Eine internationale Gruppe von Geologen hat mit Computersimulationen gezeigt, dass riesige Magma-Eruptionen tiefer unter der Erdoberfläche beginnen können als bisher angenommen. Solche Flutbasaltausbrüche haben in der Vergangenheit viele globale Klimaveränderungen und große Massensterben verursacht.
Große Magmaausbrüche haben im Laufe der Erdgeschichte große Fluten von Basaltlava auf den Kontinenten erzeugt. Herkömmlicherweise wird angenommen, dass die größten Flutbasaltausbrüche nur in Regionen möglich sind, in denen die kontinentalen tektonischen Platten ungewöhnlich dünn sind, so dass tiefes Mantelmaterial nahe an die Erdoberfläche aufsteigen kann. In solchen Umgebungen mit niedrigem Druck kann das Schmelzen des heißen Mantels sehr große Mengen an Magma erzeugen.
Eine neue Studie von Forschern der Universität Helsinki und der Universität Aarhus stellt diese weit verbreitete Ansicht in Frage.
„Die Idee, dass Flutbasaltausbrüche im Allgemeinen ein Schmelzen des Mantels unter Niederdruckbedingungen erfordern, basiert weitgehend auf der Spurenelementzusammensetzung der ausgebrochenen Magmen“, erklärt Dr. Jussi Heinonen von der Universität Helsinki, der Hauptautor der jüngsten Zeitschrift für Petrologie Artikel, der diese Studie beschreibt.
Er präzisiert weiter, dass die relativen Mengen an Seltenerdelementen in vielen Flutbasalten auf eine Magmabildung in Gegenwart von Niederdruck-Mantelmineralien hindeuten.
Unterstützung durch Computersimulation
Die neue Studie wurde im Rahmen eines Forschungsprojekts durchgeführt, das sich auf den Ursprung von Flutbasalten konzentriert, die im südlichen Afrika und in der Antarktis ausbrachen, als diese Kontinente vor etwa 180 Millionen Jahren als Teile von Pangaea miteinander verbunden wurden.
„Wir wurden neugierig auf das Vorkommen der meisten Flutbasalte in Regionen, in denen die afrikanischen und antarktischen tektonischen Platten eher dick als dünn sind“, sagt Dr. Arto Luttinen, Leiter des Teams der Universität Helsinki. „Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass viele Flutbasalte, die eine Zusammensetzung aus Seltenerdelementen aufweisen, was auf Hochdruckbildungsbedingungen hindeutet, tatsächlich in dünnen Regionen der tektonischen Platten liegen.“
Die Idee einer alternativen Hypothese begann sich zu bilden, nachdem das Team in Mosambik eine Art Flutbasalt entdeckt hatte, der in seiner Zusammensetzung Beweise für außergewöhnlich hohe Eruptionstemperaturen aufweist.
„Diese Flutbasalte ließen uns die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass das Schmelzen eines außergewöhnlich heißen Mantels zur Bildung von Hochdruckmagmen mit ähnlichen Spurenelementmerkmalen wie Niederdruckmagmen führen könnte“, fügt Ph.D. Studentin Sanni Turunen von der Universität Helsinki.
Die Forscher beschlossen, ihre Hypothese mit dem geochemischen Modellierungstool REEBOX PRO zu testen, das eine realistische Simulation des Verhaltens von Mineralien, Schmelzen und deren Gehalt an Spurenelementen während der Mantelschmelze ermöglicht.
„Wir waren begeistert herauszufinden, dass die Simulationen unsere Hypothese stützten, indem sie den Gesamtverbrauch von Granat, einem diagnostischen Mineral für Hochdruckbedingungen, vorhersagten, als das Schmelzen des Mantels bei den hohen Temperaturen auftrat, die von den Flutbasalten angezeigt wurden“, sagt Dr. Eric Brown, Universität Aarhus, Co-Autor des Artikels und einer der Entwickler des REEBOX PRO-Tools.
Bei hohem Druck gebildete Magmen können daher bei sehr heißen Mantelquellen chemisch Niederdruckmagmen ähneln. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse das Überleben von Granat bei relativ niedrigen Drücken, wenn eine andere Art von Mantelquelle für die Modellierung ausgewählt wurde.
„Unsere Ergebnisse helfen uns, die scheinbare Kontroverse zwischen den Vorkommen von südafrikanischen und antarktischen Flutbasalten und ihren Spurenelementeigenschaften zu verstehen. Vor allem zeigen wir, dass sich voluminöse Flutbasalte in Regionen mit dicken tektonischen Platten bilden können und dass die Spurenelementzusammensetzungen von Flutbasalte sind unzuverlässige Boten von Magmabildungstiefen, es sei denn, die Einflüsse der Manteltemperatur und -zusammensetzung werden berücksichtigt“, schlussfolgern die Autoren.
Mehr Informationen:
Jussi S. Heinonen et al, Heavy Rare Earth Elements and the Sources of Continental Flood Basalts, Zeitschrift für Petrologie (2022). DOI: 10.1093/Petrology/egac098