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Geophysik: Erdmantel wird im Ganzen umgewälzt

Geowissenschaftler diskutieren seit mehreren Jahrzehnten, ob der Erdmantel insgesamt umgewälzt und durchmischt wird, oder ob es tiefere Schichten gibt, die davon unberührt bleiben und daher noch Ausgangsmaterial aus Zeiten der Erdentstehung erhalten. Die Auswertung von geochemischen Daten zu Vulkanergüssen weltweit stützt nun die These von der kompletten Umwälzung.

Zentraler Streitpunkt der Fachdiskussion ist das Vorkommen von Helium-3-Isotopen in den Laven ozeanischer Vulkaninseln wie Island oder Hawaii. Anders als andere Gase, verbleibt aus dem Magma freigesetztes 3He nicht in der Atmosphäre, sondern entweicht ins All.

Taucht das Isotop nun in größeren Mengen in Ablagerungen auf, so sollte es aus einer Quelle stammen, die noch aus der Zeit der Entstehung der Erde herrührt und damit das ursprüngliche Ausgangsmaterial repräsentiert, sagen Forscher, die einen geschichteten Mantel mit unberührten tieferen Abschnitten verfechten. Dies widerspricht aber seismischen Daten, die derart isolierte Vorkommen bisher nicht bestätigen konnten. Auch passt es nicht zu den Modellen der Konvektion im Mantel, auf der unter anderem die Plattentektonik beruht.

Cornelia Class und Steven Goldstein vom Lamont-Doherty Earth Observatory der Universität von Columbia untermauern nun mit ihrer Studie eine zweite Erklärung: 3He entweicht bei vulkanischen Prozessen nicht im bislang vermuteten Umfang aus dem Magma, weshalb die Erde noch größere Vorräte des leichten Isotops enthält als erwartet.

Die Wissenschaftler hatten die Isotopen-Verhältnisse von Strontium, Neodym und Blei in 3He-reichen Basalten ozeanischer Vulkaninseln untersucht und dabei festgestellt, dass diese Gesteine sehr wohl bereits vorher aufgeschmolzen wurden und daher nicht aus ursprünglichem, unberührten Material bestehen können. Anhand mathematischer Modelle zeigten sie, dass die Ausgasung tatsächlich weniger effizient verlaufen könnte als gedacht.

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