Yale-Forscher haben eine neue Theorie, um einen Teil der Geochemie von „Hotspots“ zu erklären – Magmawolken aus der Tiefe der Erde, die an der Oberfläche ausbrechen.
Hawaii und Island sind touristische Hotspots – und es stellt sich heraus, dass sie auch bei geochemischen Reisenden beliebt sind.
Eine neue Yale-Studie legt nahe, dass natürliche Prozesse im Laufe der Erdgeschichte messbare geochemische Signale aus dem tiefen Inneren des metallischen Kerns der Erde, durch ihre dicke mittlere Schicht und bis zur Oberfläche getrieben haben, die an sogenannten Magma-„Hotspots“ auftauchten.
Die neue Theorie könnte langjährige Fragen zur Natur dieser Hotspots beantworten, die dazu beitragen, einige der schönsten Orte der Erde zu schaffen.
Hotspots, das sind Magmaschwaden, die tief aus dem Erdinneren kommen und an der Oberfläche ausbrechen, haben zur Bildung großer Vulkaninseln wie Hawaii und Island beigetragen.
„Magma-Hotspots beherbergen einige der einzigartigsten Geochemien, die auf der Erdoberfläche gefunden wurden“, sagte Amy Ferrick, Hauptautorin einer neuen Studie in der Zeitschrift Proceedings of the National Academy of Science. Sie ist Doktorandin am Department of Earth and Planetary Sciences in Yale und Mitglied des Labors von Jun Korenaga, Professorin für Earth and Planetary Sciences an der Faculty of Arts and Sciences in Yale.
„Woher Hotspots kommen und was Magma-Hotspots so einzigartig macht, ist nicht vollständig geklärt, aber die Untersuchung ihrer Geochemie kann uns Hinweise geben“, sagte Ferrick.
Einer dieser Hinweise sind Isotope von Wolfram und Helium, die in kristallisierten Magmen an diesen Hotspots gefunden wurden. Isotope sind zwei oder mehr Arten von Atomen mit derselben Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Anzahl von Neutronen.
An Magma-Hotspots stimmen die Verhältnisse von Wolfram- und Heliumisotopen nicht mit ihren Verhältnissen innerhalb der mittleren Gesteinsschicht der Erde überein, die als Erdmantel bekannt ist. Vielmehr stimmen die Verhältnisse mit Isotopen überein, die viel tiefer gefunden wurden – im wolframreichen, metallischen Kern des Planeten.
Traditionell hat die wissenschaftliche Gemeinschaft diese Isotopenverhältnisse, insbesondere das Isotopenverhältnis von Helium, damit erklärt, dass einige Gesteine aus der mittleren Schicht der Erde einfach nie der Oberfläche ausgesetzt waren, wo Helium und andere Gase in die Atmosphäre entweichen.
Aber es gibt ein Problem mit dieser Vorstellung, stellten Ferrick und Korenaga fest: Die Konvektionsprozesse des Erdmantels sind so heftig – und waren es besonders während der frühen Jahre der Erde, als sie heißer und teilweise geschmolzen war –, dass es höchst unwahrscheinlich ist, dass Helium in Lagerstätten eingeschlossen sein könnte Ursprung im Mantel.
Für die neue Studie entwickelten Ferrick und Korenaga ein Computermodell, das zeigt, wie die Wolfram- und Heliumisotope die Reise vom Erdmittelpunkt aus antreten könnten. Sie gehen davon aus, dass die Isotopendiffusion, die Bewegung von Atomen innerhalb eines Materials basierend auf der Temperatur und der Größe der bewegten Partikel, so etwas wie eine Hotspot-Autobahn erzeugen kann.
„Anfangs dachte ich, dass die Diffusion zu langsam sein könnte, um effektiv zu sein, daher war ich überrascht, als Amy zeigte, dass dieser Prozess mehr als ausreichend war, um die anomalen Wolfram- und Heliumzusammensetzungen von Ozeaninselbasalten zu erklären“, sagte Korenaga.
Die Forschung hat weitreichende Auswirkungen auf das Verständnis der Bedingungen der frühen Erde, wie z. B. die Ausdehnung von Magmaozeanen. Es kann Wissenschaftlern auch dabei helfen, die Entwicklung von Gebieten im Erdinneren zu verstehen, die Milliarden von Jahren verborgen waren.
Mehr Informationen:
Ferrick, Amy L., Langfristige Kern-Mantel-Wechselwirkung erklärt W-He-Isotopenheterogenitäten, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2215903120