Wie entstand der größte Vulkan der Welt? Chinesische Wissenschaftler schlagen ein neues Modell zur Entstehung unterseeischer Vulkane vor!

Kürzlich ist Zhang Jinchang, einem Forscher am South China Sea Institute of Oceanology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, und seinem internationalen Kooperationsteam ein weiterer wichtiger Durchbruch bei der Untersuchung des Entstehungsmechanismus des größten Einzelvulkans der Erde, Tamu Large, gelungen. Dabei wurde festgestellt, dass die Wechselwirkung zwischen Mantelplumes und Mittelozeanischen Rücken ein neues Modell für die Entstehung dieses Unterwasservulkans darstellt. Am X. Tag des X. Monats 2023 wurden die Ergebnisse in der weltweit führenden wissenschaftlichen Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht.

Das Tamu-Massiv ist ein ruhender Vulkan auf dem Meeresboden des westlichen Pazifiks im Gebiet des Schatski-Hügels, etwa 1.000 Kilometer östlich von Japan. Es umfasst eine Fläche, die der Gesamtfläche der Provinzen Guangdong und Guangxi entspricht und mehr als 60 % des gesamten Shatsky-Anstiegs ausmacht. Der Schatski-Rücken ist das drittgrößte ozeanische Plateau der Welt, nur übertroffen vom Ontong-Java-Plateau im Pazifischen Ozean und dem Kerguelen-Plateau im Indischen Ozean. Beides sind typische große magmatische Provinzen im Ozean, also supervulkanische Ausbruchsgebiete.

▲Verteilung der drei größten Meeresbodenplateaus der Welt (Foto bereitgestellt vom Forschungsteam)

In der wissenschaftlichen Gemeinschaft gibt es Kontroversen über den Entstehungsmechanismus des Tamun-Vulkans und des Shatsky-Aufstiegs. Es gibt zwei Hauptansichten: (1) das Mantelplume-Modell, das davon ausgeht, dass großräumige magmatische Aktivitäten durch Mantelplumes mit hohen Temperaturen verursacht werden, die tief im Mantel entstehen und an die Oberfläche aufsteigen; (2) Das Plattenmodell, das davon ausgeht, dass großräumige magmatische Aktivitäten durch Dekompressionsschmelzen des anormal schmelzbaren oberen Erdmantels vor dem Hintergrund der Spreizung des Meeresbodens, ähnlich wie bei Mittelozeanischen Rücken, verursacht werden, ohne dass offensichtliche Temperaturanomalien erforderlich sind.

Seit dem letzten Jahrhundert haben unsere Vorgänger wissenschaftliche Meeresexpeditionen zum Schatski-Rücken durchgeführt und dabei eine Fülle von Daten aus geophysikalischen Erkundungen und Gesteinsproben gesammelt. Die akademische Gemeinschaft ist außerdem ständig auf der Suche nach wissenschaftlichen Beweisen zur Unterstützung des Mantelplume-Modells bzw. Plattenmodells, um die Debatte über seinen Entstehungsmechanismus zu beenden.

Die Entdeckung von Tamu Large wurde im September 2013 bekannt gegeben. Zhang Jinchang und sein Team analysierten seismische Daten und Daten aus Meeresbohrungen und wiesen darauf hin, dass der schildförmige Tamu Large der größte einzelne Vulkan der Erde ist und nicht nur den Vulkan Mauna Loa auf Hawaii übertrifft, sondern auch mit dem Olympus Mons auf dem Mars vergleichbar ist. Darüber hinaus entspricht die Struktur des Flutbasalts auf dem Vulkan dem Modell eines Supervulkans mit Mantelplume-Eruption. Anschließend fuhr ihr Team erneut aufs Meer hinaus, um detaillierte geomagnetische Messungen des Vulkans Tamu durchzuführen. Im Jahr 2019 ergab die Analyse geomagnetischer Daten, dass das Innere des Vulkans Tamu streifenförmige magnetische Anomalien aufweist, die mit den geomagnetischen Eigenschaften des durch die Spreizung des Meeresbodens entstandenen Mittelozeanischen Rückens und dem Plattenmodell übereinstimmen. Diese beiden Ergebnisse wurden 2013 bzw. 2019 in der Zeitschrift Nature Geoscience veröffentlicht.

▲Karte der Meeresbodentopographie des Vulkans Tamu (bereitgestellt vom Forschungsteam)

Das Rätselhafte dabei ist, dass sowohl das Mantelplume- als auch das Plattentektonik-Modell durch die oben genannten wichtigen Belege gestützt werden und es schwierig ist, zwischen beiden zu unterscheiden. Mit anderen Worten: Keines der Modelle kann das Problem der Entstehung des Tamu-Vulkans allein lösen. Daher ist es dringend erforderlich, ein alternatives Modell zu entwickeln, um die bestehenden Beobachtungen besser zu erklären.

Daher verwendeten Zhang Jinchang und sein Team eine kombinierte numerische Simulationsmethode aus Thermodynamik und Chemie, um zwei Testmodelle des Entstehungsmechanismus des Tamu-Vulkans zu erstellen: Das erste war ein einzelnes Modell der Meeresbodenausbreitung und das zweite war ein Modell der Wechselwirkung zwischen Mantelplume und Mittelozeanischem Rücken. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die allein für die Ausbreitung des Meeresbodens erforderliche potenzielle Manteltemperatur viel höher ist als die durchschnittliche potenzielle Manteltemperatur des globalen Mittelozeanischen Rückensystems, was unvernünftig ist. während die vom Mantelplume- und Mittelozeanischen Rücken-Interaktionsmodell geschätzte potenzielle Manteltemperatur moderat und vernünftiger ist. Darüber hinaus steht der vom Mantelplume- und Mittelozeanischen Rücken-Interaktionsmodell geschätzte Grad der Mantelschmelze im Einklang mit früheren Schätzungen auf Grundlage geochemischer Elemente. Daher kommt man zu dem Schluss, dass die Wechselwirkung zwischen Mantelplumes und Mittelozeanischen Rücken das plausibelste Modell für die Entstehung des Tamu-Vulkans ist.

▲ Mechanismus der Bildung von Meeresbodenplateaus (Foto bereitgestellt vom Forschungsteam)

Zhang Jinchang fügte hinzu: „Das Modell der Wechselwirkung zwischen Mantelplumes und Mittelozeanischen Rücken ähnelt dem ‚1+1=2‘-Effekt. Doch wie wirken sich Mantelplumes auf die Mittelozeanischen Rücken aus? Möglicherweise handelt es sich dabei um den dynamischen Prozess, bei dem Mantelplumes Übergänge zu Mittelozeanischen Rücken induzieren. Dieser ist jedoch noch nicht eingehend erforscht.“

Die Forschung am Vulkan Tamu liefert auch Erkenntnisse zur Entstehung und Entwicklung mariner Supervulkane auf der ganzen Welt. Immer mehr Forschungsergebnisse zeigen, dass Supervulkane im Ozean weit verbreitet auf oder in der Nähe von Mittelozeanischen Rücken vorkommen, wie beispielsweise auf dem oben erwähnten Ontong-Java-Plateau und dem Kerguelen-Plateau. Dies bedeutet, dass zwischen vielen Meeresbodenplateaus und Mittelozeanischen Rücken eine starke Verbindung besteht. Ist also die Wechselwirkung zwischen Mantelplumes und Mittelozeanischen Rücken eine notwendige Voraussetzung für die Bildung globaler Meeresbodenplateaus oder ist Tamu Large nur ein Sonderfall? Dieses globale und universelle Problem muss in Zukunft durch weitere Forschung gelöst werden.

Darüber hinaus beantwortete der Forscher Zhang Jinchang in einem früheren Interview mit Wanxiang Daily auch Fragen wie „Welche Arten von Unterwasservulkanen gibt es?“, „Warum werden Unterwasservulkane nicht durch Meerwasser gelöscht?“, „Die Bedeutung der Erforschung von Unterwasservulkanen für uns Menschen“ und „Wie weit sind Unterwasservulkanausbrüche von uns entfernt?“ Im Folgenden finden Sie das Originalinterview.

Was ist gefährlicher, ein Unterwasservulkan oder ein Landvulkan?

Die Standorte von Unterwasservulkanen und Vulkanen an Land sind unterschiedlich. Unterwasservulkane sind Vulkane im Ozean. 30 % der Erdoberfläche sind Land und 70 % sind Ozean. Diesem Verhältnis zufolge müsste es im Meer mehr Vulkane geben als an Land.

Geologisch gesehen liegen Vulkane an Land in der kontinentalen Kruste, also der Erdkruste der Kontinente, während Vulkane im Meer in der ozeanischen Kruste liegen. Die Kruste des Kontinents ist relativ dick, relativ fest und stabil; Die Kruste im Ozean ist relativ dünn und aktiver. Aus dieser Perspektive ist die Wahrscheinlichkeit von Vulkanausbrüchen im Ozean höher.

Was Katastrophen angeht, gibt es viele Städte an Land, sie sind sehr entwickelt und die Bevölkerung ist relativ dicht. Wenn ein Vulkan an Land ausbricht, sind die Folgen für unsere Wirtschaft, unsere Gesellschaft und unsere persönliche Sicherheit sowie für die Sicherheit unseres Eigentums mit Sicherheit schwerwiegender.

Welche Arten von Unterwasservulkanen gibt es?

Abhängig von ihrer tektonischen Lage werden Unterwasservulkane grob in drei Typen unterteilt. Die feste Schicht (Platten) auf der Erdoberfläche schwimmt auf der Asthenosphäre und ist beweglich, d. h. es findet eine Bewegung zwischen den Erdplatten statt. Darunter sind zwei Arten von Vulkanen, die an den Grenzen der Platten entstehen.

Der erste Typ sind Ozeanrückenvulkane, die an den Wachstumsgrenzen von Platten entstehen. Wenn sich die Platten ausdehnen, brechen an den Mittelozeanischen Rücken Vulkane aus und bilden Tausende Kilometer lange Unterwasserberge.

Der zweite Typ wird Inselbogenvulkan genannt und entsteht an der Todesgrenze der Platte. Die Platten sinken ab und transportieren Wasser, kohlenstoffhaltige Meeresablagerungen und Gestein in das tiefe Erdinnere. Wenn Temperatur und Druck allmählich ansteigen, schmelzen die Gesteine ​​und das Magma bricht zurück auf den Meeresboden.

Es gibt einen anderen Vulkantyp, den sogenannten Hotspot-Vulkan, der nicht an den Grenzen von Platten, sondern innerhalb der Platten auftritt. Hot Spots sind Orte, an denen sich heiße Materie im Erdinneren konzentriert, ähnlich wie die Feuerquelle eines Gasherds zu Hause. Angenommen, es gibt eine Feuerquelle im Inneren der Erde und die Erdoberfläche ist eine feste Platte, dann wird die Feuerquelle die darüberliegende Platte weiter ausbrennen, bis diese durchgebrannt ist und Magma aus dem Inneren der Platte ausbricht.

Warum werden Unterwasservulkane nicht durch Meerwasser gelöscht?

Der erste Punkt, den jeder möglicherweise übersehen hat, ist, dass das bei Vulkanausbrüchen entstehende Magma mit hoher Temperatur und hohem Druck den Druck des Meerwassers durchbrechen und bis zum Meeresboden austreten kann.

Der zweite Punkt ist, dass die Quelle des Magmas mit hoher Temperatur und hohem Druck tief in der Erde liegt und Meerwasser nicht eindringen kann. Es kann die Quelle des Vulkans nicht löschen, sondern nur das ausgebrochene Magma. Das alte Magma wird durch Meerwasser gelöscht und neues Magma bricht erneut aus. Meerwasser kann Unterwasservulkane also grundsätzlich nicht löschen.

Wie weit sind unterseeische Vulkanausbrüche von uns entfernt?

Viele Menschen sind besorgt über die Auswirkungen, die so viele Unterwasservulkane auf unser Land haben. Tatsächlich sind die Unterwasservulkane in unserem Land und den umliegenden Gebieten hauptsächlich in der ersten Inselkette verteilt, also von Japan über Taiwan und China bis hin zu den Philippinen. Die Vulkane der ersten Inselkette sind allesamt Inselbogenvulkane. Es gibt viele Inselbogenvulkane und ihre Kraft ist relativ stark. Die Auswirkungen ihres Ausbruchs sind relativ groß, aber glücklicherweise sind sie relativ weit von unserem Land entfernt.

Etwas näher an unserem Land, auf dem Kontinentalschelf unseres Landes, gibt es verstreute Unterwasservulkane. So gibt es beispielsweise auf den Kontinentalschelfen unserer Inseln Hainan und Leizhou sowie unserer Nachbarländer Vietnam und Südkorea verstreut Vulkane. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Hotspot-Vulkane. Es gibt nicht viele Hotspot-Vulkane und ihre Auswirkungen sind relativ geringer als die der Vulkane in der ersten Inselkette.

Wenn wir speziell die Guangdong-Hongkong-Macao Greater Bay Area betrachten, in der wir leben, können wir uns sogar noch glücklicher schätzen, da diese Region relativ sicher vor Unterwasser-Vulkankatastrophen ist.

Die Bedeutung unterseeischer Vulkane für uns Menschen erforschen

Da es sich bei Vulkanausbrüchen um Prozesse handelt, bei denen Materie und Energie aus dem Erdinneren an die Erdoberfläche transportiert werden, ist die Untersuchung unterschiedlicher Vulkantypen von großer Bedeutung für das Verständnis der inneren Funktionsgesetze der Erde, wie etwa der Plattenbewegung, der Mantelkonvektion und der Evolutionsgeschichte der Erde als Ganzes.

Dank der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie verfügen wir heute über zahlreiche Hightech-Werkzeuge, die zur Überwachung von Unterwasservulkanen und damit verbundenen Veränderungen der Meeresumwelt eingesetzt werden können. Dazu gehören Meeresbodenseismometer, Hydrophone, Unterwasser-Glasfasern, Tiefsee-Schleppmessungen, Bojen und Anker, die bei der Überwachung von Vulkanen helfen können. Darüber hinaus ist es auch in der Lage, sehr detaillierte Messungen vor Ort durchzuführen, unter anderem an den Tauchbooten Jiaolong, Fendouzhe und Deep Sea Warrior. Unser Land baut außerdem ein Unterwasser-Beobachtungsnetz auf und wird in unseren Gewässern ein Beobachtungssystem einsetzen, das eine langfristige, kontinuierliche, umfassende Echtzeit-Beobachtung vor Ort vom Meeresboden bis zur Meeresoberfläche ermöglicht.

Mit einem systematischen Beobachtungsnetzwerk können wir die Entstehungsmechanismen von Vulkanen und Umweltveränderungen besser verstehen, Risikobewertungen durchführen und eine sehr gute theoretische Grundlage und technische Unterstützung für unsere Katastrophenprävention und -minderung bieten.

Zhang Jinchang | Einer der Entdecker des Tamu-Vulkans, Forscher am South China Sea Institute of Oceanology, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Gewinner des herausragenden Jugendprojekts der Guangdong Natural Science Foundation. In den letzten Jahren hat er mehr als zehn wissenschaftliche Forschungsprojekte auf nationaler, provinzieller, ministerieller und internationaler Ebene durchgeführt und war als Co-Chefwissenschaftler für die Western Pacific Undersea Volcano Survey Voyage verantwortlich. Die Forschungsergebnisse zum Tamu-Massiv, „dem größten einzelnen Vulkan der Erde“, wurden von Nature in die Top Ten der wissenschaftlichen Nachrichten des Jahres und in die Zusammenstellung herausragender Ergebnisse der Grundlagenforschung in der Provinz Guangdong aufgenommen.