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Geologie : Der Kreislauf der Gesteine

  • -Aktualisiert am

Millimetergroßer Olivinkristall des Mauna Loa-Vulkans. Bei den schwarzen Punkten handelt es sich um Gasblasen. Darin findet man Strontiumisotopenverhältnisse, wie sie im Meerwasser vor 500 Millionen Jahren vorkamen. Bild: Alexander Sobolev, MPI für Chemie

Das Recycling von Gesteinen läuft in Vulkanen viel schneller ab, als man bislang glaube. Material des Erdmantels, das ins Erdinnere absunken war, gelangt über Vulkanismus bereits nach rund 500 Millionen Jahren wieder an die Erdoberfläche und nicht erst nach zwei Milliarden Jahren.

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          Der Kreislauf der Gesteine macht die Erde zu einem riesigen Recyclingcenter. Neue Erdkruste entsteht an den mittelozeanischen Rücken, driftet durch Ozeanbecken und versinkt dann in der Nähe der Tiefseegräben wieder im Erdmantel. Auch die Lava vieler Vulkane ist nicht frisch. In den meisten Fällen handelt es sich um Gestein, das im Laufe der Erdgeschichte bereits mehrfach die Erdoberfläche erreicht hat, nur um dann wieder vom Erdmantel verschluckt zu werden. Allerdings ist bis heute nicht klar, wie lange ein solcher Zyklus dauert. Manche Forscher haben Hinweise darauf gefunden, dass das Gestein erst nach ein bis zwei Milliarden Jahren wieder an die Oberfläche tritt. Andere nehmen an, der Kreislauf gehe schneller vor sich. Wissenschaftlern aus Mainz ist es nun gelungen, diesen Zeitrahmen genauer einzugrenzen. Danach findet das Gesteinsrecycling viel rascher statt als bisher vermutet.

          Mit dem Tempo der Formel 1

          Auf den ersten Blick sind die verschiedenen Zeitskalen verwirrend, mit denen sich Gestein durch den Erdmantel bewegen kann. In manchen Laven finden sich Xenolithe (altgriechisch für Fremdgestein). Diese oft nur sandkorngroßen Einschlüsse sind Reste von dem ursprünglichen Gestein, aus dem jenes Magma entstanden ist, das einen Vulkan füttert. Zum Teil handelt es sich bei den Xenolithen um Minerale, die nur in Tiefen von mehreren hundert Kilometern im Erdmantel vorkommen. Weil sie nicht geschmolzen sind, müssen sie bei einem Vulkanausbruch innerhalb weniger Stunden, vielleicht sogar nur weniger Minuten aus den großen Tiefen an die Erdoberfläche transportiert worden sein. Das entspricht der Geschwindigkeit eines Formel-1-Rennwagens. Dem steht die scheinbar endlos langsame Drift der Lithosphärenplatten gegenüber. Sie geht mit einigen Zentimetern pro Jahr vor sich, also etwa mit der gleichen Geschwindigkeit, mit der ein Fingernagel wächst. Glaubt man schließlich den bisherigen Annahmen, denen zufolge das Gesteinsrecycling mehr als eine Milliarde Jahre dauert, müsste sich das Gestein im Erdmantel noch zehn- bis hundertmal so langsam bewegen.

          Die Lösung wartete auf Hawaii

          Um die Recyclingrate nun genauer eingrenzen zu können, untersuchte die Forschergruppe um Alexander Sobolev vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz die Lavaproben eines der ergiebigsten Vulkane der Welt, nämlich des mehr als 4000 Meter hohen Mauna Loa auf Hawaii. Den gängigen Angaben zufolge wird er von einem sogenannten Mantelschlot gespeist, der wahrscheinlich von der Grenzfläche zwischen Erdmantel und Erdkern in 2900 Kilometer Tiefe bis an die Erdoberfläche reicht. Wie in einem Fabrikschlot steigt heißes Gestein durch diese nur einige Dutzend Kilometer große Röhre als Magma auf und tritt schließlich in den Kratern des Mauna Loa und seiner Schwestervulkane auf der Großen Hawaiiinsel zutage.

          Mit dem bloßen Auge kann man in den basaltischen Laven dieser Vulkane häufig grüne Olivinkristalle entdecken. Die Forscher aus Mainz untersuchten nun winzige Einschlüsse, die in dem Olivin enthalten sind. Ähnlich wie bei den Xenolithen handelt es dabei um Reste des ursprünglichen Gesteins, aus dem die Hawaiilava entstand. Mit aufwendigen Verfahren analysierten sie von einigen in den Einschlüssen vorkommenden Elementen die Isotopenverhältnisse. Solche Untersuchungen der Isotopenkonzentrationen werden in der geologischen Forschung häufig zur Altersbestimmung genutzt.

          Ungewöhnliche Isotopen-Verhältnisse

          Die Einschlüsse in den Laven des Mauna Loa zeigten allerdings ein außergewöhnliches Verhältnis der beiden Isotope Strontium-87 und Strontium-86. Es entsprach genau jenem Wert, den man ausschließlich in Resten von etwa 300 Millionen Jahren altem Meerwasser findet. Wie die Forscher um Sobolev jetzt in der Zeitschrift "Nature" (doi: 10.1038/nature 10321) berichten, gibt es nur eine Möglichkeit, diese Übereinstimmung der Strontiumverhältnisse zu erklären zu können. Danach muss das ursprünglich Gestein, aus dem die Hawaiilava entstand, vor etwa 200 bis 400 Millionen Jahren als Ozeankruste an der Erdoberfläche mit Meerwasser in Kontakt gekommen sein. Dabei konnte sich das damalige Strontiumverhältnis des Wassers auf das Gestein übertragen. Es blieb auch während der Subduktion der Ozeankruste in den Erdmantel, während des Schmelzens und des Wiederaufstiegs in einem Vulkanausbruch erhalten. Es durchlief also einen kompletten Gesteinszyklus von der Erdoberfläche bis in den tiefen Erdmantel und wieder zurück. Mit einer Dauer von etwa 300 Millionen Jahren wäre dieser Zyklus damit viel kürzer als bisher angenommen.

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