Einmal Erdmantel und zurück

 Dünnschliff-Aufnahme von Einschlüssen in einer Lava-Probe von der Vulkaninsel Mangaia. (Bild: J.M.D. Day)
Dünnschliff-Aufnahme von Einschlüssen in einer Lava-Probe von der Vulkaninsel Mangaia. (Bild: J.M.D. Day)
Der Boden unter unseren Füßen erscheint uns nahezu unwandelbar. Doch er ist das Produkt eines gewaltigen Recyclingprozesses: Ständig entsteht inmitten der Ozeane neue Erdkruste, an anderen Stellen sinkt sie dagegen in die Tiefe und wird wieder aufgeschmolzen. Was dabei mit diesem Krustengestein geschieht, war bislang allerdings unklar. Jetzt hat ein internationales Forscherteam Spuren dieser bis tief in den Erdmantel abgesunkenen Krustenteile wiederentdeckt - in der Lava eines polynesischen Vulkans. Die Analysen der winzigen Körnchen zeigen, dass das einst verschluckte Krustengestein tatsächlich wieder an die Oberfläche befördert wird. Und auch, wie lange dieser geologische Recycling-Kreislauf dauert: mehr als 2,45 Milliarden Jahre.
Tatort Subduktionszone: An diesen Nahtstellen zwischen ozeanischer und kontinentaler Kruste - beispielsweise an der Westküste Südamerikas - wirken gewaltige Kräfte auf das Gestein. Sie schieben die kollidierenden Krustenplatten übereinander und drücken das Gestein der ozeanischen Platte in den Erdmantel hinab. Durch Druck und Hitze wird es dort aufgeschmolzen. "Das weitere Schicksal dieses subduzierten Materials im Erdmantel ist jedoch unbekannt", erklären Rita Cabral von der Boston University und ihre Kollegen. Untersuchungen deuteten allerdings schon früher darauf hin, dass das abgesunkene Gestein sich möglicherweise nur in Teilen mit dem Mantelmaterial mischt. Denn dieses ist chemisch und in Bezug auf seine Isotopenverteilung alles andere als homogen.

Winzige Einschlüsse als Zeitzeugen

Und noch ein Indiz auf den Verbleib des alten Krustenmaterials gab es: In der Lava einiger Vulkane fanden sich immer wieder Einschlüsse, die in ihrer Zusammensetzung eher dem Krustengestein als dem des Mantels zu gleichen schienen. Doch Analysen dieser Einschlüsse kamen zu widersprüchlichen Ergebnissen. Einer der Feuerberge, in dessen Lava schon früher potenzielle Krustenreste gefunden wurden, ist die Vulkaninsel Mangaia. Sie gehört zu den polynesischen Cook-Inseln und besteht zu weiten Teilen aus Basaltlava, Ablagerungen vulkanischen Gesteins, die sich im Verlauf der letzten knapp 20 Millionen Jahre hier angesammelt haben. Cabral und ihre Kollegen haben nun erneut Proben dieses Lavagesteins genommen und darin nach Einschlüssen gesucht, die möglicherweise Minerale alten Krustengesteins konserviert haben.

"Wir haben dafür tausende von Olivin-Fragmenten aus mehreren Kilogramm Gestein einzeln unter dem Mikroskop untersucht", berichten die Forscher. Denn sie suchten Einschlüsse von Schwefelverbindungen, die groß genug waren, um damit ihre Analysen durchführen zu können. Bei nur zwei Körnchen wurden sie schließlich fündig. Die Forscher prüften nun, ob diese Körnchen das Isotop Schwefel-33 enthielten. Denn diese Atomsorte wurde nur in der Frühzeit der Erde im Krustengestein gebildet. Zu dieser Zeit gab es noch kein Ozon und kaum Sauerstoff in der Atmosphäre und ultraviolette Strahlung konnte so ungehindert bis zu Oberfläche des Planeten durchdringen. Vor rund 2,45 Milliarden Jahren stoppte dieser Prozess, weil dann der Sauerstoff- und Ozongehalt der Atmosphäre stark anstieg und das UV-Licht abgefangen wurde.

Friedhof für Urzeit-Kruste

Die Analysen ergaben, dass die Lava von Mangaia tatsächlich Spuren dieses urzeitlichen Schwefel-Isotops enthält. Da diese Atomsorte damals nur an der Erdoberfläche gebildet wurde, kann die Lava nicht nur aus normalem Mantelgestein bestehen. Sie muss Teile alter, damals in die Tiefe abgesunkener Erdkruste enthalten. Und auch wie lange dieser Recycling-Kreislauf von Subduktion bis zum erneuten Austreten an der Erdoberfläche gedauert hat, konnten die Forscher damit erstmals eindeutig bestimmen. Über mehr als 2,45 Milliarden Jahre seien die vom Mangaia-Vulkan wieder zu Tage geförderten Krustenreste in der Tiefe geblieben. "Der untere Mantel könnte quasi eine Art Friedhof für subduzierte Urzeit-Kruste darstellen", mutmaßen sie.

Das Ergebnis zeigt auch, dass das an Subduktionszonen in die Tiefe gedrückte Krustengestein nicht völlig im Mantelgesteine aufgeht und vermischt wird, sondern über sehr lange Zeiträume hinweg nahezu unvermischt erhalten bleibt. Dies erklärt die chemischen Heterogenitäten im Erdmantel und sorgt gleichzeitig dafür, dass einige der chemischen Eigenheiten der Krustenreste den geologischen Recyclingprozess überdauern. Aus diesen Eigenheiten konnten die Forscher beispielsweise schließen, dass die Mangaia-Krustenreste vermutlich einst zum Meeresboden in der Nähe von hydrothermalen Schloten gehörten.
Rita Cabral (Boston University) et al., Nature, doi: 10.1038/nature12020

© wissenschaft.de - Nadja Podbregar


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