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Geophysik: Schmelze ohne Wasser

LavaseeLaden...
An manchen Nahtstellen unseres Planeten tauchen nicht nur Platten untereinander: In diesen Subduktionszonen genannten Tiefseegräben der Ozeane sollen auch riesige Wassermengen im Untergrund versickern und damit als Schmiermittel der Plattentektonik fungieren. Durch die Entwässerung der versinkenden ozeanischen Kruste und ihrer Minerale werde zudem der Schmelzpunkt des darüber liegenden Mantelmaterials herabgesetzt, dessen Magma wiederum die Vulkanketten zum Beispiel rund um den Pazifik entstehen lässt, so zumindest die Theorie. Geophysiker um Harry Green von der University of California in Riverside [1] sowie Philip England und Richard Katz von der Oxford University [2] veröffentlichten nun aber zwei Arbeiten, die diesem wasserhaltigen Konstrukt entgegenstehen.

Vulkan auf den AleutenLaden...
Vulkan auf den Aleuten | Auch die Aleuten zwischen Russland und Alaska sind Teil des pazifischen Feuerrings.
Tatsächlich fördert die Entwässerung von Mineralen wie Serpentinit die Entstehung von Erdbeben, deren Epizentrum weniger als 250 Kilometer tief liegt: Das Herauspressen von Wasser macht das Gestein spröde und lässt es schließlich brechen. Als Greens Team jedoch die Daten von tieferen seismischen Erschütterungen betrachtete, zeigte sich ein völlig anderes Bild: Die absinkenden Plattenstücke waren nun praktisch trocken – sie schieden damit als Wassertransporteure in untere Mantelregionen also aus, so die Geowissenschaftler.

Als weiteres Indiz gilt ihnen die Anwesenheit von Olivinen, obwohl diese Minerale jenseits von 350 Kilometer Tiefe eigentlich nicht mehr stabil sein und sich zu Spinell umformen sollten. "Experimente zeigen, dass bereits winzigste Wassermengen ausreichen würden, um diese Umwandlung anzustoßen. Aus unseren Daten sehen wir aber, dass in den untersuchten Abschnitten nur Olivine vorkommen – eine Bestätigung, dass die Plattenstücke trocken sind", erklärt Green. Belege für derartige trockene und olivinhaltige Zonen gebe es demnach im Bereich des Tonga-, Marianen-, Bonin- und Japangrabens. "Das bedeutet aber nicht, dass das gesamte Erdinnere trocken ist. Wasser kann auch über andere Wege in den unteren Mantel sickern. Die Subduktion als breite Wasserstraße in die Tiefe können wir jetzt aber ausschließen", so Green.

Dies hat auch Konsequenzen für Vulkanketten am Rand der Subduktionszonen, die sich aus Magmen des Mantels speisen – glutflüssiges Gestein, dessen Schmelzpunkt durch das austretende Wasser gesenkt werden sollte. Allerdings messen die Gürtel mit vulkanischer Aktivität an der Oberfläche nur wenige Dutzend Kilometer im Durchmesser, obwohl die Dehydrierung der abtauchenden Platte im Mantel zumindest theoretisch über mehrere hundert oder gar tausend Kilometer verläuft: Entsprechend breit müsste auch die Vulkankette ausfallen.

Aus dem AllLaden...
Aus dem All | Eine lange Fahne aus Rauch, Asche und Wasserdampf weist den Weg zum Krater des Chaitén in diesem so genannten Falschfarbenbild aus dem All. Das Dorf Chaitén liegt in der Bucht links unterhalb des gleichnamigen Vulkans. Die Feuerberge der Anden entstehen durch Subduktion unter anderem der Pazifischen unter die südamerikanische Platte.
Englands und Katzs neues Modell zur Thermodynamik in dieser Zone liefert nun womöglich eine Erklärung für diese unterschiedlichen Dimensionen: Die Feuerberge wachsen tatsächlich erst dort empor, wo Mantelgestein ohne den Einfluss von Wasser schmilzt – eine Umkehrung der bisherigen geotektonischen Ansätze.

Zwischen der abtauchenden und der überfahrenden Platte entsteht eine Art Keil aus Mantelmaterial, dass zwischen die Krustengesteine der beiden Platten ragt. In diesem Bereich entsteht wiederum eine eng umgrenzte Zone oberhalb der abtauchenden Platte, wo wasserfreies Gestein rein durch Druckentlastung schmilzt. Diese Magma steigt nun in die darüber liegende Kruste auf und macht dadurch auch die Bahn frei für weitere, wasserreiche Schmelzen aus der Substanz der subduzierten Scholle. Die "trockene" Schmelze beginnt auf ihrem Weg nach oben allerdings relativ bald wieder zu erstarren und bildet dadurch eine Art Kanal. Entlang dieser Vorgabe steigen die "nassen" Schmelzen weiter auf und nähren schließlich den schmalen Feuerring an der Oberfläche. (dl)
42. KW 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 42. KW 2010

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  • Quellen
[1] Green, H. et al.: Seismic evidence of negligible water carried below 400-km depth in subducting lithosphere. In: Nature 10.1038/nature09401, 2010.
[2] England, P, Katz, R.: Melting above the anhydrous solidus controls the location of volcanic arcs. In: Nature 467, S. 700–704, 2010.

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