College van de maand: Mantle Plumes

Plaattektoniek is onderhand een bekend begrip. Volgens dit principe is er alleen vulkanisme mogelijk rond de rand van twee bewegende platen. Door het bewegen van de platen, subduceren of divergentie, wordt het vulkanisme verklaard. Echter is vulkanisme ook waarneembaar ver van de rand van een plaat af. Denk aan Yellowstone of Hawaii. Er moet een verklaring zijn waarom er vulkanisme is op een plek waar je het eigenlijk niet zou verwachten.

Rond de jaren 70 werd plaattektoniek geaccepteerd als theorie. John Tuzo Wilson merkte als een van de eerste op dat de eilandengroep van Hawaii moest zijn ontstaan doordat de plaat bewoog over een plek die constant vloeibaar en heet materiaal omhoog bracht. Dit idee van een vaste plek die heet materiaal omhoog brengt werd vervolgens verder uitgedacht door Jason Morgan. Door experimenten en modellen werd vastgesteld dat er pluimen omhoog komen door de mantel heen, zie figuur 1. Vandaar de naam mantel pluim of mantle plumes in het Engels.

Er wordt gedacht dat mantel pluimen ontstaan op grens tussen de kern en de mantel. In de aarde ligt deze grens ongeveer 3000 km onder het aardoppervlakte. De mantelpluim bestaat uit opgewarmd materiaal wat lichter is, waardoor het een kleinere dichtheid heeft. Omdat de dichtheid van de omgeving hoger is en de omgeving dus zwaarder, beweegt het lichtere materiaal zich omhoog. Wanneer het materiaal bijna bij de oppervlakte is, enkele honderd kilometers nog maar verwijderd, kan het partieel smelten. Hierdoor wordt het magma en kan het zich nog makkelijker richting het aardoppervlakte bewegen en vervolgens voor vulkanisme zorgen. Dit kan zich op verschillende manieren uiten. Zo heb je in Hawaii regelmatig vulkaan uitbarstingen die grote lava stromen over het aardoppervlak laten vloeien. Maar Yellowstone heeft juist weinig uitbarstingen en ziet er daarom heel anders uit.

Waarom gaat de dichtheid dalen? De dichtheid verandert voornamelijk door de toenemende temperatuur. Warmte stromingen die uit de aardkern komen zijn een mogelijke verklaring voor de opwarming van de pluim. Naast deze warmtestroom kunnen chemische reacties binnen de mantel helpen.  Er zijn reacties waar warmte bij vrij kan komen. Deze worden exotherme reacties of processen genoemd. Een simpel voorbeeld is kernsplijting. Kernsplijting is een vorm van radioactief verval waarbij een instabiele isotoop splitst in twee kleinere kernen. Hierbij komt er energie vrij.
Verder zijn er chemische reacties die de dichtheid van een bel mantelmateriaal kunnen veranderen. Wanneer mineralen ontstaan in de mantel gebruiken ze elementen. Als het mineraal graag zware elementen opneemt, worden deze elementen onttrokken uit de directe omgeving. Dit leidt ertoe dat de omgeving relatief lichter wordt. De gevormde mineralen zijn relatief zwaarder dan de omgeving en zullen eerder zinken en de omgeving ruimte geven om zich boven het mineraal te verplaatsen.

De rede dat men vermoedt dat de mantelpluimen ontstaan op de kern - mantel grens is vanwege de chemische compositie. Elke afgekoelde steen kunnen we chemisch analyseren. Hierdoor kunnen we zien welke elementen voorkomen en in welke verhoudingen. Uit deze analyse kunnen we vervolgens zien dat veel stenen een verschillende compositie hebben terwijl ze allemaal uit de mantel komen. Er zijn duidelijke verschillen te zien met de compositie van basalten uit mid-oceanisch ruggen (MOR) in vergelijking met basalten ontstaan uit een mantel pluim. Hieruit volgt dat de bron van een MOR in ieder geval niet hetzelfde is als de bron van een mantel pluim.

Het is gemakkelijk om te kijken naar het verschil tussen de basalten van oceanische eilanden en de basalten van mid-oceanische ruggen, dan te kijken naar vulkanisme aan de continentale korst omdat de continentale korst zo dik is. Vulkanisch materiaal dat gevonden wordt rond plaatranden komt vaak door het smelten van een subducerende plaat of komt direct uit de mantel door mid-oceanische ruggen. Door de subductie wordt een grote hoeveelheid sediment en water de mantel in getransporteerd. Dit is terug te vinden gemengd met de basalten van de MOR.

Wanneer men kijkt naar de mid-oceanische rug basalt (MORB) en oceanische eiland basalten (OIB) dan hebben oceanische eilanden hogere ijzer en titanium waardes dan MORB. Ook bevatten ze meer LREE, light rare earth elements. Dit zijn de elementen met atoomnummer 57 tot 64, zie figuur 2. Enkele voorbeelden zijn neodymium (Ne) en cerium (Ce) . Dit leidt tot de conclusie dat de bron van deze twee basalten anders moet zijn. Als de MORB van de bovenste mantel komen dan klinkt het logisch als de OIB vanaf de kern mantel grens komen.

Welke plekken zijn nu mantel pluim locaties? Het idee is dat voor veel plekken die ook hotspots genoemd worden, ze hun voeding halen uit de mantel pluimen. Hawaii is de inspiratie voor het begin van deze theorie. Door de staart van oude vulkaan eilanden is het duidelijk dat er iets bewogen moet hebben om zoveel vulkanen te verkrijgen. We weten dat de platen bewegen.

Andere mogelijke resultaten van mantel pluimen zijn vloedbasalten. Een vloed basalt is een gigantisch oppervlak wat bedekt is geraakt door een grootschalige uitbarsting. Hierbij is dit gebied volledig bedekt met basaltische lava. De Deccan Traps in India, de Sibirische Trappen in Rusland en de Karoo-Ferrar in Zuidelijk Afrika en Antarctica zijn enkele voorbeelden. Deze vloedbasalten vallen onder LIP. Dit zijn Large Igneos Provinces. Grote oppervlaktes waar dus in korte tijd, enkele milioenen jaren of minder, het oppervlakte bedekt word door magmatisch gesteente. Bij deze grote uitbarstingen word gedacht dat er ook veel schadelijke stoffen vrij komen. Sulfaatgassen kunnen vrij komen en zwavelzuur vormt in de atmosfeer wat leidt tot grootschalige koeling van de aarde. LIP’s die zich op de zeebodem bevinden kunnen de hoeveelheid zuurstof in het zeewater verminderen wat grote gevolgen kan hebben voor klimaat.