Plume (Geologie)
Der Name Plume entstammt dem französisch-englischen Wort für Helmbusch und beschreibt damit die Form des Aufstrombereichs heißer Magma, die sich nach oben hin helmbuschartig verbreitert.
Was sind Plumes?
Es handelt sich bei Plumes um aufsteigende Ströme aus besonders heißem Gestein des Erdmantels, die sich in Form einer schmalen Säule zur Erdoberfläche bewegen. Sie bilden sich in knapp 3000 Kilometern Tiefe an der Grenzschicht zwischen dem äußeren Erdkern und dem Erdmantel. Nachdem sie den zähplastischen Erdmantel durchquert haben, verbreitern sie sich pilzförmig unter der Lithosphäre. Im obersten Teil des Erdmantels überschreitet der Plume die Soliduskurve des Mantels, d.h. seine Temperatur liegt oberhalb der Temperatur, bei der Mantelgestein unter dem herrschenden Druck anfängt zu schmelzen. Je weiter der Plume aufsteigt, desto weiter schreitet die Aufschmelzung infolge der Dekompression fort. Die Schmelzen trennen sich vom Muttergestein ab und strömen durch das Netzwerk der durch das Schmelzen gebildeten Gesteinsporen aufwärts, da sie eine geringere Dichte haben als das Gesteinsresiduum und zudem durch mechanische Spannungen im Muttergestein und den Auflastdruck ausgepreßt werden. Wenn sie schließlich die Obergrenze der Schmelzzone im Mantel erreichen, können Sie durch Dikes (Gänge) an Schwächezonen der Erdkruste bis an die Erdoberfläche gelangen und damit Verursacher von Hot-Spot-Vulkanismus werden.
'Normale' Plumes zeichnen sich durch relativ eng begrenzte vulkanische Erscheinungen aus wie z.B. der Plume unter der Vulkaneifel, unter der Inselkette von Hawaii oder unter Island.
Superplumes
Von Superplumes spricht man, wenn die entsprechenden vulkanischen Erscheinungen nicht nur relativ begrenzt sind, sondern Regionen von der Größenordnung eines Kontinents betreffen. Sie bewirken sehr großflächige Hebungen bzw. Auswölbungen des Geoids: So wird z.B. die Landmasse und der sie umgebende Ozeanboden des südlichen Afrikas seit den letzten 100 Millionen Jahren langsam gehoben, und gehört nun mit einem Durchmesser von mehr als 1600 km und einer Höhe von rund 1500 m zu den größten Plateaus der Erde. In Folge des Superplume-Vulkanismus wurden ganze Landstriche mit mehr als zwei Kilometer dicken Basaltschichten bedeckt. Beispiele dafür sind z.B: die Paraná-Basalte in Brasilien oder der Sibirische Trapp im Norden Russlands.
Superplumes in der Erdgeschichte
Kontinentale Ausbrüche von Superplumes waren jedoch nur Einzelfälle. Viel häufiger fanden ihre Auswirkungen an den Ozeanböden statt. Darüber hinaus sind die ozeanischen Basaltplateaus wesentlich größer als die kontinentalen. So besteht das größte ozeanische Plateau (im West-Pazifik) vermutlich aus der 25-fachen Basaltmasse im Vergleich zur größten kontinentalen Decke.
Superplumes in der Kreidezeit
Aller Wahrscheinlichkeit nach haben sich in der Kreidezeit, die vor etwa 135 Millionen Jahren begann und vor ca. 65 Millionen Jahren endete, gewaltige Superplume-Aktivitäten abgespielt. Offenbar war der Westpazifik am stärksten betroffen, wie Untersuchungen des hier besonders zerfurchten Ozeanbodens zeigen. Die heiße Gesteinsschmelze muss ein mehrere tausend Kilometer großes Areal überflutet haben, das ist ein zehnfaches der Flächen, die heute von Plume-Aktivitäten geformt werden.
Die Superplume-Aktivität vor rund 120 Millionen Jahren konnte nicht ohne weitreichende Folgen bleiben:
- Durch die großflächige Hebung des Ozeanbodens, bedingt durch Volumenvergrößerung bei Erwärmung, hob sich der Meeresspiegel um 250 Meter über das heutige Niveau. Infolgedessen waren alle niedrig gelegenen Landstriche überflutet. Die Ablagerungen dieses Meeres bildeten die Kreidefelsen auf Rügen, die Gesteine des Teutoburger Waldes oder die weißen Klippen von Dover in England.
- Die meisten Gebirgsketten entlang der Westküsten Nord- und Südamerikas verdanken ihre Existenz der kreidezeitlichen Superplume-Aktivität. Durch die enorm vergrößerte Lavaproduktion und entsprechend beschleunigte Krustenbildung verstärkte sich die Subduktion. So schoben sich ungewöhnlich große Mengen ozeanischer Kruste unter die Ränder Nord- und Südamerikas. Sie erzeugten durch die einsetzenden gewaltigen Aufschmelzungsprozesse in dieser Zone die Granitkerne der Sierra Nevada (USA) und der Anden.
- Mit der austretenden Lava wurde verstärkt Kohlendioxid frei, das sich in der Atmosphäre anreicherte und damit den natürlichen Treibhauseffekt verstärkte. Die globale Durchschnittstemperatur nahm um etwa 10°C zu.
- Ein Großteil der heutigen Diamantlagerstätten hat seine Entstehung der kreidezeitlichen Plume-Aktivität zu verdanken: Die meisten Diamanten sind vor mehr als 1 Milliarde Jahren in Tiefen von rund 300 Kilometern unter der Erdoberfläche entstanden. Durch den verstärkten Vulkanismus wurden die Diamanten in abbaubare Höhen befördert wie zum Beispiel bei Kimberley in Südafrika.
- Das Erdmagnetfeld hat sich im Laufe der Erdgeschichte mehrfach umgepolt. Dieser Umpolungsprozess vollzieht sich gegenwärtig im Mittel mehr als einmal pro 1 Million Jahre. Während der ca. 40 Millionen Jahre andauernden Superplume-Aktivität behielt das Magnetfeld jedoch seine Richtung durchgängig bei. Welche globalen Folgen diese Umpolung bzw. ihr Fehlen hat, ist noch nicht geklärt.
Andere Wortbedeutungen
Unter Plume werden auch aufsteigende Gasmassen in der Atmosphäre eines Planeten bezeichnet, die – ähnlich dem geologischen Plume – durch große und lokal begrenzte Wärmequellen entstehen, und beim Aufsteigen zumindest kurzfristig die dichteren Bereiche der Atmosphäre verlassen. Atmosphärische Plumes entstehen z.B. beim Einschlag oder atmosphärischem Zerbersten großer Asteroiden oder Kometen, wie z.B. dem Einschlag der Fragmente des Kometen Shoemaker-Levy 9 auf dem Jupiter. Auch Vulkanausbrüche oder große Atombombenexplosionen können zu atmosphärischen Plumes führen.