April 7, 2017
Unter dem Ozean treffen massive tektonische Platten aufeinander und reiben aneinander, wodurch eine unter die andere getrieben wird. Diese mächtige Kollision, Subduktion genannt, ist verantwortlich für die Bildung von Vulkanbögen, die die Heimat einiger der dramatischsten geologischen Ereignisse auf der Erde sind, wie explosive Vulkanausbrüche und Mega-Erdbeben.
Eine neue Studie, die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, verändert unser Verständnis davon, wie Vulkanbogen-Laven gebildet werden, und könnte Auswirkungen auf die Erforschung von Erdbeben und die Risiken von Vulkanausbrüchen haben.
Forscher unter der Leitung der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) haben einen bisher unbekannten Prozess entdeckt, bei dem stark gemischte metamorphe Gesteine – sogenannte Mélange-Gesteine – aufgeschmolzen werden, die durch hohe Spannungen während der Subduktion an der Platten-Mantel-Grenze entstehen.
Bislang ging man davon aus, dass die Lavaentstehung mit einer Kombination aus Flüssigkeiten von einer subduzierten tektonischen Platte (Slab) und geschmolzenen Sedimenten beginnt, die dann in den Mantel einsickern würden. Im Mantel vermischten sie sich und lösten weiteres Schmelzen aus, um schließlich an der Oberfläche auszubrechen.
„Unsere Studie zeigt deutlich, dass das vorherrschende Modell der Flüssigkeits-/Sedimentschmelze nicht korrekt sein kann“, sagt Sune Nielsen, Geologe am WHOI und Hauptautor der Studie. „Das ist bedeutsam, weil fast alle Interpretationen der geochemischen und geophysikalischen Daten über Subduktionszonen in den letzten zwei Jahrzehnten auf diesem Modell beruhen.“
Was Nielsen und sein Kollege stattdessen herausfanden, war, dass die Mélange tatsächlich bereits an der Oberseite der Platte vorhanden ist, bevor eine Vermischung mit dem Mantel stattfindet.
„Diese Studie zeigt zum ersten Mal, dass das Mélange-Schmelzen der Haupttreiber für die Interaktion zwischen Platte und Mantel ist“, sagt Nielsen.
Dies ist eine wichtige Unterscheidung, da Wissenschaftler Messungen von Isotopen und Spurenelementen verwenden, um die Zusammensetzung von Arc-Laven zu bestimmen und diesen kritischen Bereich der Subduktionszonen besser zu verstehen. Wann und wo die Vermischung, das Schmelzen und die Umverteilung von Spurenelementen stattfindet, erzeugt sehr unterschiedliche Isotopensignatur-Verhältnisse.
Die Studie baut auf einer früheren Arbeit von Nielsens Kollegen und Co-Autor Horst Marschall von der Goethe-Universität in Frankfurt auf. Basierend auf Feldbeobachtungen von Mélange-Aufschlüssen stellte Marschall fest, dass Klumpen von Mélange-Material geringer Dichte, Diapire genannt, langsam von der Oberfläche der subduzierenden Platte aufsteigen und das gut gemischte Material in den Mantel unter Bogenvulkanen tragen könnten.
„Das Mélange-Diapir-Modell wurde durch Computermodelle und durch detaillierte Feldarbeit in verschiedenen Teilen der Welt inspiriert, wo Gesteine, die von der tiefen Platte-Mantel-Grenzfläche stammen, durch tektonische Kräfte an die Oberfläche gebracht wurden“, sagt Marschall. „Wir diskutieren das Modell seit mindestens fünf Jahren, aber viele Wissenschaftler dachten, dass die Mélange-Gesteine keine Rolle bei der Entstehung von Magmen spielen. Sie taten das Modell als ‚Geo-Fantasie‘ ab.“
In ihrer neuen Arbeit verglichen Nielsen und Marschall die Mischungsverhältnisse aus beiden Modellen mit chemischen und isotopischen Daten aus veröffentlichten Studien von acht global repräsentativen Vulkanbögen: Marianen, Tonga, Kleine Antillen, Aleuten, Ryukyu, Scotia, Kurilen und Sunda.
„Unsere breit angelegte Analyse zeigt, dass das Mélange-Mischungsmodell in jedem Bogen weltweit nahezu perfekt zu den Literaturdaten passt, während die vorherrschenden Sediment-Schmelze-Fluid-Mischungslinien weit von den tatsächlichen Daten abweichen“, sagt Nielsen.
Das Verständnis der Prozesse, die an Subduktionszonen auftreten, ist aus vielen Gründen wichtig. Oft als Motor des Planeten bezeichnet, sind Subduktionszonen die Hauptbereiche, in denen Wasser und Kohlendioxid, die im alten Meeresboden enthalten sind, zurück in die Tiefe der Erde recycelt werden und eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle des langfristigen Klimas und der Entwicklung des Wärmehaushalts des Planeten spielen.
Diese komplexen Prozesse laufen auf Skalen von zehn bis tausenden von Kilometern über Monate bis hunderte von Millionen Jahren ab, können aber katastrophale Erdbeben und tödliche Tsunamis erzeugen, die innerhalb von Sekunden auftreten können.
„Ein großer Teil der Vulkan- und Erdbebengefahren der Erde ist mit Subduktionszonen verbunden, und einige dieser Zonen befinden sich in der Nähe von Orten, an denen hunderte von Millionen Menschen leben, wie etwa in Indonesien“, sagt Nielsen. „Um zu verstehen, warum und wo Erdbeben auftreten, muss man wissen oder verstehen, welche Art von Material dort unten tatsächlich vorhanden ist und welche Prozesse ablaufen.“
Das Forscherteam sagt, dass die Ergebnisse der Studie eine Neubewertung der zuvor veröffentlichten Daten und eine Überarbeitung der Konzepte in Bezug auf Subduktionszonenprozesse erfordern. Da Mélange-Gesteine weitgehend ignoriert wurden, ist fast nichts über ihre physikalischen Eigenschaften oder den Bereich von Temperaturen und Drücken, bei denen sie schmelzen, bekannt. Zukünftige Studien zur Quantifizierung dieser Parameter werden einen noch besseren Einblick in die Rolle von Mélange in Subduktionszonen und die Kontrolle, die es über die Entstehung von Erdbeben und den Vulkanismus in Subduktionszonen ausübt, ermöglichen.
Diese Arbeit wurde durch einen Zuschuss der National Science Foundation Division of Earth Sciences finanziert.
Die Woods Hole Oceanographic Institution ist eine private, gemeinnützige Organisation auf Cape Cod, Massachusetts, die sich der Meeresforschung, dem Ingenieurwesen und der höheren Bildung widmet. Sie wurde 1930 auf Empfehlung der National Academy of Sciences gegründet und hat die Aufgabe, den Ozean und seine Wechselwirkung mit der Erde als Ganzes zu verstehen und ein grundlegendes Verständnis für die Rolle des Ozeans in der sich verändernden globalen Umwelt zu vermitteln. Für weitere Informationen besuchen Sie bitte www.whoi.edu.