unterschiedliche Datentypen dieselbe grobe Einteilung der tiefen Quellregionen.
Die Auswertung ordnet die acht Hotspots mindestens drei Gruppen zu. Eine verbindet Ostafrika mit den Komoren, eine zweite betrifft Réunion und eine dritte umfasst mehrere Hotspots im Indischen Ozean. Die zugehörigen Quellzonen liegen nahe der Kern-Mantel-Grenze in rund 3.000 Kilometern Tiefe.
„Dies ist die erste gemeinsame geophysikalisch-geochemische Zonierungskarte des untersten Erdmantels. Im Grunde weist die Navigationskarte weiten Regionen tief im Erdinneren sowohl eine Adresse als auch eine chemische Identität zu“, sagt Xiyuan Bao.
Die Zonen liegen innerhalb der afrikanischen Large Low-Shear-Velocity Province, einer ausgedehnten Region im untersten Mantel mit auffällig niedrigen Scherwellengeschwindigkeiten. Die Studie deutet darauf hin, dass dieser Bereich nicht einheitlich aufgebaut ist, sondern mindestens drei kompositionell unterschiedliche Domänen enthält. Zudem können einzelne Hotspots mit mehreren tiefen Quellen verbunden sein, während eine Quellregion mehrere Hotspots speisen kann.
Die Ergebnisse sprechen außerdem dagegen, die Dynamik der Plumes allein mit hohen Temperaturen zu erklären. Scharfe Grenzen zwischen tiefen Strukturen deuten nach der Interpretation der Forscher darauf hin, dass sich die Bereiche auch in ihrer Zusammensetzung und möglicherweise in ihrer Dichte vom umgebenden unteren Mantel unterscheiden.