Aufstieg oder nicht? – Wie heißes Gestein im Erdmantel gebremst wird

Eine Abb. der durch die Erdkruste an die Oberfläche gelangten Flutbasalte in Sibirien

Bisher nahm man an, dass diese – Mantelplumes genannten – riesigen Gesteinsströme aufgrund ihrer hohen Temperatur direkt aus dem tiefen Erdmantel aufsteigen können. Ein Team von Geodynamik-Modellierern des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ berichtet nun in der aktuellen Ausgabe von Nature Communications über mögliche Hindernisse, die den Aufstieg solcher Mantelplumes verhindern können und unter welchen Bedingungen das Gestein doch die Lithosphäre erreichen kann.

Die Geoforscher konnten dabei zugleich Widersprüche in den bisherigen Modellvorstellungen auflösen.
Die größten auf der Erde stattfindenden magmatischen Ereignisse beruhen auf dem massenhaften Schmelzen von aus dem tiefen Erdmantel aufsteigendem heißem Gestein.

Spuren solcher Ereignisse der Erdgeschichte finden sich an der Erdoberfläche im Gestein von so genannten magmatischen Großprovinzen (Large Igneous Provinces) findet. Die bisherige Vorstellung war, dass das heiße Gestein im tiefen Erdmantel aufgrund seiner hohen Temperatur einen starken Auftrieb besitzt, daher aufsteigt und die darüber liegende Erdoberfläche um mehr als einen Kilometer anhebt.

Außerdem wurde bisher angenommen, dass diese Mantelplumes eine pilzartige Form besitzen: Zuerst steigt Material in einer breiten, kugelartigen Struktur auf, in seiner Schleppe folgt ein wesentlich dünnerer Auftiegskanal, der einen entschieden schmaleren Radius von etwa hundert Kilometern besitzt. Das Problem: diese Modellvorstellung stimmt in vielen Fällen nicht mit geologischen und geophysikalischen Beobachtungen überein, die breitere Aufströmungszonen und eine geringere topografische Hebung vermuten lassen.

Die Lösung liegt in Beobachtungen der Plattentektonik: An vielen Stellen auf der Erde sinkt der Ozeanboden in den Erdmantel, wie etwa in den Subduktionszonen rund um den Pazifik. Dieses Gesteinsmaterial taucht offenbar während Millionen von Jahren bis in große Tiefen in den Erdmantel ein.

Dieser frühere Ozeanboden besitzt eine andere geochemische Zusammensetzung als der umgebende Erdmantel und hat eine höhere Dichte. Wenn dieses Gestein mit dem heißen Gestein des Mantelplumes vermischt wird, was geochemische Analysen von Gesteinen aus magmatischen Großprovinzen vermuten lassen, verringert sich so der Auftrieb des Plumes. Damit stellt sich aber die Frage, ob das heiße Material noch leicht genug ist, um auch durch aus dem unteren Erdmantel bis zur Oberfläche aufzusteigen.

GFZ-Wissenschaftlerin Juliane Dannberg: „Unsere Computermodelle zeigen, dass einerseits die Temperaturunterschied zum Umgebungsgestein hoch genug sein muss, damit der Auftrieb am Entstehungsort des Plumes im unteren Mantel ausreicht, um den Aufstieg beginnen zu lassen. Andererseits muss das Volumen des aufsteigenden Gesteins ausreichend groß sein, um eine Zone im oberen Erdmantel durchqueren zu können, wo Drücke und Temperaturen im Gestein zu Bildung von Mineralen führen, die wesentlich schwerer als das Umgebungsgestein sind.“

Unter diesen Bedingungen entstehen zum einen Mantelplumes mit so geringem Auftrieb, dass sie nicht zu massivem Vulkanismus und Naturkatastrophen führen, sondern sogar im Mantel stecken bleiben. Andererseits sind diejenigen Mantelplumes, die den gesamten Mantel durchqueren konnten, viel weiträumiger, verbleiben über Hunderte von Millionen Jahren im Erdmantel und heben die Erdoberfläche um nur um wenige hundert Meter an, wie es auch in der Natur beobachtet wird.

Dannberg, J. and Sobolev, S.V., “Low-buoyancy thermochemical plumes resolve controversy of classical mantle plume concept”, Nature Communications, 24.04.2015, doi: 10.1038/ncomms7960

Franz Ossing
Helmholtz Centre Potsdam
GFZ German Research Centre for Geosciences
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