Ein neues Bild des Erdinnern, das von gewaltigen Recyclingsprozessen beherrscht wird, ergibt sich aus Forschungsarbeiten des Max-Planck-Instituts für Chemie in Mainz. Danach entsteht entlang der mittelozeanischen Riftgebirge permanent neue Erdkruste. Diese wird wie auf einem Förderband mit Geschwindigkeiten von 1 bis 10 cm pro Jahr nach beiden Seiten transportiert und versinkt schließlich nach Jahrmillionen entlang von Tiefseegräben wieder im Erdmantel. Nach mehreren hundert Millionen Jahren tritt dieses Material wieder in den Vulkanen von Hawaii und anderen Ozeaninseln zutage. Spurenelement- und Isotopen-Analysen der Lava lassen die ursprüngliche Natur des recycelten Gesteins wiedererkennen.

Abb 1.: Schnitt durch die ozeanische Erdkruste und den oberen Erdmantel. Bild: Max-Planck-Institut für Chemie

Auf Hawaii wird ein Vulkan angebohrt: Viereinhalb bis fünf Kilometer tief will ein Team des Geoforschungszentrums Potsdam mit einem Bohrer in die Flanke des vermutlich fast erloschenen Mauna Kea vordringen. Das Gestein aus diesem Bohrloch wird von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz analysiert. Dort beschäftigen sich Geochemiker unter der Leitung von Prof. Albrecht Hofmann schon seit längerem mit den sogenannten basaltischen Laven der Hawaii-Vulkane: Sie erhoffen sich von dem jetzt geförderten Material weiteren Aufschluß darüber, was die Erde im Innersten antreibt.

Die Insel Hawaii besteht aus fünf Vulkanen: aus Mauna Loa und Kilauea, die noch aktiv sind, sowie Hualalai, Kohala und Mauna Kea - der jetzt "angestochen" wird. Die Fachleute sprechen von Ozeaninsel-Vulkanen. Solche Vulkane bilden sich über sogenannten Hotspots im Erdmantel - jener heißen, aber festen Regionen zwischen der relativ kalten Erdkruste, die unter den Ozeanen nur fünf bis zehn Kilometer dick ist, und dem Erdkern aus flüssigem Eisen und Nickel, der in rund 3000 Kilometern Tiefe beginnt.

Entlang den mittelozeanischen Riftgebirgen bildet sich die ozeanische Erdkruste ständig neu. Sie gleitet wie ein Förderband nach beiden Seiten über den Erdmantel hinweg - und wandert dabei mit einer Geschwindigkeit von etwa zehn Zentimetern pro Jahr auch über den Hawaii-Hotspot hinweg: Deshalb produziert dieser Hotspot ständig neue Vulkane, die "schnell" - in weniger als einer Million Jahren - emporwachsen, aber auch schnell wieder erkalten, weil sie das Förderband von ihrer Quelle, dem Hotspot, fortträgt. Auf diese Weise hat der Hawaii-Hotspot in den vergangenen 70 Millionen Jahren eine Kette von etwa 100 Vulkanen erzeugt, die sich heute von Hawaii bis zu den Aleuten erstreckt, also über rund 7000 Kilometer.

Abb 2.: Eruption des Vulkans Kilauea 1969 Bild: Max-Planck-Institut für Chemie

Die Geophysiker um Prof. Hofmann am Max-Planck-Institut für Chemie haben eine - inzwischen weithin anerkannte - Theorie über die Ursachen der Hotspots entwickelt: Eine besonders heiße Schicht, vermutlich nahe der Grenze zwischen Erdmantel und flüssigem Erdkern, wird instabil und quillt als pilzähnliches Gebilde - Mantle Plume - durch den Erdmantel nach oben. Nahe der Oberfläche des Erdmantels beginnt dieser Plume zu schmelzen und bildet einen Vulkan. Und solange durch den Stiel des Plumes Material aus dem tiefen Mantel nach oben steigt, entstehen immer wieder neue Vulkane.

Die Forscher am Mainzer Max-Planck-Institut für Chemie interessieren sich vor allem für die Natur des Plume-Gesteins und dessen ursprüngliche Herkunft. Die Informationen darüber liefert der sogenannte "geochemische Fingerabdruck", der jedem Gestein anhaftet und dessen "Abstammung" und Geschichte verrät. Zu diesem Fingerabdruck zählen die unterschiedlichen Konzentrationen zahlreicher Spurenelemente wie etwa Kalium, Rubidium, Uran oder Lanthan. Einige dieser Elemente liegen in der Erdkruste in hundertfach höheren Konzentrationen als im Erdmantel vor - und diese Anreicherung liefert den Fingerabdruck für "Kruste", auch wenn dieses Gestein durch geologische Prozesse wieder im Erdmantel versenkt wurde.

Einen noch genaueren Fingerabdruck erhält man aus den sogenannten Isotopen-Verhältnissen einzelner Spurenelemente, die sich mit einem Massenspektrometer ermitteln lassen. Isotope eines chemischen Elements unterscheiden sich nur in der Zahl der Neutronen im Atomkern und damit in ihrer Masse. Somit können die Isotope nur physikalisch, nicht aber chemisch unterschieden werden. Radioaktive Elemente wiederum bestehen aus verschiedenen Isotopen, die unterschiedlich schnell zu Isotopen anderer Elemente zerfallen. Ein in der Natur vorkommendes Beispiel ist der Zerfall von Uran. Seine beiden Isotope der Massen 235 und 238 zerfallen über Jahrmillionen zu Isotopen des Elements Blei mit den Massen 207 und 206. Die Mengenverhältnisse der Blei-Isotope verändern sich deshalb im Laufe der Zeit und zwar je nach dem ursprünglich vorhandenen Mengenverhältnis von Uran zu Blei in einem Gestein.

Abb 3.: Schnitt durch die ozeanische Erdkruste und den oberen Erdmantel. Bild: Max-Planck-Institut für Chemie

Die Verteilungen der Spurenelemente und der Isotope übertragen sich vom Muttergestein im Erdmantel auf die Schmelze, die als Lava an der Oberfläche eruptiert. Mit dem Isotopen-Fingerabdruck der im Labor analysierten Lava läßt sich also feststellen, ob ein Mantelplume früher bereits einmal ein Stück Erdkruste war, das später wieder in den Mantel versenkt wurde und nach Hunderten von Jahrmillionen erneut als Magma in einem neuen Vulkan auftaucht.

Früher war die Meinung verbreitet, daß das Plume-Material eben das normale Gestein des tiefen Erdmantels sei, das aufgeheizt wird und deshalb nach oben quillt. Die geochemischen Fingerabdrücke der Hawaii-Laven zeigen aber, daß ihr Ursprungsmaterial sehr vielfältiger Natur ist. Auf einigen Vulkanen, wie zum Beispiel Mauna Loa und Mauna Kea, deuten die Fingerabdrücke auf "tiefe Ozeankruste", in der das Mineral Feldspat mit seinem ganz besonderen Muster an Spurenelementen vorherrscht. Andere Vulkane enthalten eher die Fingerabdrücke ehemaliger Basalte, also der oberen Ozeankruste. Noch andere, wie der Koolau-Vulkan bei Honolulu, scheinen ehemaliges Sedimentgestein zu enthalten.

Durch Isotopendaten konnten die Wissenschaftler nun zeigen, daß diese Fingerabdrücke von "Kruste" nicht etwa von der heute unter den Hawaii-Vulkanen liegenden Ozeankruste stammen können, sondern daß es sich um eine sehr alte Kruste handelt, die wahrscheinlich vor 1 bis 2 Milliarden Jahren in den Mantel versenkt wurde, dort lange schlummerte und heute im Schlot des Mantelplums wieder zur Oberfläche befördert wird.

Jeder der Hawaii-Vulkane kommt während seines Wachstums vom Rand über das Zentrum und wieder zum Rand des Plumes zu liegen, weil er während dieser Zeit von der Ozeankruste um 10 Zentimeter pro Jahr nach Nordwesten getragen wird. Diese zeitliche und räumliche Entwicklung soll nun durch die Tiefbohrproben bestätigt werden, denn sie dringt von den jüngsten Laven bis in das ca. 1 Million Jahre alte Frühstadium des Vulkans vor. Dadurch soll unter anderem geklärt werden, wie die verschiedenen Ingredienzien im Innern des Plumes verteilt sind. Daraus wiederum wird man ein verbessertes Verständnis über die innere Struktur des Plumes und seiner Dynamik in dem großen Kreislauf des Krusten-Mantel-Recylings der Erde gewinnen.

Quelle: Pressemitteilung Max-Planck-Gesellschaft

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