Geokommission

Konvektionsströme im Erdmantel treiben die Bewegung der Lithosphären-Platten an der Erdoberfläche an. Durch seismische Tomographie können absinkende Platten im Erdmantel ebenso wie aufsteigende Plumes sichtbar gemacht werden. Seit einigen Jahren ist es zudem möglich, die Strömungsmuster im Mantel zu erkennen und zwar anhand seismischer Anisotropien. Bei der plastischen Deformation der Minerale orientieren sich die Kristalle vorzugsweise in eine bestimmte Richtung. Dies führt dazu, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer Wellen ebenfalls richtungsabhängig wird. Vergleicht man diese Effekte mit Deformationsexperimenten im Labor, so lassen sich die Fließrichtungen im Mantel rekonstruieren. Extrem genaue Messungen des Schwerefeldes der Erde mit Satelliten wie GRACE oder GOCE liefern weitere Hinweise darauf, wie sich Materie tief im Erdinneren verlagert.

Die numerische Modellierung der Mantelkonvektion hat in den vergangenen Jahren enorme Fortschritte gemacht. Die Modelle sind mittlerweile derart verfeinert, dass sie es erlauben, frühere Konvektionsbewegungen im Erdmantel nachzuvollziehen und die Plattenbewegungen in der Zukunft vorherzusagen. Nach wie vor fehlen jedoch experimentelle Daten über die so genannte Rheologie der Minerale des tiefen Erdmantels, das heißt, über ihr Verformungsverhalten und ihre Festigkeit. Derzeit ist noch nicht bekannt, ob die Minerale des oberen Mantels, der Übergangszone und des unteren Mantels jeweils eine andere Viskosität haben. Ohne diese Information, die in Experimenten gewonnen werden kann, ist es nicht möglich, die Dynamik des Erdinnern realistisch zu modellieren. Nach wie vor ist es außerdem ungeklärt, wie effizient oberer und unterer Mantels sich vermischen und ob dies kontinuierlich oder episodisch geschieht. Die entscheidende Frage besteht darin, wie sich die abtauchenden Platten verhalten, wenn sie auf die Grenzschichten in 410 und 660 Kilometern Tiefe stoßen, wo sich einige Minerale in Hochdruck-Modifikationen umwandeln. Da sich dort die Struktur und damit die Dichte der Minerale ändert, verändert sich auch der Auftrieb der Platten relativ zum umgebenden Mantel. Möglicherweise sind die Platten nicht schwer genug, um diese Grenzflächen zu durchdringen. In diesem Fall könnte sich das subduzierte Material im Mantel anhäufen und schließlich in Form katastrophaler „Lawinen“ in den unteren Mantel absinken. Das könnte wiederum den Aufstieg großer Plumes auslösen.

Der GOCE-Satellit untersucht das Schwerefeld der Erde. Mit derartigen Satelliten lassen sich Masseverlagerungen an der Erdoberfläche, aber auch tief im Erdinnern nachweisen (GOCE = Gravity field and steady-state ocean circulation explorer) (Quelle: ESA - AOES Medialab)

Spuren von Wasser haben einen drastischen Effekt auf die Festigkeit von Mineralen. Werden Protonen als Punktdefekte in Minerale eingebaut, so bilden sich Leerstellen. Dadurch werden Fehlstellen im Kristallgitter beweglicher, was die Festigkeit eines Minerals um Größenordnungen verringern kann. Es gibt Hinweise darauf, dass Plattentektonik nur in einem wasserhaltigen Mantel möglich ist. Dieser Zusammenhang würde erklären, warum es auf dem Mars und der Venus keine Plattentektonik gibt. Die Venus ist fast so groß wie die Erde und hat eine sehr ähnliche chemische Zusammensetzung. Trotzdem scheint die Venus eine dicke, starre Kruste zu besitzen, während die Erde eine dünne, bewegliche Kruste hat. Obwohl Wasser in den Mineralen des Erdmantels nur ein Spurenelement ist, bildet es doch wegen der enormen Masse des Mantels ein Reservoir, dessen Masse mit den Ozeanen auf der Erdoberfläche vergleichbar ist. Über geologische Zeiträume findet wahrscheinlich ein Austausch zwischen diesen beiden Reservoiren statt. Die Menge an Kohlenstoff in der Atmosphäre, den Ozeanen und anderen oberflächennahen Reservoiren ist im Vergleich mit dem Kohlenstoff-Reservoir im Mantel vernachlässigbar klein. Die Entwicklung der Erdatmosphäre lässt sich nicht ohne die Wechselwirkung mit dem Mantel verstehen. Am Ende des Proterozoikums, vor etwa 700 Millionen Jahren, war der größte Teil der Erde von Eis bedeckt. Das Leben stand möglicherweise am Rande der Auslöschung. Vulkane beendeten diese Vereisung, indem sie Kohlendioxid aus dem tiefen Erdinneren in die Atmosphäre transportierten.

Obwohl die Konvektionsbewegungen den ganzen Mantel durchmischen könnten, gibt es überzeugende geochemische Hinweise darauf, dass der Mantel chemisch nicht einheitlich zusammengesetzt ist. Wahrscheinlich existieren tiefe, „primitive“ Reservoire, die nie in der Nähe der Erdoberfläche waren und aus denen nie Schmelze abgetrennt wurde. Darauf deuten unter anderem die isotopische Zusammensetzung von Edelgasen und die Massebilanzen radioaktiver Isotope wie 142Nd und 143Nd in Mantelgesteinen und Basalten hin. Osmium-Isotopendaten des Mantelminerals Peridotit zeigen, dass selbst der obere Mantel, der durch die Plattentektonik umgewälzt wird, über zwei Milliarden Jahre alte Heterogenitäten enthält.

Die Minerale der Übergangszone und des unteren Mantels haben wahrscheinlich eine andere Viskosität und ein anderes Deformationsverhalten als die Gesteine des oberen Mantels. Dieser Viskositätsunterschied könnte den Stoffaustausch im Mantel stark beeinflussen. Bisher existieren jedoch kaum quantitative Daten darüber, wie sich Minerale bei extrem hohen Drücken verformen. Entsprechende Experimente sind nur mit neuen Methoden und Apparaturen möglich. Weiterhin müssen neue theoretische Modelle entwickelt werden, um Viskositätsdaten aus dem Labor auf die Natur zu extrapolieren, wo die Verformung wesentlich langsamer abläuft. Die Dynamik des Erdinnern lässt sich nur dann verstehen, wenn neue experimentelle Daten in geodynamische Modelle eingebettet werden. Solche verbesserten Modelle könnten beispielsweise zeigen, ob der Mantel kontinuierlich oder episodisch-katastrophal in Form von Mantel-Lawinen durchmischt wird.

Die seismische Tomographie liefert dreidimensionale Bilder der physikalischen Eigenschaften des Mantels. So genannte Mantel-Xenolithe – Bruchstücke von Mantelgestein, die durch einen Vulkanausbruch an die Erdoberfläche transportiert wurden - und Magmen aus dem Mantel zeigen, dass es eine Reihe von chemisch verschiedenen Reservoiren gibt. Allerdings ist noch unklar, ob seismische Messungen diese geochemischen Reservoire abbilden können. Enthält beispielsweise der Mantel unterhalb von Inseln wie Hawaii „primitives“ Material, das noch nie in der Nähe der Erdoberfläche war, oder handelt es sich um aufgearbeitete, subduzierte ozeanische Kruste? Sofern es noch primitive Reservoire im Erdmantel gibt, stellt sich die Frage, wo sie liegen und warum sie sich nicht mit dem Rest des Mantels vermischt haben. Eine Antwort lässt sich nur finden, wenn man geochemische Untersuchungen von Proben aus dem Erdmantel mit einer Kalibrierung seismischer Daten durch Laborexperimente vergleicht und alle Daten in einem geodynamischen Modell zusammenführt. Seit kurzem ist bekannt, dass ultratiefe Diamanten Einschlüsse aus dem unteren Erdmantel enthalten. Damit sind erstmals Proben aus dem unteren Mantel verfügbar, die nun mit allen verfügbaren analytischen Methoden untersucht werden. Anhand der Daten ist es möglich, Modelle zur chemischen Entwicklung des gesamten Mantels zu testen.

Mehr als 3,8 Milliarden Jahre alte Gesteine enthalten ungewöhnlich viel 142Nd und ein ungewöhnliches Verhältnis von Hafnium-Isotopen. Das deutet darauf hin, dass der Mantel zu Beginn der Erdgeschichte extrem heterogen war. Ob diese Heterogenitäten vollständig verschwunden sind und ob sich der Mantel im Archaikum grundsätzlich anders verhielt als heute, ist nicht bekannt. Um diese Fragen zu lösen, müssten alte Gesteine und Körner des chemisch besonders widerstandsfähigen Minerals Zirkon sorgfältig untersucht werden, insbesondere ihre kurzlebigen Isotopensysteme. Eine weitere Frage besteht darin, ob die Entwicklung der Atmosphäre mit einer langsamen Oxidation des Erdmantels verknüpft war.

An mittelozeanischen Rücken und vulkanischen Inseln dringt ständig Magma aus dem Erdinneren empor, aus dem Wasser und CO2 entgasen. Diese Verbindungen gelangen in die Erdatmosphäre und in die Ozeane, während in den Subduktionszonen flüchtige Bestandteile wieder in den Mantel zurückgeführt werden. Dieser Kreislauf ist wahrscheinlich dafür verantwortlich, dass der Meeresspiegel und der CO2-Gehalt der Atmosphäre in der Vergangenheit sehr langsam schwankten. Wie viel Wasser und Kohlendioxid an Vulkanen und Subduktionszonen aus der Erde quellen, ist allerdings nur ungenau bekannt. Genauso wenig weiß man, wie viel Wasser und Kohlenstoff der Mantel gegenwärtig enthält. Daher ist es notwendig, den Gasfluss an Vulkanen genauer zu messen. Dafür eignen sich direkte Methoden wie die Infrarot-Emissionsspektroskopie oder auch indirekte Methoden. Anhand von Schmelzeinschlüssen und abgeschreckten Gesteinsgläsern lassen sich Wasser- und CO2-Gehalt des Magmas zum Beispiel ebenfalls bestimmen. Ein Teil des Wassers und des Kohlendioxids, das die abtauchenden Platten mit in den Mantel nehmen, geben sie in der Tiefe wieder ab. Von dort gelangen die beiden Stoffe mit den Eruptionen explosiver Vulkane teilweise wieder an die Oberfläche. Um zuverlässiger abschätzen zu können, wie viel Wasser und CO2 eine subduzierte Platte freisetzt, sind verbesserte Modelle der Temperaturverteilung in Subduktionszonen sowie sorgfältige Geländeuntersuchungen nötig.

Wasser verringert als Spurenbestandteil die Festigkeit von Kristallen um Größenordnungen. Spuren von Wasser können zudem Schmelzbildung auslösen, was die Festigkeit eines Gesteins ebenfalls drastisch herabsetzen kann. Seit kurzem gibt es Hinweise darauf, dass sich der Deformationsmechanismus von Mineralen unter dem Einfluss von Wasser ändert. Auch die Vorzugsorientierung von Kristallen, die sich als seismische Anisotropie bemerkbar macht, hängt davon ab, ob Wasser vorhanden ist. Alle diese Effekte sind experimentell noch sehr wenig untersucht. Um den Wassergehalt im Mantel systematisch auszukartieren, lassen sich folgende Methoden nutzen: Der Wassergehalt der Mantel-Xenolithe müsste systematisch bestimmt werden. Außerdem wäre es sinnvoll, den Einfluss von Wasser auf die elektrische Leitfähigkeit, die seismischen Geschwindigkeiten und die Dämpfung seismischer Wellen zu bestimmen. Ebenso müsste man in Experimenten herausfinden, bei welchen Temperaturen der Erdmantel in Gegenwart geringer Mengen Wasser und CO2 schmilzt. Die Zusammensetzung, Dichte und Viskosität der entstehenden Schmelzen ist ebenfalls von Interesse. Wenn diese Daten in geodynamische Modelle eingearbeitet werden, würde sich zeigen, ob der Wassergehalt im Mantel tatsächlich für die unterschiedliche tektonische Aktivität auf Erde und Venus verantwortlich ist.