TY  - THES
A1  - Bredow, Eva
T1  - Geodynamic models of plume-ridge interaction
T1  - Geodynamische Modelle der Interaktion von Plumes und Mittelozeanischen Rücken
BT  - case studies of the Réunion, Iceland and Kerguelen mantle plumes
BT  - Fallstudien der Réunion-, Island- und Kerguelen-Mantleplumes
N2  - According to the classical plume hypothesis, mantle plumes are localized upwellings of hot, buoyant material in the Earth’s mantle. They have a typical mushroom shape, consisting of a large plume head, which is associated with the formation of voluminous flood basalts (a Large
Igneous Province) and a narrow plume tail, which generates a linear, age-progressive chain of volcanic edifices (a hotspot track) as the tectonic plate migrates over the relatively stationary plume. Both plume heads and tails reshape large areas of the Earth’s surface over many tens of millions of years.

However, not every plume has left an exemplary record that supports the classical hypothesis. The main objective of this thesis is therefore to study how specific hotspots have created the crustal thickness pattern attributed to their volcanic activities. Using regional geodynamic
models, the main chapters of this thesis address the challenge of deciphering the three individual (and increasingly complex) Réunion, Iceland, and Kerguelen hotspot histories, especially focussing on the interactions between the respective plume and nearby spreading ridges.

For this purpose, the mantle convection code ASPECT is used to set up three-dimensional numerical models, which consider the specific local surroundings of each plume by prescribing time-dependent boundary conditions for temperature and mantle flow. Combining reconstructed plate boundaries and plate motions, large-scale global flow velocities and an inhomogeneous lithosphere thickness distribution together with a dehydration rheology represents a novel setup for regional convection models.

The model results show the crustal thickness pattern produced by the plume, which is compared to present-day topographic structures, crustal thickness estimates and age determinations of volcanic provinces associated with hotspot activity. Altogether, the model results agree well
with surface observations. Moreover, the dynamic development of the plumes in the models provide explanations for the generation of smaller, yet characteristic volcanic features that were previously unexplained. Considering the present-day state of a model as a prediction for the
current temperature distribution in the mantle, it cannot only be compared to observations on the surface, but also to structures in the Earth’s interior as imaged by seismic tomography.

More precisely, in the case of the Réunion hotspot, the model demonstrates how the distinctive gap between the Maldives and Chagos is generated due to the combination of the ridge geometry and plume-ridge interaction. Further, the Rodrigues Ridge is formed as the surface expression
of a long-distance sublithospheric flow channel between the upwelling plume and the closest ridge segment, confirming the long-standing hypothesis of Morgan (1978) for the first time in a dynamic context. The Réunion plume has been studied in connection with the seismological
RHUM-RUM project, which has recently provided new seismic tomography images that yield an excellent match with the geodynamic model.

Regarding the Iceland plume, the numerical model shows how plume material may have accumulated in an east-west trending corridor of thin lithosphere across Greenland and resulted in simultaneous melt generation west and east of Greenland. This provides an explanation for the
extremely widespread volcanic material attributed to magma production of the Iceland hotspot and demonstrates that the model setup is also able to explain more complicated hotspot histories. The Iceland model results also agree well with newly derived seismic tomographic images. 

The Kerguelen hotspot has an extremely complex history and previous studies concluded that the plume might be dismembered or influenced by solitary waves in its conduit to produce the reconstructed variable melt production rate. The geodynamic model, however, shows that a constant plume influx can result in a variable magma production rate if the plume interacts with nearby mid-ocean ridges. Moreover, the Ninetyeast Ridge in the model is created by on-ridge activities, while the Kerguelen plume was located beneath the Australian plate. This is also a contrast to earlier studies, which described the Ninetyeast Ridge as the result of the Indian plate passing over the plume. Furthermore, the Amsterdam-Saint Paul Plateau in the model is the result of plume material flowing from the upwelling toward the Southeast Indian Ridge, whereas previous geochemical studies attributed that volcanic province to a separate deep plume.

In summary, the three case studies presented in this thesis consistently highlight the importance of plume-ridge interaction in order to reconstruct the overall volcanic hotspot record as well as specific smaller features attributed to a certain hotspot. They also demonstrate that it is not necessary to attribute highly complicated properties to a specific plume in order to account for complex observations. Thus, this thesis contributes to the general understanding of plume dynamics and extends the very specific knowledge about the Réunion, Iceland, and Kerguelen mantle plumes.
N2  - Nach der klassischen Plume-Hypothese sind Mantelplumes lokalisierte Aufströme aus heißem, aufsteigenden Material im Erdmantel und haben eine typische pilzförmige Struktur. Sie bestehen aus einem großen Plume-Kopf, der mit der Bildung von voluminösen Flutbasalten (einer Magmatischen Großprovinz) assoziiert wird und einem engen Plume-Schlauch, der eine lineare Kette von Vulkanen mit aufsteigendem Alter (einen Hotspot-Track) erzeugt, indem die tektonische Platte über den relativ stationären Plume wandert. Sowohl Plume-Köpfe als auch Plume-Schläuche formen große Gebiete der Erdoberfläche über viele zehn Millionen Jahre um.

Allerdings hat nicht jeder Plume mustergültige Spuren hinterlassen, die die klassische Hypothese unterstützen. Das Hauptziel dieser Arbeit ist daher zu untersuchen, wie ein spezifischer Hotspot den ihm zugeordneten Hotspot-Track erzeugt hat. Mit Hilfe regionaler geodynamischer Modelle stellen sich die Hauptkapitel dieser Arbeit der Herausforderung, die drei individuellen (und zunehmend komplexen) Geschichten des Réunion-, Island- und Kerguelen-Hotspots zu
entschlüsseln, wobei insbesondere die Wechselwirkungen zwischen dem jeweiligen Plume und nahegelegenen Mittelozeanischen Rücken im Mittelpunkt stehen.

Zu diesem Zweck wird der Mantelkonvektions-Code ASPECT verwendet, um dreidimensionale numerische Modelle zu erstellen, die die spezielle lokale Umgebung jedes Plumes berücksichtigen, indem zeitabhängige Randbedingungen für Temperatur und Mantelströmung vorgeschrieben werden. Die Kombination von rekonstruierten Plattengrenzen und Plattenbewegungen, großräumigen globalen Strömungsgeschwindigkeiten und einer inhomogenen Lithosphärendickenverteilung zusammen mit einer Dehydrierungs-Rheologie stellt eine neue Konfiguration für regionale Konvektionsmodelle dar.

Die Modellergebnisse zeigen die vom Plume produzierte Verteilung von vulkanischem Material, die mit heutigen topographischen Strukturen, Schätzungen der Krustendicke und Altersbestimmungen vulkanischer Provinzen verglichen wird. Insgesamt stimmen die Modellergebnisse gut mit den Oberflächenbeobachtungen überein. Darüber hinaus liefert die dynamische Entwicklung der Plumes in den Modellen Erklärungen für die Erzeugung kleinerer, aber charakteristischer vulkanischer Strukturen, deren Herkunft bisher unerklärt war. Betrachtet man den heutigen Zustand eines Modells als Vorhersage für die aktuelle Temperaturverteilung im Mantel, kann man ihn nicht nur mit Beobachtungen an der Oberfläche vergleichen, sondern auch mit Strukturen im Erdinneren, wie sie durch seismische Tomographie abgebildet werden.

Genauer gesagt zeigt das Modell im Falle des Réunion-Hotspots, wie die charakteristische Lücke zwischen den Malediven und Chagos aufgrund der Kombination der Geometrie des Mittelozeanischen Rückens und der Interaktion zwischen Plume und Rücken erzeugt wird. Des Weiteren wird der Rodrigues-Rücken als Oberflächenerscheinung eines sublithosphärischen Strömungskanals zwischen dem aufsteigenden Plume und dem nächstgelegenen Segment des Mittelozeanischen Rückens gebildet, was die langjährige Hypothese von Morgan (1978) zum ersten Mal in einem dynamischen Kontext bestätigt. Der Réunion-Plume wurde im Rahmen des seismo-
logischen RHUM-RUM-Projektes untersucht, das kürzlich neue seismische Tomographiebilder ergeben hat, die eine exzellente Übereinstimmung mit dem geodynamischen Modell aufweisen.

Was den Island-Plume betrifft, so zeigt das numerische Modell, wie sich Plume-Material in einem von Ost nach West verlaufenden Korridor dünner Lithosphäre in Grönland angesammelt haben könnte und zu einer gleichzeitigen Schmelzerzeugung westlich und östlich von Grönland geführt hat. Dies erklärt das extrem weit verbreitete vulkanische Material, das der Magmaproduktion des Island-Hotspots zugeschrieben wird, und demonstriert, dass der Modell-Aufbau auch kompliziertere Hotspot-Geschichten erklären kann. Die Ergebnisse des Island-Modells stimmen ebenfalls gut mit neu erzeugten seismischen Tomographiebildern überein.

Der Kerguelen-Hotspot hat eine äußerst komplexe Geschichte und frühere Studien kamen zu dem Schluss, dass der Plume eine zerrissene Struktur oder durch einzelne Wellen im Schlauch beeinflusst sein könnte, um die rekonstruierte variable Schmelzproduktionsrate zu erzeugen. Das geodynamische Modell zeigt jedoch, dass ein konstanter Plume-Einstrom zu einer variablen Magmaproduktionsrate führen kann, wenn der Plume mit nahegelegenen mittelozeanischen Rücken interagiert. Darüber hinaus wird der Neunzig-Grad-Ost-Rücken im Modell am Mittelozeanischen Rücken erschaffen, während der Kerguelen-Plume unter der australischen Platte lag. Dies steht auch im Gegensatz zu früheren Studien, die den Neunzig-Grad-Ost-Rücken als Ergebnis der über den Plume wandernden indischen Platte beschrieben haben. Darüber hinaus ist das Amsterdam-Saint Paul-Plateau im Modell das Ergebnis von Plume-Material, das von der Aufstiegsregion in Richtung des Südostindischen Rückens fließt, wohingegen frühere geochemische Studien diese vulkanische Provinz einem separaten tiefen Plume zugeschrieben haben.

Zusammenfassend verdeutlichen die drei in dieser Arbeit präsentierten Fallstudien die Bedeutung der Interaktion zwischen Plume und Mittelozeanischen Rücken für die Rekonstruktion der Verteilung des gesamten vom Hotspot erzeugten vulkanischen Materials sowie von spezifischen kleineren Strukturen, die einem bestimmten Hotspot zugeordnet sind. Es wird auch gezeigt, dass es nicht notwendig ist, einem bestimmten Plume hochkomplizierte Eigenschaften zuzuschreiben, um komplexe Beobachtungen zu erklären. Somit trägt diese Arbeit zum allgemeinen Verständnis der Dynamik von Plumes bei und erweitert das sehr spezifische Wissen über die Réunion-, Island-, und Kerguelen-Mantelplumes.
KW  - geodynamic models
KW  - plume-ridge interaction
KW  - Réunion
KW  - Iceland
KW  - Kerguelen
KW  - mantle plumes
KW  - geodynamische Modelle
KW  - Plume-Rücken Interaktion
KW  - Réunion
KW  - Island
KW  - Kerguelen
KW  - Mantleplumes
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-411732
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dannberg, Juliane
T1  - Dynamics of mantle plumes
T1  - Dynamik von Mantelplumes
BT  - linking scales and coupling physics
BT  - gekoppelte und skalenübergreifende Modelle
N2  - Mantle plumes are a link between different scales in the Earth’s mantle: They are an important part of large-scale mantle convection, transporting material and heat from the core-mantle boundary to the surface, but also affect processes on a smaller scale, such as melt generation and transport and surface magmatism. When they reach the base of the lithosphere, they cause massive magmatism associated with the generation of large igneous provinces, and they can be related to mass extinction events (Wignall, 2001) and continental breakup (White and McKenzie, 1989).
Thus, mantle plumes have been the subject of many previous numerical modelling studies (e.g. Farnetani and Richards, 1995; d’Acremont et al., 2003; Lin and van Keken, 2005; Sobolev et al., 2011; Ballmer et al., 2013). However, complex mechanisms, such as the development and implications of chemical heterogeneities in plumes, their interaction with mid-ocean ridges and global mantle flow, and melt ascent from the source region to the surface are still not very well understood; and disagreements between observations and the predictions of classical plume models have led to a challenge of the plume concept in general (Czamanske et al., 1998; Anderson, 2000; Foulger, 2011). Hence, there is a need for more sophisticated models that can explain the underlying physics, assess which properties and processes are important, explain how they cause the observations visible at the Earth’s surface and provide a link between the different scales. 
In this work, integrated plume models are developed that investigate the effect of dense recycled oceanic crust on the development of mantle plumes, plume–ridge interaction under the influence of global mantle flow and melting and melt migration in form of two-phase flow.
The presented analysis of these models leads to a new, updated picture of mantle plumes: Models considering a realistic depth-dependent density of recycled oceanic crust and peridotitic mantle material show that plumes with excess temperatures of up to 300 K can transport up to 15% of recycled oceanic crust through the whole mantle. However, due to the high density of recycled crust, plumes can only advance to the base of the lithosphere directly if they have high excess temperatures, high plume volumes and the lowermost mantle is subadiabatic, or plumes rise from the top or edges of thermo-chemical piles. They might only cause minor surface uplift, and instead of the classical head–tail structure, these low-buoyancy plumes are predicted to be broad features in the lower mantle with much less pronounced plume heads. They can form a variety of shapes and regimes, including primary plumes directly advancing to the base of the lithosphere, stagnating plumes, secondary plumes rising from the core–mantle boundary or a pool of eclogitic material in the upper mantle and failing plumes. In the upper mantle, plumes are tilted and deflected by global mantle flow, and the shape, size and stability of the melting region is influenced by the distance from nearby plate boundaries, the speed of the overlying plate and the movement of the plume tail arriving from the lower mantle. Furthermore, the structure of the lithosphere controls where hot material is accumulated and melt is generated. In addition to melting in the plume tail at the plume arrival position, hot plume material flows upwards towards opening rifts, towards mid-ocean ridges and towards other regions of thinner lithosphere, where it produces additional melt due to decompression. This leads to the generation of either broad ridges of thickened magmatic crust or the separation into multiple thinner lines of sea mount chains at the surface. Once melt is generated within the plume, it influences its dynamics, lowering the viscosity and density, and while it rises the melt volume is increased up to 20% due to decompression. Melt has the tendency to accumulate at the top of the plume head, forming diapirs and initiating small-scale convection when the plume reaches the base of the lithosphere. Together with the introduced unstable, high-density material produced by freezing of melt, this provides an efficient mechanism to thin the lithosphere above plume heads.
In summary, this thesis shows that mantle plumes are more complex than previously considered, and linking the scales and coupling the physics of different processes occurring in mantle plumes can provide insights into how mantle plumes are influenced by chemical heterogeneities, interact with the lithosphere and global mantle flow, and are affected by melting and melt migration. Including these complexities in geodynamic models shows that plumes can also have broad plume tails, might produce only negligible surface uplift, can generate one or several volcanic island chains in interaction with a mid–ocean ridge, and can magmatically thin the lithosphere.
N2  - Mantelplumes verbinden Prozesse auf verschiedenen Skalen im Erdmantel: Sie sind ein wichtiger Teil der globalen Mantelkonvektion, sie transportieren Material und Wärmeenergie von der Kern-Mantel-Grenze zur Erdoberfläche, aber beeinflussen auch kleinskaligere Prozesse wie Schmelzbildung und -transport und die damit verbundenen magmatischen Ereignisse. Wenn Plumes die Unterseite der Lithosphäre erreichen, entstehen große Mengen partiell geschmolzenen Gesteins, was zu großräumigen Vulkaneruptionen sowie der Entstehung von Plateaubasaltprovinzen führt, und auch mit Massenaussterbeereignissen und dem Auseinanderbrechen von Kontinenten in Zusammenhang stehen kann.
Aufgrund dieser erdgeschichtlichen Bedeutung wurde bereits eine große Anzahl an Studien über Plumes durchgeführt (z.B. Farnetani und Richards, 1995; d’Acremont u. a., 2003; Lin und van Keken, 2005; Sobolev u. a., 2011; Ballmer u. a., 2013). Trotzdem ist unser Verständnis komplexerer Vorgänge und Interaktionen in Plumes noch nicht vollständig: Beispiele sind die Entwicklung von chemisch heterogenen Plumes, der Einfluss dieses chemisch andersartigen Materials auf die Aufstiegsdynamik, die Wechselwirkung zwischen Plumes und mittelozeanischen Rücken sowie den globalen Konvektionsströmungen und das Aufsteigen von Schmelze von ihrer Entstehungsregion bis hin zur Erdoberfläche. Unterschiede zwischen Beobachtungen und den Aussagen klassischer Modelle werden als Argumente gegen das Plumekonzept insgesamt angeführt (Czamanske u. a., 1998; Anderson, 2000; Foulger, 2011). Daher gibt es weiterhin einen Bedarf für ausgereiftere Modelle, welche die Skalen verschiedener Prozesse verbinden, den Einfluss dieser Prozesse sowie der Material- und Strömungseigenschaften berücksichtigen und quantifizieren, ihre Auswirkungen an der Erdoberfläche erklären und diese mit Beobachtungen vergleichen.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden Plume-Modelle erstellt, welche den Einfluss dichter, recycelter ozeanischer Kruste auf die Entwicklung van Mantelplumes, die Interaktion von Plumes und mittelozeanischen Rücken und den Einfluss globaler Mantelkonvektion sowie Aufschmelzung und Schmelzaufstieg in Form von Zweiphasenströmung (“two-phase flow”) untersuchen.
Die vorgestellte Analyse dieser Modelle ergibt ein neues, aktualisiertes Konzept von Mantelplumes: Wenn ein realistischer Dichteunterschied zwischen recycelter ozeanischer Kruste und peridotitischem Mantel angenommen wird, kann ein Plume bis zu 15% recyceltes Material durch den gesamten Mantel transportieren. Durch die hohe Dichte der recycelten Kruste können Plumes aber nur bis zur Lithosphäre aufsteigen, wenn ihre Temperatur und ihr Volumen hoch genug sind, und wenn die Temperatur im unteren Mantel subadiabatisch ist oder die Plumes von aufgewölbten thermo-chemischen “Piles” aufsteigen. Es ist durchaus möglich, dass diese Plumes nur eine geringe Hebung der Oberfläche verursachen, und anstatt der klassischen pilzförmigen Kopf-Tail-Struktur bilden sie breite Strukturen im unteren Mantel mit weitaus weniger ausgeprägtem Plumekopf. Dafür können sie in verschiedenen Formen und Regimes auftreten: Primäre Plumes, welche direkt von der Kern-Mantel-Grenze zur Lithosphäre aufsteigen, stagnierende Plumes, sekundäre Plumes von der Kernmantelgrenze oder einer Ansammlung eklogitischen Materials im oberen Mantel und scheiternde Plumes, die die Lithosphäre nicht erreichen. Im oberen Mantel werden Plumes durch globale Konvektion abgelenkt und geneigt, und die Form, Größe und Stabilität der Schmelzregion wird durch den Abstand zu nahen Plattengrenzen, der Geschwindigkeit der sich darüber bewegenden Platte und der Bewegung des aus dem unteren Mantel ankommenden Plume-Tails bestimmt. Weiterhin beeinflusst auch die Struktur der Lithosphäre wo sich warmes Material sammeln kann und Schmelze entsteht. Zusätzlich zur Aufschmelzung beim Erreichen der Untergrenze der Lithosphäre strömt heißes Plumematerial auch lateral und weiter nach oben zu sich öffnenden Rifts, zu mittelozeanischen Rücken sowie zu anderen Regionen dünnerer Lithosphäre, wo durch die Druckentlastung weitere Schmelze generiert wird. Diese führt an der Erdoberfläche zur Entwicklung von entweder breiten Rücken verdickter magmatischer Kruste oder der Aufteilung in mehrere ozeanischen Inselketten. Sobald Schmelze generiert wurde, beeinflusst diese auch die Dynamik des Plumes, indem sie Viskosität und Dichte verringert. Während des Plumeaufstiegs kann sich das Schmelzvolumen dabei durch die Dekompression um bis zu 20% vergrößern. Schmelze hat die Tendenz sich an der Oberseite des Plumes anzusammeln, wo sie Diapire formt und kleinräumige Konvektion auslöst, wenn der Plume die Lithosphäre erreicht. Zusammen mit dem dichten, instabilen Material, das entsteht, wenn die Schmelze wieder erstarrt, bildet dies einen effektiven Mechanismus zur Erosion der Lithosphäre durch Plume-Heads.
Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass Mantelplumes komplexer sind als bisher angenommen, und dass die Verbindung von Skalen und die Kombination verschiedener in Mantelplumes auftretender physikalischer Prozesse Erkenntnisse liefern kann, wie Mantelplumes durch chemische Heterogenität beeinflusst werden, wie sie mit mittelozeanischen Rücken und globaler Mantelkonvektion interagieren und wie sie durch Aufschmelzung und Schmelzmigraiton beeinflusst werden. Die Einbindung dieser Prozesse in geodynamische Modelle zeigt, dass Plumes breite Tails haben können, potentiell nur geringe Oberflächenhebung verursachen, in Interaktion mit einem mittelozeanischen Rücken eine oder mehrere vulkanische Inselketten erzeugen können und magmatisch die Lithosphäre erodieren können.
KW  - mantle plumes
KW  - numerical modelling
KW  - Mantelplumes
KW  - numerische Modellierung
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91024
ER  -