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Münster (upm/sr)

Geologen entdecken bisher unbekannte Region des Erdmantels

Das Mysterium Bermuda: Forscher untersuchen Vulkangestein / Studie in „Nature“
Das untersuchte Vulkangestein unter dem Mikroskop: Ein Dünnschliffbild in polarisiertem Licht zeigt Klinopyroxen-Kristalle, die zur Berechnung der Wasserkonzentration des Magmas verwendet wurden.<address>© Sarah Mazza</address>
Das untersuchte Vulkangestein unter dem Mikroskop: Ein Dünnschliffbild in polarisiertem Licht zeigt Klinopyroxen-Kristalle, die zur Berechnung der Wasserkonzentration des Magmas verwendet wurden.
© Sarah Mazza

Die Bermudainseln gelten seit jeher nicht nur wegen ihrer weißen Strände als ein besonderes Terrain inmitten des westlichen Atlantiks – die Inselgruppe liegt auf der Spitze eines 4.570 Meter hohen, vor rund 30 Millionen Jahren erloschenen Vulkans. Diese geologische Besonderheit hat jetzt ein internationales Forscherteam genauer unter die Lupe genommen und das aus Magma entstandene Gestein unter Bermuda zum ersten Mal im Detail geochemisch untersucht. Ziel der Forscher war es, Rückschlüsse auf die innere Beschaffenheit der Erde zu ziehen. Der Fund: Die Geologen entdeckten eine bisher unbekannte Region des Erdmantels, also der Schale des Erdinneren, die unter der äußersten Erdkruste beginnt und bis 2.900 Kilometer tief ins Erdinnere reicht.

Die neu entdeckte Region zeichnet sich durch eine besondere Atomzusammensetzung aus Blei aus, das durch radioaktiven Zerfall entstanden ist, sowie durch Kohlenstoff, Wasser und andere flüchtige Stoffe. „Unsere Studie zeigt, dass unser Verständnis von der Zusammensetzung des Erdmantels immer noch unvollständig ist – obwohl wir ihn seit fast einem Jahrhundert untersucht haben“, betont Studienleiterin Dr. Sarah Mazza vom Institut für Planetologie der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU). Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Nature“ erschienen.

Die Forscher vermuten, dass das neu entdeckte Mantelreservoir von Gesteinsplatten stammt, die noch von Pangäa, dem letzten Superkontinent der Erdgeschichte, übriggeblieben und in der sogenannten Übergangszone gespeichert sind – dem Bereich zwischen 410 und 660 Kilometern Tiefe, der als Übergang vom oberen zum unteren Mantel gilt. Dass die neuen Erkenntnisse über die Übergangszone direkt durch Gesteinsproben erhoben wurden, ist eine Besonderheit – das meiste vorherige Wissen hatten Forscher aus anderen Verfahren wie der Untersuchung von tief im Erdmantel liegenden Diamanten und geophysikalischen Berechnungen erlangt. „Die Entdeckungen in Bermuda zeigen, dass wir weiter Inseln, Unterwasserberge und andere vulkanische Regionen im Atlantischen Ozean untersuchen sollten, um unser Verständnis der geochemischen Evolution der Erde zu verbessern”, sagt Prof. Dr. Esteban Gazel von der Cornell University (USA), ebenfalls Leiter der Studie.

Hintergrund und Methode:

 

Die Forscher nutzten Proben von vulkanischem Gestein, die aus einem in den Siebzigerjahren angelegten Bohrloch auf Bermuda stammen, das rund 770 Meter in die Tiefe ging. Mithilfe von geochemischen Analysen fanden die Wissenschaftler heraus, dass die Erde unter Bermuda aus zwei vulkanischen Gesteinsarten besteht. Eine dieser Lavasorten ist mit Wasser, Kohlendioxid und Spurenelementen angereichert und zudem einzigartig, da sie den höchsten Anteil an bestimmten Blei-Isotopen aufweist, die je auf einer ozeanischen Insel gemessen wurden. Solche durch den Zerfall von Uran entstandenen Atomsorten geben Geologen die Möglichkeit, die Zusammensetzung des Erdmantels zu ergründen, weil diese chemische Zusammensetzung in einem Vulkan dieselbe ist wie die in der Region des Erdmantels, von der die Gesteinsschmelzen stammen.

Ihre Ergebnisse aus der geochemischen Analyse kombinierten die Forscher mit sogenannten geodynamischen Berechnungen, also Modellen von Kräften in der Erde und den dadurch hervorgerufenen Bewegungen. Das gefundene Material kann demnach von Pangäa stammen. Dabei handelt es sich um eine alle Kontinente der Erde miteinander verbindende Landmasse, die bis vor 150 Millionen Jahren existierte – und deren Überreste, alte Gesteinsplatten, aufgrund von Bewegungen in der Erdkruste und im oberen Erdmantel in die Übergangszone gerutscht und dort gespeichert sind. „Wir zeigen, dass die Bildung von Superkontinenten und diese jüngste Wiederaufbereitung des Materials im Erdmantel – ,jüngst‘ bedeutet in den letzten 20 Prozent der Erdgeschichte – wichtig sind, um eine chemische Stoffvielfalt im Mantel aufrechtzuhalten“, betont Sarah Mazza.

Die Studie gibt außerdem Ausschluss darüber, auf welche Weise Wasser und Kohlenstoff im Erdmantel gespeichert sind. So scheint Bermuda ein wichtiger Ort zu sein, um den tief im Erdinneren stattfindenden Kohlenstoffkreislauf zu verstehen. Darüber hinaus könnten die Ergebnisse dabei helfen, herauszufinden, wie viel Kohlenstoff sich in der gesamten Erde befindet.

In Folgestudien möchten die Wissenschaftler dem „Mysterium Bermuda“ weiter auf den Grund gehen und dazu die Mineralogie und Geochemie von Bohrloch-Proben untersuchen.

Wissenschaftliche Beiträge und Förderung:

 

Neben den Universitäten Münster und Cornell waren aus den USA die University of South Carolina, die Syracuse University, die James Madison University und das United States Geological Survey beteiligt. Weitere Beiträge leisteten die Universität Grenoble in Frankreich und das Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry in Russland.

Die Studie erhielt finanzielle Unterstützung von der US-amerikanischen „National Science Foundation“.

Originalpublikation:

S. Mazza et al. (2019): Sampling the volatile-rich transition zone beneath Bermuda. Nature; DOI: 10.1038/s41586-019-1183-6

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