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Plume - Mantelplume

Prinzip von Mantelplumes

Mantel-Plume (kurz auch Plume, aus dem Englischen/Französischen für „buschige Feder“ oder „Rauchfahne“) ist eine geowissenschaftliche Fachbezeichnung für einen Aufstrom heißen Gesteinsmaterials aus dem tieferen Erdmantel. Mantelplumes weisen in der Tiefe eine schlanke, schlauchartige Form auf und verbreiten sich bei Erreichen der starren Lithosphäre helmbuschartig oder pilzförmig. Im deutschen Sprachraum wird auch die Bezeichnung Manteldiapir (oder kurz Diapir) verwendet. Mantel-Plumes werden für eine besondere Form des Vulkanismus verantwortlich gemacht, der nicht an Plattengrenzen gebunden ist und als Hotspot-Vulkanismus bezeichnet wird. 

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.

Entstehung

Mantelplumes entstehen nach heutigem Wissen aus Instabilitäten einer thermischen Grenzschicht. 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. 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.

Wechselwirkung mit der Lithosphäre

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. Das heiße Plume-Material heizt den sublithosphärischen Mantel so weit auf, dass die Soliduskurve des Mantelgesteins überschritten wird, d. h. seine Temperatur steigt über die Temperatur, bei der 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. 

Bedeutung in der Geothermie

Für die meisten, insbesondere Hochenthalpie-Standorte der Geothermie wird in einem konzeptionellen Modell eine Magmakammer als Wärmequelle angenommen. Derartige Magmakammern als Teil des Vulkanismus werden im Regelfall mit Manteplumes im Zusammenhang stehen. Manteplumes haben also eine fundamentale Bedeutung in der Geothermie, auch wenn dies in den meisten Fällen mehr hypothetisch ist. Dies hängt auch damit zusammen, dass unterhalb geothermischer Reservoire meist nicht oder nur unzureichend exploriert wird. Diese Tiefen sind eben wirtschaftlich nur dann von Interesse, wenn geplant wird, die Geothermienutzung zur Tiefe hin zu erweitern (in ultra-hightemp-geothermal-systems, UHGS).

Literatur

Joachim R. R. Ritter, Ulrich R. Christensen (Hrsg.): Mantle Plumes – A Multidisciplinary Approach. Springer Verlag, Berlin 2007, ISBN 978-3-540-68045-1. (englisch)

Kent C. Condie: Mantle Plumes and Their Record in Earth History. Cambridge University Press, Cambridge 2001, ISBN 0-521-01472-7. (englisch) 

Stober, I., Richter, A., Brost, E., Bucher, K. : The Ohlsbach Plume: Natural release of Deep Saline Water from the Crystalline Basement of the Black Forest. In: Hydrogeology Journal, Springer, Berlin/Heidelberg. Nummer 7 (3) (1999), S. 273-283 

Sturchio, N., Ohsawa, S., Sano, Y., Arehart, G., Kitaoka, K., Yusa, Y.: Geochemical characteristics of the Yufuin outflow plume, Beppu hydrothermal system, Japan. In: Geothermics Nummer 25(2) (April 1996), S. 215-230 

Shuyin Niu, Aiqun Sun, Huabing Hu, Jianzhen Zhang and Baode Wang: The Multi-Evolution of Mantle Plume and the Mechanism of Geothermal Origin in the Eastern North China . Asian Geothermal Symposium , 2006.

Weblink

https://de.wikipedia.org/wiki/Plume_(Geologie)