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Eine neue Studie zeigt, dass das tiefe Innere der Erde deutlich dynamischer ist als früher angenommen: Kontinente können langsam ihre unteren Schichten abstoßen und uraltes Material unter die Ozeane treiben, wo es neue vulkanische Aktivität anstößt.
Tief unter der Erdoberfläche scheint ein langsamer, überraschender Prozess die chemische Beschaffenheit des ozeanischen Mantels neu zu gestalten. Forscher unter Leitung der University of Southampton berichten, dass Fragmente kontinentaler Wurzeln — das dichte, kristalline Material, das Kontinente stützt — von unter kontinentalen Platten abgelöst und seitlich in den ozeanischen Mantel verfrachtet werden können. Dort wirken diese Relikte kontinentaler Kruste als Quelle für vulkanische Schmelzen und hinterlassen über Hundert- bis Tausende Kilometer hinweg ein langfristiges geochemisches Fingerabdruckmuster.
Kontinente schälen sich ab: Ein neuer Mechanismus zum Transport kontinentaler Materialien
Die Idee ist elegant einfach, geologisch jedoch radikal: Kontinente sind nicht nur passive Schalen, die an der Oberfläche auseinanderbrechen. Ihre tiefen Wurzeln können destabilisiert und schrittweise entfernt werden, ein Prozess, den das Team als langsames „Abschälen“ von unten beschreibt. Anhand numerischer Simulationen, die Wechselwirkungen zwischen Lithosphäre und Mantel modellieren, zeigen die Forschenden, wie tektonische Dehnung an kontinentalen Rändern eine sich ausbreitende Instabilität — eine sogenannte Mantelwelle — auslösen kann, die sich entlang der Basis des Kontinents mit extrem langsamen Raten fortpflanzt. Über Millionen von Jahren kann diese Welle Bruchstücke aus Tiefen von 150–200 km herauslösen und seitlich in den angrenzenden ozeanischen Mantel transportieren.
Innerhalb des ozeanischen Mantels fungieren diese kontinentalen Fragmente als angereicherte chemische Reservoirs. Bei kompletter oder teilweiser Aufschmelzung erzeugen sie Magmen mit erhöhten Konzentrationen bestimmter Elemente und charakteristischen isotopischen Verhältnissen, die typisch für kontinentale Kruste sind. Das hilft, ein langjähriges Rätsel zu erklären: Vulkanische Inseln und Seamounts fernab von Plattengrenzen, beispielsweise einige Erhebungen im Indischen Ozean, fördern häufig Gesteine zutage, deren chemische Merkmale "kontinental" erscheinen, obwohl sie mitten auf ozeanischer Platte stehen.
Ein Stück des untersten kontinentalen Mantels (die kristallinen Wurzeln der Kontinente). Dies repräsentiert das Material, von dem die Forschung vorschlägt, dass es entfernt und seitlich in den ozeanischen Mantel verfrachtet wird.
Geochemische Hinweise aus dem Indischen Ozean
Das Forschungsteam kombinierte geochemische Analysen mit ihren geodynamischen Modellen und wandte die Hypothese auf die Indian Ocean Seamount Province an, eine Vulkankette, die als Folge des Zerfalls des Superkontinents Gondwana vor mehr als 100 Millionen Jahren entstanden ist. In Proben einiger dieser Seamounts sind geochemische Signaturen feststellbar, die einen Ausbruch angereicherter Magmen kurz nach dem Auseinanderbrechen anzeigen, gefolgt von einem allmählichen Abklingen dieses Signals über mehrere zehn Millionen Jahre. Die zeitliche Abfolge und die räumliche Verteilung stimmen besser mit einem Transportmechanismus durch Mantelwellen überein als mit klassischen Erklärungen wie Sedimentrecycling an Subduktionszonen oder tiefreichenden Mantelplumen.
In geochemischer Hinsicht zeigen die untersuchten Proben verstärkte Konzentrationen von lithophilen Elementen und prägnante isotopische Verhältnisse (z. B. Sr-Nd-Pb-Systematiken), die auf eine kontinentale Quelle hindeuten. Solche Signaturen lassen sich durch lokale Sedimente oder oberflächennahe Prozesse nur schwer plausibel rekonstruieren, während die Mantelwellenhypothese sowohl zeitliche als auch räumliche Aspekte der Daten konsistent erklärt. Zusätzlich zu den isotopischen Markern wurden Spurenelementmuster (z. B. erhöhte La/Yb-Verhältnisse, bestimmte Rare-Earth-Elementen-Profiles) dokumentiert, die für Schmelzen aus angereichertem, kontinentalem Mantelmaterial typisch sind.
„Seit Jahrzehnten wissen wir, dass Teile des Mantels unter den Ozeanen seltsam ‚kontaminiert‘ aussehen, als wären Stücke uralter Kontinente dorthin gelangt“, sagte Professor Thomas Gernon von der University of Southampton, Erstautor der Studie. „Wir konnten jedoch bisher nicht ausreichend erklären, wie all dieses kontinentale Material dorthin gekommen ist. Unsere Modelle liefern nun einen physikalisch plausiblen Transportmechanismus, der die geochemischen Beobachtungen verbindet.“
Wie Mantelwellen funktionieren und warum sie wichtig sind
In den Modellen ruft der Kontinentalbruch eine dynamische Antwort im Mantel hervor: eine langsame, rollende Instabilität, die sich entlang der Basis der Lithosphäre ausbreitet. Diese Mantelwelle stört die tiefen kontinentalen Wurzeln, bewirkt Fragmentierung und den lateralen Transport von dichteren kontinentalen Materialien. Die Bewegung ist glazial langsam — in den Worten der Autorinnen und Autoren etwa ein Millionstel der Geschwindigkeit einer Schnecke — doch über geologische Zeiträume reicht dies aus, um Materialblöcke mehr als 1.000 km vom Ursprungsort zu verfrachten.
Sobald die Fragmente in den heißeren, chemisch differenzierten ozeanischen Mantel gelangt sind, verändern sie die Schmelzbedingungen: lokale Erhöhungen des Schmelzvolumens, modifizierte Schmelzentemperaturen und veränderte Gesteinsmischungen führen zu angereicherten Magmen. Diese können Vulkanismus überdauern, lange nachdem die oberflächliche Rifting-Aktivität abgeschlossen ist. Entscheidend ist, dass die beobachteten angereicherten Signaturen ohne die Notwendigkeit eines klassischen tiefen Mantelplums aus dem Kern-Mantel-Übergang erklärt werden können, was die Interpretation vieler ozeanischer Vulkanprovinzen verändert.
„Wir stellten fest, dass der Mantel die Effekte des Kontinentalbruchs noch lange nach dem physischen Auseinanderdriften der Kontinente spürt“, sagte Professor Sascha Brune vom GFZ Helmholtz-Zentrum Potsdam, Koautor der Studie. „Das System schaltet sich nicht einfach aus, wenn ein neues Ozeanbecken entsteht – der Mantel bewegt sich weiter, reorganisiert sich und transportiert angereichertes Material weit von seinem Ursprungsort.“
Wissenschaftlicher Hintergrund und weiterreichende Implikationen
Jahrzehntelang haben Geowissenschaftler diskutiert, wie ozeanischer Vulkanismus ein kontinentales chemisches Signal erhält. Traditionelle Hypothesen betonten das Recycling von Sedimenten, die in Subduktionszonen in den Mantel transportiert werden, oder isolierte, tiefreichende Aufwölbungen, sogenannte Mantelplumen. Beide Mechanismen bleiben relevant; die Mantelwellen-Mechanik erklärt jedoch anomale Fälle, in denen weder Sedimentrecycling noch eindeutige Plumenaktivität die beobachtete angereicherte Chemie zufriedenstellend erklären.
Über die Erklärung ungewöhnlicher geochemischer Muster hinaus rückt dieser Mechanismus unser Verständnis von Mantelkonvektion und Kopplung zwischen Lithosphäre und Mantel in ein neues Licht. Er impliziert, dass der Kontinentalbruch dauerhafte Spuren in Struktur und Zusammensetzung des Mantels hinterlässt und so vulkanische Aktivität sowie geochemische Heterogenität über viele zehn Millionen Jahre beeinflusst. Das hat bedeutende Konsequenzen für die Rekonstruktion der Plattentektonikgeschichte, die Interpretation von Vulkanprovinzen und für das Verständnis der tiefen Kohlenstoff- und flüchtigen Zyklen, die mit kontinentalem Material verknüpft sind. Beispielsweise können freigesetzte karbonathaltige oder wasserreiche Bestandteile aus kontinenten Wurzeln lokale Schmelzschwellen senken und so die volatile Bilanz des Mantels und die daraus resultierende Vulkangaszusammensetzung beeinflussen.
Praktisch bedeutet das: Geochemische Daten, die bislang als Indikator für tiefe Mantelplumen gelesen wurden, müssen möglicherweise neu bewertet werden. Die Entdeckung der Mantelwellen-Mechanik bietet zudem neue Anknüpfungspunkte für die Integration seismischer Tomographie, mineralphysikalischer Daten und geochemischer Tracer in kohärente Modelle der Manteldynamik und Lithosphärenentwicklung.
Methoden und Zusammenarbeit
Die im Fachjournal Nature Geoscience veröffentlichte Studie verband geodynamische Simulationen mit umfassenden geochemischen Datensätzen. Das internationale Team umfasste Forschende von der University of Southampton, dem GFZ Helmholtz-Zentrum Potsdam, der Universität Potsdam, der Queen’s University (Kanada) und der Swansea University. Die numerischen Simulationen testeten eine Bandbreite an Rheologien, thermischen Profilen und Dehnungsraten, um zu demonstrieren, wie Mantelwellen unter realistischen tektonischen Bedingungen entstehen und kontinentalen Materialtransport bewirken können.
Technisch basieren die Modelle auf gekoppelte Lithosphäre-Mantel-Gleichungen, die viskoelastische bis viskoplastische Materialgesetze, Phasenänderungen bei hohen Drücken und Temperaturabhängigkeiten der Rockviskosität berücksichtigen. Sensitivitätsanalysen wurden durchgeführt, um die Robustheit des Prozesses gegenüber variierenden Anfangsbedingungen und Materialparametern zu prüfen. Geochemische Vergleiche stützten sich auf Multi-Isotopen-Analysen (Sr-Nd-Pb-Hf) sowie Spurenelement-Profile, die in den betrachteten Seamountproben gemessen wurden. Diese Kombination aus Modellierung und Geochemie stärkt die Argumentation, indem sie physikalisch plausible Transportwege mit nachweisbaren chemischen Signaturen verknüpft.
Experteneinschätzung
„Diese Arbeit unterstreicht, wie langsame, subtile Prozesse tief im Erdinneren erhebliche Auswirkungen an der Oberfläche und in der oberflächennahen Geologie haben können“, sagt Dr. Elena Márquez, Spezialistin für Manteldynamik an einer großen Forschungsuniversität (nicht an der Studie beteiligt). „Sie erinnert uns daran, dass der Mantel keine homogene Suppe ist, sondern historische ‚Taschen‘ bewahrt. Aufzuklären, wie diese Taschen sich bewegen und interagieren, hilft uns, Oberflächengeologie mit tiefen Erdprozessen zu verbinden und Modelle für vulkanische Gefahren, chemische Mantelentwicklung und Plattenrekonstruktionen zu verfeinern.“
Indem die Studie zeigt, dass kontinentale Wurzeln losgelöst und in ozeanische Domänen verlagert werden können, eröffnet sie neue Forschungsrichtungen zur Mantelheterogenität, zur Genese von Vulkanen und zur langfristigen chemischen Evolution des Erdinneren. Zukünftige Arbeiten könnten seismische Untersuchungen, detailliertere Isotopenstudien und verfeinerte dreidimensionale Simulationen einbeziehen, um räumliche und zeitliche Feinheiten des Prozesses noch genauer zu quantifizieren.
Quelle: scitechdaily
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