Gespeist aus dem ersten Äon der Erdgeschichte

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Der Erdmantel beherbergt Schmelze, die älter ist als der Mond: Der Geochemiker Matthew Jackson der UC Santa Barbara fand zusammen mit Wissenschaftlern der University of Hawaii und der University of Texas heraus, dass die heißesten und somit elastischsten Mantel-Plumes aus einem Reservoir gespeist werden, dessen Zusammensetzung seit der Entstehung der Erde nach dem Big Bang unverändert  geblieben ist.

Matthew Jackson nimmt auf Hawaii Lavaproben.
© WHOI Geodynamics Program

Heliumisotope stellen ein geeignetes Werkzeug dar, wenn es darum geht, Magmareservoire zu detektieren, die den Zustand einer frühen Erde widerspiegeln. Lava aus Hotspot-Vulkanen, wie z.B. auf Hawaii oder Island, kann  im Vergleich zu den niedrigen 3He/4He – Isotopenverhältnissen, die man in Basalten Mittelozeanischer Rücken messen kann, seltene hohe 3He/4He – Isotopenverhältnisse aufweisen (50 Mal höher als in der derzeitigen Erdatmosphäre).
Eine bereits lang vorherrschende Hypothese besagt, dass das Material mit hohem 3He/4He – Isotopenverhältnis im tieferen Mantel, unterhalb der Zone aus dem die Basalte Mittelozeanischer Rücken gespeist werden, verbleibt und dass Plumes mit starken Auftrieb dieses Material in den oberen Mantel unter Hotspot-Vulkane transportieren.
Es gibt jedoch ein Problem mit dieser Hypothese: Während Lava einiger Hotspot-Vulkane niedrige bis hohe 3He/4He – Isotopenverhältnisse aufweist, treten an anderen Hotspots nur niedrige Heliumisotopenverhältnisse auf.

Jetzt konnte gezeigt werden, dass die Plume-gespeisten Hotspots mit dem höchsten maximalen 3He/4He – Isotopenverhältnis eine hohe Magmaaufstiegsrate haben und über Zonen mit Anomalien in der seismischen Ausbreitungsgeschwindigkeit liegen, anders als Hotspots die niedrige maximale 3He/4He – Isotopenverhältnisse aufweisen. Die Wissenschaftler interpretieren das Verhältnis zwischen den Heliumisotopiewerten, der Magmaaufstiegsrate und der Scherwellengeschwindigkeit im oberen Mantel derart, dass heiße Plumes (die seismische Anomalien mit niedriger Geschwindigkeit in einer Tiefe von 200km zeigen) fließfähiger sind und sowohl Material mit hohem als auch mit niedrigerem Heliumisotopenverhältnis mitreißen. Im Gegensatz dazu reißen kältere und somit weniger fließfähige Plumes kein Material mit hohem 3He/4He – Isotopenverhältnis mit sich, was durch eine höhere Dichte dieses Materials erklärt werden kann. Aus diesem Grund wird Material mit hohem Heliumisotopenverhältnis nur von den heißesten und somit fließfähigsten Plumes transportiert. Material mit derartiger Dichte und entsprechendem 3He/4He -Verhältnis kann dann sogar vom Konvektionsstrom im Mantel  isoliert bleiben und die Erklärung dafür sein, dass geochemische Verhältnisse wie sie im Hadaikum, vor mehr als 4,5 Milliarden Jahren, auf der Erde herrschten, darin konserviert blieben.

Quelle: Naturedoi:10.1038/nature21023

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Ariane Paninski

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