De vulkanische eilanden van Hawaï vertegenwoordigen het jongste uiteinde van een 80 miljoen jaar oude en ongeveer 6, 000 kilometer lange bergketen op de bodem van de Stille Oceaan. De zogenaamde Hawaïaans-keizerketen bestaande uit tientallen vulkanen staat bekend om zijn eigenaardige bocht van 60 graden. Over de oorzaak van deze bocht wordt al decennia lang hevig gedebatteerd. Een verklaring is een abrupte verandering in de beweging van de tektonische plaat in de Stille Oceaan, het tegenovergestelde model stelt zuidwaartse drift van de mantelpluim die de ketting heeft voortgebracht sinds het begin 80 miljoen jaar geleden. Blijkbaar spelen beide processen een belangrijke rol, toont een nieuwe studie in Natuurcommunicatie , gepubliceerd door een groep wetenschappers van de Universiteit van Oslo, Duits onderzoekscentrum voor geowetenschappen GFZ Potsdam, en de Universiteit Utrecht.

Veel vulkanische oceaaneilanden worden gevormd door zuilvormige hete opwellingen, mantelpluimen genaamd, die hun oorsprong vinden nabij de ~ 3000 km diepe basis van de aardmantel. Mantelpluimen worden niet veel beïnvloed door oppervlaktebewegingen van de tektonische platen die er langzaam overheen bewegen. Vandaar, lange lineaire ketens van uit pluimen afkomstige vulkanen die ouder en ouder worden naarmate de afstand tot actieve hotspots toeneemt, kunnen honderden tot duizenden kilometers worden gevolgd. In de Hawaiiaanse hotspot-route, de Hawaii-eilanden zijn de jongste in de keten die zich uitstrekt over bijna 6, 000 km naar de zeeberg van Detroit in de noordwestelijke Stille Oceaan, waar vulkanisme ongeveer 80 miljoen jaar geleden plaatsvond. Een ongekende bocht van 60 graden kenmerkt de Hawaiian-Emperor Chain, te verdelen in de oudere keizerketen en de jongere Hawaïaanse keten. De bocht is gedateerd op 47 Ma (Fig. 1).

"De ultieme oorzaak voor de vorming van de Hawaiian-Emperor Bend (HEB) was een prominente verandering in de beweging van de Pacifische plaat bij 47 Ma", zegt de hoofdauteur van de nieuwe studie, Trond Torsvik van de Universiteit van Oslo en momenteel gastonderzoeker bij GFZ. Het team bevestigt een hypothese van de Amerikaanse geofysicus Jason Morgan, die dat al in het begin van de jaren zeventig voorstelde. "Maar het is niet zo eenvoudig als veertig jaar geleden werd gesuggereerd", zegt Torsvik.

Jason Morgan was de eerste die hotspots gebruikte als referentiekader voor globale plaatbewegingen. In zijn model werden mantelpluimen - die zich manifesteren door hotspots aan de oppervlakte - als vast in de mantel beschouwd, en de Hawaiian-Emperor Bend werd toegeschreven aan een eenvoudige richtingsverandering van de beweging van de Pacifische plaat (figuur 1). Maar zijn plaatmodel met vaste hotspots werd vanaf de jaren tachtig uitgedaagd.

"Sinds eind jaren negentig is duidelijk geworden dat hotspots niet helemaal vast liggen", zegt Bernhard Steinberger van GFZ, een van de co-auteurs van het artikel. Dat is nu algemeen aanvaard, hij voegt toe, en mantelstroommodellen voorspellen dat de Hawaiiaanse hotspot langzaam naar het zuiden is afgedreven. "Maar sommige recente studies hebben aangetoond dat een snelle zuidwaartse beweging van de hotspot vóór 47 Ma de vorming van de bocht kan verklaren zonder dat de beweging van de Pacifische plaat hoeft te veranderen", hij zegt. "Een dergelijk scenario is aantrekkelijk geworden omdat de geologie van de platen rond de Stille Oceaan geen duidelijk bewijs vertoont voor een verandering in de beweging van de platen in de Stille Oceaan."

De nieuwe studie laat duidelijk zien waarom dit gewoon niet werkt. Het zou een onrealistisch hoge hotspot-beweging van ongeveer 42 cm / jaar vereisen, wat veel sneller zou zijn dan de gemiddelde snelheid van tektonische platen. Bovendien, dit zou betekenen dat de keizerketen in slechts vijf miljoen jaar is gemaakt en dat Detroit Seamount slechts 52 miljoen jaar oud zou moeten zijn (Fig. 2a). Deze voorspelling wordt duidelijk vervalst door de geregistreerde leeftijd van het Detroit Seamount-eiland van ongeveer 80 miljoen jaar (Fig. 1).

"Alternatief, een langzamere beweging van de hotspot naar het WSW zou zowel de geometrie als de leeftijden van de keizerketen kunnen verklaren", zegt Steinberger. Echter, een dergelijke bewegingsrichting is in strijd met mantelconvectiemodellen.

"Ons artikel is een goed voorbeeld van hoe zeer eenvoudige simulaties van plaat- en hotspotkinematica kunnen worden gebruikt om te onderzoeken welke geodynamische scenario's voor de vorming van de Hawaiian-Emperor Bend mogelijk zijn, en welke niet", zegt Pavel Doubrovine van de Universiteit van Oslo, een andere co-auteur op het papier. "We kunnen de conclusie niet vermijden dat de bocht van 60 graden voornamelijk wordt veroorzaakt door een richtingsverandering in de beweging van de Pacifische plaat." Nog, enige zuidwaartse pluimbeweging is vereist (blauwe lijn in Fig. 2b), anders zou de Hawaiian-Emperor Chain ongeveer 800 kilometer korter zijn.

"De geometrie uitleggen, lengte en leeftijdsverloop van de Hawaiiaanse keizerketen, vereist beide:de verandering in de richting van plaatbeweging en de beweging van de hotspot", stelt Torsvik. "Indien, na meer dan twee decennia van debatteren over de eind-lidscenario's van plaatbewegingsverandering versus hotspot-drift, geofysici zullen het erover eens zijn dat geen van beide bevredigend is - dan kunnen we verder gaan en een interessantere vraag beantwoorden:wat dreef de beweging van de Pacifische plaat ongeveer 47 miljoen jaar geleden eigenlijk om te veranderen?" Hopelijk, het zal niet nog 40 jaar duren om hier een antwoord op te krijgen, hij voegt toe.