Vulkanische hotspots, zoals die waaruit Hawaï en IJsland ontstonden, worden gevoed door opwellende pluimen die opstijgen uit de diepte van aarde. Een groot deel van deze pluimen blijkt koeler dan verwacht. Dat stelt geologen voor een raadsel.

Er bestaan op aarde twee soorten vulkanisme. De meest voorkomende vorm vind je op de grenzen van tektonische platen, waaruit de buitenste laag van de aarde bestaat. Bij die grenzen kunnen gesmolten gesteente, vloeistoffen en gassen omhoog borrelen uit het binnenste van de aarde.

De tweede vorm van vulkanisme bestaat uit geïsoleerde vulkanen in het midden van tektonische platen. Het idee is dat deze ‘hotspotvulkanen’ gevoed worden door hete, opwellende pluimen die magma meenemen vanuit de grens tussen de aardmantel en de aardkern, op enkele duizenden kilometers diepte. Deze vulkanische hotspots vind je onder meer bij Hawaï, IJsland en de Galapagoseilanden.

Hotspots met lauwe pluimen

‘Lang dachten we dat de opwellende pluimen van hotspots heter zijn dan de omringende mantel’, zegt geoloog en geochemicus Matthew Jackson van de Universiteit van Californië in Santa Barbara. De pluimen zouden heter moeten zijn, omdat ze dan kunnen uitzetten en opstijgen. ‘In ons onderzoek zagen we dat sommige pluimen inderdaad heter zijn’, zegt Jackson. ‘Maar verrassend genoeg ontdekten we dat de meerderheid eigenlijk helemaal niet zo heet is.’

Dat duidt erop dat andere mechanismen deze ‘lauwe’ pluimen omhoog stuwen. De vondst stelt geologen voor een raadsel. Jackson: ‘Worden deze lauwe pluimen op een of andere manier meegevoerd met een opwaartse mantelstroming? Of is er een nieuw mechanisme aan het werk? We zijn hiermee op een wonderlijk nieuw onderzoeksterrein beland.’

Seismische temperaturen

Het meten van de temperatuur van de pluimen onder vulkanische hotspots is niet eenvoudig. Je kunt niet even een gat van honderden kilometers diep graven om er een thermometer in te steken. De onderzoekers achterhaalden de temperatuur op een indirecte manier. Ze maten de snelheid waarmee seismische golven (aardbevingen) door het gesteente onder de hotspots bewegen. Die snelheid is namelijk afhankelijk van de temperatuur en van de samenstelling van het gesteente.

Met een thermodynamisch rekenmodel kunnen we uit die snelheid de temperatuur afleiden, mailt geodynamicus en hoofdonderzoeker Xiyuan Bao van de Universiteit van Californië in Los Angeles.

De temperaturen die de onderzoekers vonden voor de pluimen onder de hotspots vergeleken ze met de temperatuur bij tektonische plaatgrenzen. De temperatuur van de hotspotpluimen zou 100 tot 300 graden Celsius heter moeten zijn dan bij de plaatgrenzen om op de kunnen stijgen.

Het bleek dat slechts 45 procent van de gemeten hotspots heet genoeg was om de pluimen te laten uitzetten en opstijgen. Ongeveer 40 procent was lauw. 15 procent van de hotspots noemen de onderzoekers zelfs ‘koud’, omdat ze hooguit 35 graden heter zijn dan de plaatgrenzen. Voor 55 procent van de gemeten hotspots moet dus gezocht worden naar een nieuwe verklaring voor de opwellende pluimen.

Beter begrip van die pluimen vertelt ons niet alleen meer over de hotspots. Bao: ‘Deze plekken bieden ons een kijkje in de dynamiek van het binnenste van de aarde. Dat kan ons ook iets leren over de geschiedenis en ontwikkeling van de tektonische platen.’