Det mystiske sving i Hawaii-kejserens kæde

De vulkanske øer Hawaii repræsenterer den yngste ende af en 80 millioner år gammel og omkring 6, 000 kilometer lang bjergkæde på Stillehavets grund. Den såkaldte Hawaii-kejserkæde, der består af snesevis af vulkaner, er kendt for sin særegne 60 graders bøjning. Årsagen til denne bøjning har været stærkt diskuteret i årtier. En forklaring er en brat ændring i bevægelsen af ​​den tektoniske plade i Stillehavet, den modsatte model angiver drift mod syd af kappefanen, der har hentet kæden siden dens begyndelse for 80 millioner år siden. Tilsyneladende spiller begge processer en vigtig rolle, viser en ny undersøgelse i Naturkommunikation , udgivet af en gruppe videnskabsmænd fra Universitetet i Oslo, Tysk forskningscenter for geovidenskab GFZ Potsdam, og Utrecht Universitet.

Mange vulkanske oceanøer er skabt af søjleformede varme opstrømme kaldet kappefaner, der stammer fra den ~3000 km dybe base af Jordens kappe. Mantelfaner er ikke meget påvirket af overfladebevægelser af de tektoniske plader, der langsomt bevæger sig over dem. Derfor, lange lineære kæder af vulkaner, der stammer fra faner, der bliver ældre og ældre med stigende afstand fra aktive hotspots, kan spores i hundreder til tusinder af kilometer. I den hawaiiske hotspot-sti, Hawaii-øerne er de yngste i kæden, der strækker sig næsten 6, 000 km til Detroit havbjerg i det nordvestlige Stillehav, hvor vulkanismen fandt sted for omkring 80 millioner år siden. En hidtil uset 60 graders bøjning kendetegner Hawaiian-Emperor Chain, opdele den i den ældre kejserkæde og den yngre hawaiianske kæde. Bøjningen er dateret til 47 Ma (fig. 1).

"Den ultimative årsag til dannelsen af ​​Hawaiian-Emperor Bend (HEB) var en fremtrædende ændring i Stillehavspladens bevægelse ved 47 Ma", siger hovedforfatteren af ​​den nye undersøgelse, Trond Torsvik fra Universitetet i Oslo og gæsteforsker ved GFZ i øjeblikket. Holdet bekræfter en hypotese fra den amerikanske geofysiker Jason Morgan, som foreslog det allerede i begyndelsen af ​​1970'erne. "Men det er ikke så enkelt, som det blev foreslået for fyrre år siden", siger Torsvik.

Jason Morgan var den første til at bruge hotspots som referenceramme for globale pladebevægelser. I hans model kappefaner - som manifesteres af hotspots ved overfladen - blev betragtet som faste i kappen, og Hawaii-kejserbøjningen blev tilskrevet en simpel retningsændring af Stillehavspladens bevægelse (fig. 1). Men hans tallerkenmodel med faste hotspots blev udfordret fra 1980'erne.

"Siden slutningen af ​​1990'erne er det blevet klart, at hotspots ikke er helt faste", siger GFZ's Bernhard Steinberger, en af ​​avisens medforfattere. Det er nu almindeligt accepteret, tilføjer han, og kappestrømsmodeller forudsiger, at det hawaiiske hotspot er drevet langsomt mod syd. "Men nogle nyere undersøgelser har argumenteret for, at hurtig sydlig bevægelse af hotspottet før 47 Ma kan forklare dannelsen af ​​bøjningen uden at kræve Stillehavspladebevægelsesændring", han siger. "Et sådant scenarie er blevet attraktivt, fordi geologien af ​​pladerne, der omgiver Stillehavet, ikke viser nogen klare beviser for en ændring af Stillehavspladens bevægelse."

Den nye undersøgelse viser tydeligt, hvorfor dette simpelthen ikke virker. Det ville kræve en urealistisk høj hastighed af hotspot-bevægelse på omkring 42 cm/år, hvilket ville være meget hurtigere end gennemsnitshastigheden for tektoniske plader. I øvrigt, dette ville betyde, at Emperor Chain blev skabt på kun fem millioner år, og Detroit Seamount skulle kun være 52 millioner år gammelt (fig. 2a). Denne forudsigelse er åbenlyst forfalsket af de registrerede Detroit Seamount-ø-aldre på omkring 80 Ma (fig. 1).

"Alternativt en langsommere hotspot-bevægelse mod WSW kunne forklare både geometri og alder af kejserkæden", siger Steinberger. Imidlertid, en sådan bevægelsesretning er ikke i overensstemmelse med kappekonvektionsmodeller.

"Vores papir er et godt eksempel på, hvordan meget simple simuleringer af plade- og hotspotkinematik kan bruges til at udforske, hvilke geodynamiske scenarier for dannelsen af ​​Hawaii-kejserbøjningen er mulige, og hvilke er ikke", siger Pavel Doubrovine fra Universitetet i Oslo, en anden medforfatter på papiret. "Vi kan ikke undgå konklusionen om, at 60 graders bøjningen overvejende er forårsaget af en retningsændring i Stillehavspladens bevægelse." Endnu, der kræves en vis sydgående fanebevægelse (blå linje i fig. 2b), ellers ville Hawaii-kejserkæden være omkring 800 kilometer kortere.

"Forklarer geometrien, længde og aldersudvikling af Hawaii-kejserkæden, kræver begge dele:ændringen i retningen af ​​pladebevægelsen og bevægelsen af ​​hotspottet", oplyser Torsvik. "Hvis, efter mere end to årtiers debat om slutmedlemsscenarier med pladebevægelsesændring versus hotspot-drift, geofysikere vil være i stand til at blive enige om, at ingen af ​​de to er tilfredsstillende - så kan vi komme videre og tage fat på et mere interessant spørgsmål:hvad drev stillehavspladebevægelsen til at ændre sig for omkring 47 millioner år siden?" Forhåbentlig, det vil ikke tage yderligere 40 år at få et svar på dette, tilføjer han.