Eine anspruchsvolle Analyse von winzigen, in Vulkangestein eingeschlossenen Bläschen aus urzeitlichem Gas hat in Verbindung mit neuen geophysikalischen Modellen neues Licht auf lange gehegte Annahmen über das tiefe Erdreich geworfen.
Ein internationales Wissenschaftlerteam unter der Leitung von Forschern des SUERC und der School of Geographical & Earth Sciences der Universität Glasgow hat in einer neuen Studie über vulkanische Laven, die im Roten Meer aus dem Afar-Mantelplume ausbrachen, überraschende Ergebnisse zutage gefördert.
Mantelplumes sind Säulen aus ungewöhnlich heißem Gestein, die von der Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel in 2.900 km Tiefe an die Erdoberfläche steigen. Wo immer sie an die Oberfläche gelangen, befeuern sie vulkanische Aktivitäten, oft mit so viel Energie, dass die Kontinente auseinandergerissen werden könnten.
Der aktuelle wissenschaftliche Konsens ist, dass Plumps „ursprüngliches“ Material transportieren, das bei der Entstehung der Erde aus dem tiefen Erdmantel an die Oberfläche entstand. Wenn das der Fall ist, sollten Vulkangesteine, die bei der Entstehung dieses Magmas entstanden, erhebliche Spuren von ursprünglichem Material enthalten.
Allerdings stellten die Forscher fest, dass die aus dem Boden des Roten Meeres geborgenen Vulkangesteine stattdessen sehr viel geringere Konzentrationen des Urgases Helium enthielten, als es die vorherrschenden Modelle der Erde erfordern.
In einem neuen Papier veröffentlicht im Journal Kommunikation Erde & Umweltkommt das Team zu dem Schluss, dass der Afar-Plume tatsächlich von Material dominiert wird, das sich zuvor an der Erdoberfläche befand.
Ihre Ergebnisse basieren auf einer Massenspektrometrie-Analyse von Proben aus Basaltglas, die im Roten Meer und im Golf von Tadjoura gesammelt wurden. Die Analyse legt nahe, dass Mantelplumes komplexe Mischungen aus primitivem Erdmantel und Gesteinen vom Meeresboden sind, die durch einen als „Subduktion“ bekannten Prozess wieder ins Erdinnere zurückgeführt wurden.
Basaltglas entsteht, wenn Lava ins Meerwasser ausbricht und schnell abkühlt, wobei die zunächst gelösten Gase als Blasen eingeschlossen werden. Das Team des Scottish Universities Environmental Research Center (SUERC) hat die beiden Heliumisotope (Helium-3 und Helium-4) in den in den Gläsern des Roten Meeres eingeschlossenen Gasen mittels hochempfindlicher Massenspektroskopie gemessen.
Die Heliumisotope erfassen den Gehalt an primordialem Gas in den Basalten. Die Studie zeigte, dass der Afar-Plume offenbar zehnmal weniger primordiales Helium enthält, als er enthalten sollte, wenn er aus dem tiefen Erdmantel stammte.
Ugur Balci, ein Doktorand am SUERC und Hauptautor der Abhandlung, sagte: „Der Afar-Mantelplume befindet sich unter einer dünnen Kruste an der Verbindungsstelle dreier tektonischer Platten und ist damit ein bemerkenswertes natürliches Labor für die Erforschung der tiefen Erde.“
„Das überraschende Ergebnis unserer Arbeit besteht darin, dass der Plume größtenteils aus Gestein besteht, das sich vor höchstens 100 Millionen Jahren an der Erdoberfläche befand. Dies stellt das vorherrschende Verständnis der Entstehung von Mantelplumes in Frage.“
Das Team analysierte auch seismische Tomographiemodelle, um den wahrscheinlichsten subduzierten Meeresboden im Erdinneren zu identifizieren, der die Quelle des geochemischen Fingerabdrucks des Afar-Plumes sein könnte. Die seismische Tomographie ist eine der MRT ähnliche Technik, die Erdbeben nutzt, um es Wissenschaftlern zu ermöglichen, „in das Innere“ der Erde zu „blicken“.
Anhand dieser Informationen konnte sich das Team ein Bild von der Lage, Ausrichtung und Oberflächenquelle des subduzierten Meeresbodens machen und die Geschwindigkeit abschätzen, mit der er absank und auf die Afar-Plume traf.
Dr. Antoniette Greta Grima von der School of Geographical & Earth Sciences der Universität Glasgow ist Mitautorin der Studie. Sie sagte: „Die Isotopen-Fingerabdrücke der Gesteine liefern uns einen Teil des Bildes der Prozesse, die den Afar-Mantelplume gebildet haben, und seismische Tomographiemodelle liefern uns eine weitere wichtige Linse, durch die wir die Wechselwirkung des Mantels und des subduzierten alten Meeresbodens verstehen können, auf die wir keinen direkten Zugriff haben.“
„Die geochemischen Daten lassen darauf schließen, dass die aufsteigende Wolke mit jüngerem subduziertem Meeresbodenmaterial in 660 km Tiefe interagiert und nicht mit sehr altem subduziertem Material an der Grenze zwischen Kern und Mantel, wie bisher angenommen.“
„Mithilfe einer Kombination aus seismischen Tomographiemodellen, Berechnungen zum Absenken von Platten und Plattenrekonstruktionsmodellen haben wir den subduzierten Meeresboden identifiziert und ihn mit einer heute aktiven Subduktionszone unter dem Zagros-Gebirge in Verbindung gebracht.“
Professor Fin Stuart vom Scottish Universities Environmental Research Center (SUERC) leitete das Projekt. Er sagte: „Mantelplumes wurden erstmals in den frühen 1960er Jahren entdeckt. Sie sind von grundlegender Bedeutung für den Planeten; sie treiben die Plattentektonik an, kühlen die Erde, bringen lebenswichtige Elemente an die Oberfläche und sind unser bestes Fenster in die Tiefen der Erde.“
„Diese Studie stellt das vorherrschende Paradigma in Frage, dass alle Fontänen tiefes Erdreich an die Oberfläche transportieren. Der Schlüssel zur Erschließung dieser neuen Erkenntnisse war die Verknüpfung der Expertise von SUERC in der Isotopengeochemie mit den Fähigkeiten der School of Geographical & Earth Sciences zur geodynamischen Modellierung.“
Forscher des Europäischen Instituts für Meeresstudien (IUEM) in Frankreich und der König-Abdullah-Universität für Wissenschaft und Technologie in Saudi-Arabien haben ebenfalls zu dem Artikel beigetragen.
Weitere Informationen:
Ugur Balci et al., Der Ursprung und die Folgen der primordialen Heliumverarmung im Afar-Mantelplume, Kommunikation Erde & Umwelt (2024). DOI: 10.1038/s43247-024-01675-2. www.nature.com/articles/s43247-024-01675-2