Verbindung zwischen Plattentektonik, vulkanischen CO2-Emissionen und Evolution identifiziert

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Forscher haben festgestellt, dass die Bildung und Trennung von Superkontinenten über Hunderte von Millionen Jahren die natürlichen vulkanischen Kohlenstoff-Emissionen kontrolliert. Die Ergebnisse, die jetzt von Wissenschaftlern der Cambridge University in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurden, könnten zu einer Neuinterpretation führen, wie sich der Kohlenstoffkreislauf im Laufe der Erdgeschichte entwickelt hat und wie dies die Evolution der Bewohnbarkeit der Erde beeinflusst hat.

Die Forscher der Universität Cambridge nutzten vorhandene Messdatenreihen von Kohlenstoff und Helium von mehr als 80 Vulkanen aus der ganzen Welt, um den Ursprung dieser beiden Elemente zu bestimmen. Kohlenstoff und Helium, die vulkanischen Ursprungs sind, können entweder aus der Tiefe in die Erde kommen oder oberflächennah recycelt werden. Durch die Messung des chemischen Fingerabdrucks dieser Elemente kann ihre Quelle bestimmt werden. Als das Team die Daten analysierte, fand es heraus, dass der Großteil des aus Vulkanen freigesetzten Kohlenstoffs oberflächennah recycelt wird. Dies steht im Gegensatz zu der früheren Annahme, dass der Kohlenstoff aus dem Inneren der Erde kam. „Dies ist ein wesentliches Stück vom Puzzle des geologischen Kohlenstoffkreislaufs“, sagte Dr. Marie Edmonds, die leitende Autorin der Studie.

Über einen Zeitraum von Millionen von Jahren verläuft der Kohlenstoffkreislauf zwischen dem Erdinneren und der Erdoberfläche hin und her. Kohlenstoff wird aus Oberflächenprozessen wie der Bildung von Kalkstein und der Verwesung und dem Zerfall von Pflanzen und Tieren entfernt, wodurch der atmosphärische Sauerstoff ansteigen kann. Vulkane sind eine Möglichkeit, Kohlenstoff an die Erdoberfläche zurückzugegeben, obwohl die Menge, die sie produzieren, weniger als ein Hundertstel der Menge an Kohlenstoffemissionen ist, die durch menschliche Aktivität verursacht werden. Heute ist der Großteil des Kohlenstoffs an der Oberfläche recycelt, aber es ist unwahrscheinlich, dass dies in der Erdgeschichte immer der Fall war.

Vulkane bilden sich auf großen Insel- oder Kontinentalbögen, wo tektonische Platten zusammenstoßen und eine Platte unter die anderen subduziert wird, wie beispielsweise die Aleutischen Inseln zwischen Alaska und Russland, die Anden von Südamerika, alle Vulkane in Italien und die Marianen im westlichen Pazifik. Diese Vulkane haben unterschiedliche chemische Fingerabdrücke: Die „Inselbogen“- Vulkane emittieren weniger Kohlenstoff, der aus Tiefen des Mantels kommt, während die Vulkane an „Kontinentalbögen“ weit mehr Kohlenstoff ausstoßen, der aus geringeren Tiefen kommt.

Über Hunderte von Millionen Jahren hat die Erde Zeiten erlebt, in denen Kontinente entweder zusammenkamen oder wieder auseinanderbrachen. In Zeiten, in denen Kontinente kollidierten, wurde die vulkanische Aktivität von den Inselvulkanen dominiert,  wenn Kontinente auseinanderbrechen, dominieren kontinentale Vulkanbögen. Dieses Hin und Her ändert den chemischen Fingerabdruck von Kohlenstoff, der systematisch über die geologische Zeit an die Erdoberfläche kommt und anhand verschiedener Isotopen von Kohlenstoff und Helium gemessen werden kann.

Variationen des Isotopenverhältnisses oder des chemischen Fingerabdrucks von Kohlenstoff werden üblicherweise in Kalkstein gemessen. Forscher hatten zuvor gedacht, dass nur die Produktion von atmosphärischem Sauerstoff den Kohlenstofffingerabdruck in Kalkstein verändern könnte. Als solches wurde der Kohlenstoff-Isotopen-Fingerabdruck in Kalkstein verwendet, um die Evolution der Bewohnbarkeit der Erde zu interpretieren. Die Ergebnisse des Cambridge-Teams deuten darauf hin, dass Vulkane im Kohlenstoffkreislauf eine größere Rolle gespielt haben, als bisher gedacht wurde und dass frühere Annahmen in dieser Richtung überdacht werden müssen.

„Damit können wir die Entwicklung des Kohlenstoffzyklus grundlegend neu bewerten“, sagte Edmonds. „Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Kalkstein-Aufzeichnungen vollständig neu interpretiert werden müssen, wenn der vulkanische Kohlenstoff, der an die Oberfläche tritt, tatsächlich seine Kohlenstoffisotopenzusammensetzung ändern kann.“

Ein gutes Beispiel hierfür ist die Kreidezeit vor 144 bis 65 Millionen Jahren. Während dieser Zeitspanne gab es eine starke Zunahme des Kohlenstoff-Isotopen-Verhältnisses, das in Kalkstein gefunden wurde, was als eine Zunahme der atmosphärischen Sauerstoffkonzentration interpretiert wurde. Diese Zunahme des atmosphärischen Sauerstoffs wurde kausal mit der Verbreitung von Säugetieren in der späten Kreide verbunden. Allerdings deuten die Ergebnisse des Cambridge-Teams darauf hin, dass die Zunahme des Kohlenstoff-Isotopenverhältnisses in den Kalksteinen fast vollständig auf Veränderungen in den Vulkanarten an der Oberfläche zurückzuführen sein könnte.

„Die Verbindung zwischen Sauerstoffniveaus und der Verwitterung organischen Materials erlaubte das Leben auf der Erde, wie wir es kennen, um sich zu entwickeln, aber unsere geologische Aufzeichnung dieser Verknüpfung muss neu bewertet werden“, sagte Co-Autor Dr. Alexandra Turchyn.

 

Veröffentlichung:

Emily Mason, Marie Edmonds, Alexandra V. Turchyn. ‘Remobilization of crustal carbon may dominate volcanic arc emissions.’ Science (2017). DOI: 10.1126/science.aan5049.

Quelle: off. Pn der Cambridge University

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.