In unzähligen naturwissenschaftlichen Grundschulbüchern ist der Erdmantel ein gelb-orangefarbener Farbverlauf, eine nebulös definierte Schicht zwischen der Kruste und dem Kern.
Für Geologen ist der Mantel so viel mehr als das. Er ist eine Region, die irgendwo zwischen der Kälte der Kruste und der gleißenden Hitze des Kerns liegt. Dort wird der Meeresboden geboren und tektonischen Platten sterben.
Eine neue in Nature Geoscience veröffentlichte Studie zeichnet ein noch komplizierteres Bild des Mantels als geochemisch vielfältiges Mosaik, das sich deutlich von den relativ einheitlichen Laven unterscheidet, die schließlich die Oberfläche erreichen. Noch wichtiger ist, dass eine Kopie dieses Mosaiks tief in der Kruste verborgen ist. Die Studie wird von Sarah Lambart, Assistenzprofessorin für Geologie an der University of Utah, geleitet und durch das Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union und die National Science Foundation finanziert.
“Wenn man sich ein Bild von Jackson Pollock ansieht, hat man viele verschiedene Farben”, sagt Lambart. “Diese Farben repräsentieren verschiedene Mantelkomponenten und die Linien sind Magmen, die von diesen Komponenten erzeugt und an die Oberfläche transportiert werden. Wenn man sich die gelbe Linie ansieht, vermischt sie sich nicht sehr mit Rot oder Schwarz.”
Primitive Minerale
Unser bester Zugang zum Mantel ist die Lava, die an mittelozeanischen Rücken zu Tage tritt. Diese Rillen befinden sich in der Mitte des Meeresbodens und erzeugen neue Meereskruste. Proben dieser Lava zeigen, dass sie chemisch meist überall auf dem Planeten gleich ist.
Aber das steht im Widerspruch zu dem, was am anderen Ende des Lebenszyklus der Kruste passiert. Alte ozeanische Kruste breitet sich von den mittelozeanischen Rücken aus, bis sie unter einen Kontinent geschoben und gezogen wird und wieder in den Mantel absinkt. Was danach passiert, ist etwas unklar, aber wenn sowohl der Mantel als auch die alte Kruste schmelzen, sollte es einige Unterschiede in der chemischen Zusammensetzung der Magmen geben.
So versuchten Lambart und ihre Kollegen aus Wales und den Niederlanden herauszufinden, wie der Mantel aussieht, bevor er als Lava an einem mittelozeanischen Rücken aufsteigt. Sie untersuchten Kerne, die durch die ozeanische Kruste gebohrt wurden, um kumulierte Minerale zu untersuchen: die ersten Minerale also, die kristallisieren, wenn die Magmen in die Kruste gelangen.
“Wir haben uns den primitivsten Teil dieser Minerale angesehen”, sagt Lambart. Nachdem sie diese gefunden hatten, analysierten sie nur noch die chemische Zusammensetzung der Minerale, die sich als die allerersten gebildet hatten.
“Wenn Sie nicht gerade den primitivsten Teil betrachten, könnten Sie das Signal dieser ersten Schmelze verlieren, die an die Kruste abgegeben wurde. Das ist die Originalität unserer Arbeit.”
Sie analysierten die Proben Zentimeter für Zentimeter, um Variationen der Isotope von Neodym und Strontium zu untersuchen, die auf verschiedene chemische Eigenschaften des Mantelmaterials hinweisen könnten, die von verschiedenen Gesteinsarten stammen.
“Wenn Sie Isotopenvariabilitäten in Ihren Kumulatoren haben, bedeutet das, dass Sie auch Isotopenvariabilitäten im Mantel haben müssen”, sagt Lambart.
Wenn der Mixer eingeschaltet wird
Das ist genau das, was das Team gefunden hat. Das Ausmaß der Isotopenvariabilität in den Kumulatoren war siebenmal größer als in den mittelozeanischen Rückenlavas. Das bedeutet, dass der Mantel bei weitem nicht gut vermischt ist und diese Variabilität in den Kumulatoren erhalten bleibt.
Der wahrscheinliche Grund ist, dass verschiedene Gesteine bei unterschiedlichen Temperaturen schmelzen. Das erste Gestein, das geschmolzen wird, zum Beispiel die alte Kruste, kann Kanäle bilden, die Magmen bis zur Kruste transportieren können. Das Schmelzen einer anderen Gesteinsart kann das gleiche bewirken. Das Endergebnis sind mehrere Netzwerke von Kanälen, die zum mittelozeanischen Rücken hin konvergieren, sich aber nicht zu den Farbstreifen auf einem Jackson Pollock-Bild mischen.
Um herauszufinden, was dieser Fund für die Geologie bedeutet, stellen Sie sich am besten einen Smoothie vor. Nein, gehen Sie weiter zurück und stellen Sie sich den Mixer mit Obst, Eis, Milch und anderen Zutaten vor. Das ist vergleichbar mit den diskreten Zutaten des Mantels und diese sind so unterschiedlich, wie eine Erdbeere es zu einer Heidelbeere ist. Der Smoothie ist wie die mittelozeanische Rückenlava. Sie ist vollständig gemischt. Irgendwann zwischen dem tiefen Mantel und dem mittelozeanischen Rücken schaltet die Erde den Mixer ein. Lambart sagt, dass ihre Ergebnisse zeigen, dass die Mischung ganz oben im Mantel noch nicht stattgefunden hat. Der Mixer, so stellte sich heraus, schaltet sich erst irgendwo in der Kruste ein.
Lambart’s Arbeit hilft ihr und anderen Geologen, ihre Vorstellung davon, wie sich Material durch den Mantel nach oben an die Oberfläche bewegt, neu zu definieren.
“Das Problem ist, dass wir einen Weg finden müssen, die geodynamische Erde, einschließlich der Plattentektonik, zu modellieren, um tatsächlich zu reproduzieren, was heute im Gestein aufgezeichnet ist”, sagt sie. “Bis jetzt fehlt dieser Zusammenhang.”
Jetzt richtet Lambart ein neues experimentelles Petrologielabor ein, um die Bedingungen für die Magmen zu untersuchen und ihre chemischen Zusammensetzungen während ihrer Reise durch den Mantel und die Kruste zu konservieren.
Veröffentlichung: Highly heterogeneous depleted mantle recorded in the lower oceanic crust, Nature Geoscience (2019). DOI: 10.1038/s41561-019-0368-9 , https://www.nature.com/articles/s41561-019-0368-9:
Quelle: off. Pm der University of Utah
Titelbildunterschrift: Eine Karte einer kumulierten Mineralprobe. (Bild: Sarah Lambart/Universität Utah)
Pia Gaupels
Neueste Artikel von Pia Gaupels (alle ansehen)
- Der Stein, der Wolken macht - 10. Januar 2024
- Unterwasservulkane helfen, prähistorische Klimaerwärmung zu erklären - 4. August 2023
- Neuer Urwal ist ein Anwärter auf das schwerste Tier aller Zeiten - 3. August 2023