Geodynamic modelling and tomographic visibility of a mantle plume under La Réunion
Final Report Abstract
Unter einem Mantelplume versteht man einen annähernd ortsgebundenen Aufstrom heißen Materials, der durch den gesamten Erdmantel aufsteigt. In Wechselwirkung mit den über ihn dahinwandernden tektonischen Platten kann der Plume-Stiel eine ganze Kette von Vulkanen abnehmenden Alters erzeugen, einen sogenannten Hotspot Track. Allerdings hat nicht jeder Plume die typischen Spuren hinterlassen, die diese geradlinige klassische Theorie vermuten lassen würde. Das Hauptziel von Work Package 1 dieses Projektes bestand deshalb darin, zu untersuchen, wie gut die klassische Plume-Theorie die komplexen vulkanischen Produkte an der Erdoberfläche erklären kann. Konkret wurden regionale geodynamische Modelle konstruiert, um die drei individuellen und zunehmend komplexen Vorgeschichten der Plumes unter der Insel La Réunion, Island und dem Kerguelen-Archipel zu entschlüsseln. Die dreidimensionalen numerischen Modelle wurden mit dem Code ASPECT berechnet, einer Open-Source-Software, die auf Mantelkonvektions-Modelle spezialisiert ist. Im Fall des Réunion-Plumes konnte erklärt werden, wie die auffällige und bisher unerklärliche Lücke im Hotspot Track zwischen den Malediven und der Chagos-Inselgruppe durch die Interaktion zwischen dem Plume und der Geometrie des Mittelozeanischen Rückens erzeugt wird. Des Weiteren wird der von der eigentlichen Richtung des Hotspot Tracks stark abweichende Rodrigues-Rücken im Modell durch einen sublithosphärischen Strömungskanal zwischen dem aufsteigenden Plume und dem ihm nächstgelegenen Segment des Mittelozeanischen Rückens gebildet. Dies bestätigt die Hypothese von Jason Morgan, dem Initiator der Plume-Theorie, aus dem Jahr 1978 zum allerersten Mal in einem dynamischen Kontext. Zudem weist der für heute vom Modell vorhergesagte, stark gekrümmte Plume eine exzellente Übereinstimmung mit den vorläufigen seismischen Tomographiebildern auf, die im Rahmen des RHUM-RUM Projektes ausgewertet werden. Ingesamt verdeutlichen die Ergebnisse wie wichtig die Interaktion zwischen Plume und Mittelozeanischen Rücken für die Entstehung eines spezifischen Hotspot Tracks sowie regional bedingten Merkmalen ist. Die Arbeit trägt allgemein zu unserem Verständnis der Dynamik von Mantelplumes bei und erweitert zudem unser spezifisches Wissen über die Vorgeschichten der Plumes unter La Réunion, Island, und den Kerguelen. Work Package 2 berechnete eine neuartige seismische Tomographie, d.h. ein dreidimensionales Modell der Struktur von Erdkruste und oberem Mantel unter der 2000 x 2000 km2 umfassenden, ozeanischen Region um La Réunion herum, die durch Seismometer unseres RHUM-RUM Experimentes abgedeckt wurde. Dafür wurde mikroseismisches Rauschen nutzbar gemacht, das ständig durch Stürme über den Meeren erzeugt wird und auf seismischen Stationen weltweit ein dominantes Signal im Frequenzbereich 1/5 Hz bis 1/15 Hz darstellt. Wir demonstrierten, das zwei Seismometer auf dem Meeresboden hunderte bis >2000 km voneinander entfernt sein können und trotzdem dasselbe, kohärente Rauschsignal aufzeichnen. Dies war überaschend, den in der Literatur hatten wir kohärente Beobachtungen nur über weniger als 100 km gefunden, aber andererseits nutzt die von unser entwickelte Methode zur Signalverarbeitung das schwache Signal auch viel systematischer aus als frühere Ansätze. Zunächst nutzten wir diese Methode der mikroseismischen Korrelationen, um das absolute Zeitsignal auf unseren Ozeanboden-Seismometern zu rekonstruieren, das durch ein Batterieversagen während des Experiments verlorengegangen war. Dies gelang für alle Stationen mit sehr hoher Genauigkeit und mit hoher Zeitauflösung (d.h. von Tag zu Tag). Unsere Methode funktioniert so gut für relativ weit voneinander entfernte Stationen (bis zu 200 km) und ist so automatisierbar, dass man damit fast alle früheren und zukünftigen seismologischen Experimente auf Zeitfehler scannen und korrigieren könnte. Darin besteht die allgemeinere Bedeutung dieses Ergebnisses. Die Korrelationsfunktionen wurden dann zur Tomographie verwendet, wobei die Besonderheit wiederum in den großen Stationsdistanzen bestand. Die Bildgebung erfolgte zusammen mit einem schon früher aus Erdbeben gewonnenen Datensatz, der aber die obersten 30-40 km des Erdinneren nicht gut ausleuchten konnte. Die neuen, mikroseismischen Daten sind ideal komplementär, so dass wir detailliert sehen und interpretieren können, wie der Mantelplume die ozeanische Platte durch seine Magmazufuhr modifiziert hat.
Publications
- (2019): Applications of ambient seismic noise: clock error detection and group velocity estimation in land and ocean bottom seismograms. PhD thesis Ludwig-Maximilians-Universität München, 123 p.
Hable, Sarah
- (2017), How plume-ridge interaction shapes the crustal thickness pattern of the Réunion hotspot track, Geochem. Geophys. Geosyst., 18, 2930-2948
Bredow, E., Steinberger, B., Gassmöller, R., and Dannberg, J.
(See online at https://doi.org/10.1002/2017GC006875) - (2018), Variable melt production rate of the Kerguelen hotspot due to longterm plume-ridge interaction, Geophys. Res. Lett., 45, 126-136
Bredow, E., and Steinberger, B.
(See online at https://doi.org/10.1002/2017GL075822) - (2018). Clock errors in land and ocean bottom seismograms: high-accuracy estimates from multiple-component noise cross-correlations, Geophysical Journal International, Volume 214, Issue 3, September 2018, Pages 2014-2034
Sarah Hable, Karin Sigloch, Guilhem Barruol, Simon C. Stähler, Céline Hadziioannou
(See online at https://doi.org/10.1093/gji/ggy236) - (2018): Geodynamic models of plume-ridge interaction, PhD Thesis, Potsdam : Universität Potsdam, 158 p.
Bredow, E.
- (2019), Widespread Cenozoic volcanism in the North Atlantic-Greenland region explained by the Iceland plume, Nat. Geosci., 12, 61-68
Steinberger, B., Bredow, E., Lebedev, S., Schaeffer, A., and Torsvik, T.H.
(See online at https://doi.org/10.1038/s41561-018-0251-0) - (2019). Tomography of crust and lithosphere in the western Indian Ocean from noise cross-correlations of land and ocean bottom seismometers, Geophysical Journal International
Sarah Hable, Karin Sigloch, Eléonore Stutzmann, Sergey Kiselev, Guilhem Barruol.
(See online at https://doi.org/10.1093/gji/ggz333)
