Was treibt den Yellowstone Vulkan an?

Der heutige Yellowstone Nationalpark wird ja immer gerne als „Supervulkan“ für so manche apokalyptische Story verwendet. Die vulkanische Geschichte des Gebiets ist ja auch von gewaltigen Ausbrüchen geprägt. Die außergewöhnliche Ansammlung hydrothermaler Aktivitäten, die jedes Jahr viele Besucher aus aller Welt anzieht, deutet auch darauf hin, dass sich hier noch einiges im Untergrund befindet. Doch was ist das, was hier für die vulkanische Aktivität sorgt?

Castle Geyser

der Castle-Geysir im Yellowstone Nationalpark. Vermutlich spielt hier kein einfacher Mantelplume den Motor für den Vulkanismus der Gegend, sondern eine alte, längst subduzierte Platte. Eigenes Foto.

 

Ein Mantelplume?

Bislang ging man meist davon aus, dass hier ein so genannter Plume aus den tieferen Regionen des Mantels, eventuell sogar von der Kern-Mantel-Grenze, aufsteigt. Neuere Untersuchungen zeigen, dass diese Vorstellung möglicherweise nicht der Realität entspricht.

Der Yellowstone Vulkan ist seit rund 17 Millionen Jahren aktiv und hat in dieser Zeit seine Spur in den Platten hinterlassen, die in diesem Zeitraum über ihn hinweggedriftet sind. Daher hat sich das Zentrum des Vulkanismus für uns Oberflächenbewohner anscheinend vom südwestlichen Idaho nach Nordwesten in seine heutige Position in Wyoming bewegt. Hier im Bereich des heutigen Nationalparks fand auch der letzte große Ausbruch des „Supervulkans“ vor rund 640 000 Jahren statt. Aus geologischer Sicht also quasi gestern.

Allerdings blieb der tiefere Aufbau des Yellowstone Vulkans bislang etwas im Dunkeln. Mantelplumes lassen sich mit seismischer Tomographie meist gut bis an die Grenze von Erdmantel und Erdkern verfolgen. Prinzipiell sind die heißen und daher flüssigeren Bereiche des Plumes für Schwerwellen von Erdbeben langsamer zu durchqueren als Bereiche, die kälter und fester sind.

Alte Kruste und der Yellowstone Vulkan

Läge also ein klassischer Mantelplume im Bereich des Yellowstone vor, so müsste er sich als ausgedehnter Bereich langsamer Wellengeschwindigkeiten auszeichnen, der sich von der Kern-Mantel-Grenze in rund 2900 Kilometern Tiefe bis unter die Erdoberfläche zieht. So wie das im Falle des Plumes unter den Hawaii-Inseln der Fall ist.

Allerdings fehlt dieses Bild unter dem Yellowstone. Es gibt zwar eine Region langsamer Geschwindigkeit bis in rund 1000 km Tiefe. Aber wie es darunter aussieht, ist bislang unklar.

Vermutlich spielt hier auch die komplexe tektonische Geschichte der Region eine Rolle. Vor rund 200 Millionen Jahren begann die Farallon Platte im Westen unter die Nordamerkanische Platte zu gleiten. Die heutige Juan da Fuca Platte an der nordwestlichen pazifischen Küste ist ein Überbleibsel dieser alten Platte.

Jetzt vermuten einige Forscher, diese tektonische Situation könnte etwas mit der Existenz des Yellowstone Hotspots zu tun haben. Die abtauchende und im Mantel aufschmelzende ozeanische Kruste der Juan de Fuca Platte wäre der Grund für die Existenz des Vulkans.

Die Farallon Platte als Motor

Diesen Ansatz kann man auch noch anders denken. Die absinkende Platte könnte sich wie ein Deckel auf einen Mantelplume legen, und so dessen weiteren Aufstieg wirksam verhindern. Dabei fehlte den Forschern um L. Liu aber noch die Wärmequelle. Also wurde auf der Basis der tomographischen Modelle des Untergrundes unter dem Yellowstone, der Bewegung der subduzierten Platte in den letzten 20 Millionen Jahren, sowie der vulkanischen Geschichte des Hotspot und angrenzender Regionen ein Modell entworfen.

Farallon Plate

Demnach könnte der Vulkanismus der Region nicht nur mit der jüngeren Juan da Fuca Platte respektive deren Subduktion zusammenhängen, sondern auch mit derjenigen der wesentlich älteren Farallon Platte. Deren Reste sind unter immer tiefer in den Mantel eingesunken und reichen bis unter die östlichen Vereinigten Staaten. Durch die Abwärtsbewegung wurde heißes Mantelmaterial ebenfalls in östlicher Richtung bewegt. Als später die Juan da Fuca Platte absank und im Mantel zerbrach, konnte dieses heiße Mantelmaterial durch die Brüche aufsteigen.

Auf der Oberseite der abtauchenden Juan de Fuca Platte teilten sich die Wege des aufsteigenden Mantelmaterials. Ein Teil bewegte sich Richtung Westen und förderte den Vulkanismus der Basin and Range Region. Ein anderer Teil schlug eine östliche Richtung ein und wurde dort zur Quelle des Yellowstone Hotspots. Dabei kann die Beteiligung eines tiefen Mantelplumes nicht vollkommen ausgeschlossen werden. Er hat, zumindest dieser Theorie zu Folge, aber wohl nur einen kleinen Anteil an dem Vulkanismus vom Yellowstone.

Ob das die endgültige Lösung des Rätsels ist, möchte ich bezweifeln. Es zeigt aber, dass unsere Erde manchmal recht kompliziert funktioniert. Ich bin mir sicher, dass die Diskussion gerade erst eröffnet wurde.

Quan Zhou, Lijun Liu & Jiashun Hu: Western US volcanism due to intruding oceanic mantle driven by ancient Farallon slabs, Nature Geosciencevolume 11, pages70–76 (2018)

Gunnar Ries studierte in Hamburg Mineralogie und promovierte dort am Geologisch-Paläontologischen Institut und Museum über das Verwitterungsverhalten ostafrikanischer Karbonatite. Er arbeitet bei der CRB Analyse Service GmbH in Hardegsen. Hier geäußerte Meinungen sind meine eigenen

2 Kommentare Schreibe einen Kommentar

  1. Die in den Mantel subduzierten Slabs der Farallón- / Juan da Fuca-Platte zur Erklärung der relativ weit östlich im Back Arc gelegenen Yellowstone-Caldera heranzuziehen, ist sicherlich nicht verkehrt. Vielleicht ist die Erklärung jedoch simpler – auf die Zusatzannahme der Teilung des Magmas eines Plumes in einen “Sub-Plume” östlich und einen anderen westlich des relativ kühlen Plattenrests kann man vielleicht verzichten und davon ausgehen, dass sich der Subduktionswinkel ein paarmal geändert hat – bei niedrigem Winkel landen leicht aufschmelzbare, spezifisch leichte, wasser- und SiO2-reiche Krustengesteine inklusive Sedimentbecken relativ weit unter der Oberplatte, hier die nordamerikanische, bevor sie partiell aufschmelzen und palingene Magmen in die Oberkruste aufsteigen lassen. Durch ihr Leichtgewicht können sie isostatische Hebungen weit im Back Arc verursachen – im Fall der Farallón-Platte hätte die Front Range ihre Existenz diesem Phänomen zu verdanken, im Falle der Nazca-Platte wären z.B. das Altiplano und die Sierras Pampeanas solche von flach subduzierten Plattenresten erzeugte Hochgebiete auf der Oberplatte. Im Osten des Altiplanoo gibt es mindestens einen “Supervulkan” a’ la Yellowstone; das ist der Uturuncu in Bolivien.
    Die Cascade Range und die Vulkane am Westrand des Plattenrandes sind die ganz normalen Vulkane des Inner Arc; sie müssen nicht – und werden i.d.R. auch nicht – durch Mantelplumes angetrieben werden.

    Durch die Hintertür kann natürlich der Plume wieder hereinkommen: Als Mechanismus der relativ schnellen Aufheizung des Slabs der Unterplatte – evtl. beeinflusst seine Lage auch die Dichtedifferenz der Mantelmagmen und des Krustenslabs und damit mittelbar den Abtauchwinkel.

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