Hotspot (Geologie)

Begriff und Bedeutung

Hotspots sind lokal begrenzte, relativ stationäre und besonders heiße Bereiche der Asthenosphäre. Sie stehen mit Manteldiapiren in Zusammenhang und zeigen sich in der darüberliegenden Erdkruste durch vulkanische Aktivität oder wenigstens durch eine erhöhte Wärmeflussdichte. Hotspot-Vulkanismus liegt meist weit von Plattenrändern entfernt und heißt deshalb auch Intraplattenvulkanismus.

Als mögliche Ursache des Intraplattenvulkanismus wurden Hotspots erstmals 1963 vom Geologen John Tuzo Wilson erwogen. Ihre genaue Anzahl ist unklar, weil kleine Plumes schwer zu erkennen sind.

Entstehung von Vulkanismus

Im Bereich eines Hotspots steigt besonders heißes Mantelmaterial aus dem tiefen Erdinneren auf, möglicherweise von der Kern-Mantel-Grenze. Die etwa 150 km breiten Aufstiegszonen heißen Manteldiapire oder mantle plumes.

Die hohe Temperatur führt im oberen Mantel zu verstärkter Aufschmelzung. Die dabei entstehenden Schmelzen haben eine geringe Dichte, können zur Oberfläche aufsteigen und verursachen meist basaltischen Vulkanismus. Das gebildete OIB (ocean island basalt) besitzt oft eine deutlich andere geochemische Signatur als MORB (midocean ridge basalt).

Lithosphärenplatten gleiten ständig über einem weitgehend ortsfesten Hotspot hinweg. Solange ein Bereich der Platte über der Mantelanomalie liegt, wird dort ein Vulkan mit Schmelze versorgt. Dadurch entstehen nacheinander Vulkangebäude und Vulkanketten, etwa die Hawaii-Inseln. Hotspot-Vulkanismus ist besonders häufig in Ozeangebieten: Die ozeanische Kruste ist im Mittel nur 6 km dick, kontinentale Kruste dagegen ungefähr 30 km und daher schwerer zu durchdringen.

Plattenbewegungen aus Vulkanketten ableiten

Hotspot-Vulkane auf ozeanischer Kruste liefern Daten zur Bestimmung aktueller, also post-miozäner, und vergangener Plattenbewegungen. Aus dem Alter der Basalte einer Inselkette und der scheinbaren Wanderung des Hotspots lassen sich Richtung und Geschwindigkeit der zugehörigen Lithosphärenplatte rekonstruieren.

Beim Hawaii-Archipel wurden Basalte vom Mauna Kea auf 0,20–0,25 Mio. Jahre, vom Haleakalā auf 0,95–1,0 Mio. Jahre und vom Waiʻanae auf Oʻahu auf 3,05–3,10 Mio. Jahre datiert. Zusammen mit dem noch unter dem Meeresspiegel liegenden Kama‘ehuakanaloa ergibt dies eine scheinbare Wanderung von etwa 10 cm/Jahr beziehungsweise 100 km/Million Jahre in Richtung etwa 300° (ONO). Im Vergleich mit anderen Hotspots, dem hotspot reference frame, wird die aktuelle mittlere Geschwindigkeit der Pazifischen Platte je nach Rechenmodell auf 8,3 bis 10,5 cm/Jahr geschätzt.

Nimmt man an, Hotspots seien über lange Zeit ortsfest, erklärt der scharfe Knick der Hawaii-Emperor-Kette eine dramatische Richtungsänderung der Pazifischen Platte im Eozän vor etwa 43 mya. Diese Deutung ist jedoch umstritten: Hotspots können sich laut Laborversuchen und Untersuchungen von Inselketten selbst mit 1–2 mm/Jahr bewegen. Für eine abrupte Änderung der Plattenbewegung vor 43 Mio. Jahren fehlen sichtbare tektonische Anzeichen. Paläomagnetische und gravimetrische Untersuchungen stützen daher auch eine stärkere Eigenbewegung des Plumes. Unter Berücksichtigung der Rheologie des Erdmantels gelten Änderungen von Mantelströmen durch Mantelkonvektion als wahrscheinliche Ursache solcher Knicke.

Entwicklung und bekannte Beispiele

Kama‘ehuakanaloa liegt derzeit 900 m unter dem Meeresspiegel. Nach Meinung von Geologen könnte er in den nächsten Jahrmillionen 4.000 m über NN erreichen und dann so groß wie der heutige Mauna Kea sein. Nach Wilsons Ansicht verläuft das Wachstum aller Hotspot-Inseln gleich. Die unterschiedlich alten Hawaii-Inseln zeigen verschiedene Verwitterungsstadien: Die jüngste Insel Hawaii wächst durch regelmäßige Ausbrüche noch, während nordwestliche Nachbarinseln durch Erosion und Subsidenz bereits schrumpfen.

Etwa 50 weltweit beobachtete Hotspots wurden seismologisch eindeutig als Mantelplumes verifiziert oder als sehr wahrscheinliche Kandidaten eingestuft. Bekannte Beispiele sind die Hawaii-Inseln, Island im Zusammenspiel mit dem Vulkanismus eines Mittelozeanischen Rückens, die Eifel in Deutschland, die zu Ecuador gehörenden Galápagos-Inseln und die Yellowstone Caldera in Wyoming.