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Geowissenschaftler berichten, dass ein langsamer, verborgener Prozess tief unter unseren Füßen kontinentale Wurzeln abträgt und dieses Material in den ozeanischen Mantel transportiert — und dass diese Bewegung vulkanische Aktivität weit entfernt von Plattengrenzen antreibt. Neue geodynamische Simulationen und chemische Analysen deuten auf rollende "Mantelwellen" als Verursacher hin und bieten eine vereinheitlichte Erklärung für rätselhafte vulkanische Chemien und langanhaltende ozeanische Eruptionen.
Peeling continents from below: the mantle wave idea
Wenn Kontinente auseinanderbrechen und neue Ozeanbecken entstehen, bleibt die Aktivität nicht auf die Oberfläche beschränkt. Einer von der University of Southampton geleiteten Studie zufolge löst der Bruch subtile Instabilitäten im oberen Mantel aus, die sich entlang der Unterseiten kontinentaler Platten fortpflanzen. Diese langsam wandernden Mantelwellen, die in etwa 150 bis 200 Kilometern Tiefe auftreten, wirken wie ein geologisches Raspelwerk: Sie schaben an den tiefen Wurzeln der Kontinente, lösen Fragmente und transportieren sie seitlich in den ozeanischen Mantel.
Die abgelösten Schollen kontinentalen Materials verändern die chemische Zusammensetzung des umgebenden Mantels. Über Millionen von Jahren liefern sie die Quellen für magmatische Schmelzen, die später am Meeresboden ausbrechen oder Inselketten weit entfernt von heutigen Kontinentalrändern aufbauen. Dieser Prozess erklärt, wie subkontinentale Signaturen in ozeanischen Laven auftauchen können, ohne dass eine offensichtliche Subduktionszone oder ein tiefer Mantelplume in der Nähe ist.
Technisch betrachtet sind diese Mantelwellen thermomechanische Instabilitäten: lokale Unterschiede in Temperatur, Dichte und rheologischer Stärke erzeugen horizontale Scherkräfte, die Material seitlich verschieben. Solche Prozesse lassen sich im Rahmen der Manteldynamik und Plattentektonik durch numerische Modelle und bewusst ausgewählte Randbedingungen reproduzieren. Schlüsselbegriffe hierfür sind Manteltransport, Lithosphärenkerben und laterale Advektion von kontinentalem Keilmaterial.
Why this solves a long-standing mystery
Geochemiker und Petrologen haben seit Jahrzehnten ein auffälliges Muster beobachtet: Taschen des ozeanischen Mantels erscheinen "kontaminiert" mit Signaturen alten kontinentalen Materials, obwohl sie weit von Subduktionszonen oder klaren Mantelplumes entfernt liegen. Frühere Erklärungsansätze reichten von subduzierten, wiederaufgeschmolzenen Sedimenten bis zu aufsteigendem, angereichertem Material aus tiefen Mantelplumes. Keiner dieser Mechanismen passt jedoch vollständig zu allen Beobachtungen — vor allem nicht dort, wo angereicherte Regionen ein Mosaik unterschiedlicher Gesteinsalter aufweisen oder wo Plume-Aktivität fehlt.
Das Mantelwellen-Modell schließt diese Lücke. Kombinierte Simulationen und chemische Untersuchungen zeigen, dass beim Auseinanderbrechen von Kontinenten entstehende Instabilitäten kontinentales Wurzelmaterial lateral mehr als 1.000 Kilometer verschieben können. Dieses Material vermischt sich mit dem ozeanischen Mantel und treibt Vulkanismus über Zeiträume von zehn bis mehreren zehn Millionen Jahren an — lange nachdem die Kontinente selbst auseinandergetrieben wurden.
Durch genaue Betrachtung von Isotopensystemen (z. B. Sr-Nd-Pb-Hf) und Spurenelementmustern in basaltischen Laven lassen sich die komplexen Mischungsprozesse erkennen. Solche Fingerabdrücke geben Aufschluss über Quelle, Alter und Fraktionierungsprozesse des Materials. Die neuen Ergebnisse zeigen konsistente räumlich-zeitliche Korrelationen zwischen modellierten Transportdistanzen und tatsächlichen geochemischen Signaturen der Laven, was die Plausibilität der Mantelwellen-These deutlich erhöht.
Thomas Gernon, Hauptautor und Erdwissenschaftler an der University of Southampton, bemerkt dazu: "Wir wissen seit Jahrzehnten, dass Teile des Mantels unter den Ozeanen seltsam verunreinigt aussehen, als hätten Fragmente alter Kontinente dort irgendwie ihren Weg hin gefunden." Die aktuelle Arbeit erklärt nun, wie, wann und wie weit diese Kontamination reisen kann und verknüpft mechanische Prozesse mit geochemischen Befunden.
Real-world evidence: Indian Ocean island chains and Gondwana remnants
Feldbelege stützen das Modell. Eine Kette submariner Vulkane und Seamounts im Indischen Ozean, einschließlich Christmas Island, lag einst vor der Nordostküste Australiens, als Gondwana vor mehr als 150 Millionen Jahren zu zerbrechen begann. Diese Region zeigt keine eindeutigen Plume-Signale, doch angereicherter Vulkanismus setzt innerhalb von rund 50 Millionen Jahren nach dem Kontinentalbruch ein und nimmt dann allmählich ab — ein Muster, das den Modellvorhersagen für Mantelwellen-Transport und seinem Verfall entspricht.
Detaillierte geochemische Fingerabdrücke in den vulkanischen Gesteinen dieser Inseln offenbaren gemischte Alters- und Zusammensetzungsmuster, die besser zu Einschlüssen und Erosion fragments kontinenten Ursprungs passen als zu einer einmaligen Einspeisung aus dem tiefen Mantel. Dazu gehören heterogene Radiogene Isotopensignale und variierende Spurenelementverhältnisse, die auf einen komplexen Mischprozess mehrerer alter Komponenten hindeuten.
Weitere Beispiele weltweit, etwa einzelne Anomalien im zentralen Pazifik oder in Teilen des Südatlantiks, weisen ähnliche Diskrepanzen zwischen geochemischen Signalen und herkömmlichen geodynamischen Erklärungen auf. Durch eine systematische Kartierung solcher anomal angereicherten Mantelpatches lassen sich potentielle Korridore der Mantelwellen-Transportwege rekonstruieren.
Diagramm, das zeigt, wie sich angereicherter Mantel (EM) über Milliarden von Jahren akkumuliert. Die Rautensymbole markieren Bereiche, in denen wahrscheinlich Diamanten akkumulieren.
Broader implications: diamonds, uplift, and Earth's dynamic memory
Die Folgen des Abtragens kontinentaler Wurzeln reichen über reinen Vulkanismus hinaus. Das Forschungsteam schlägt vor, dass dieselben Mantelwellen diamantreiche Magmen nach oben transportieren können, was möglicherweise erklärt, warum Diamanten in unerwarteten vulkanischen Ablagerungen auftauchen. Kontinentale Fragmente können lithophile und schwerere Elemente, einschließlich diamant-tragender Karbonate oder kimberlitähnlicher Schmelzen, in Tiefen konzentrieren und diese Signatur später freisetzen.
Zudem deuten die Modelle darauf hin, dass großskalige Mantelumstrukturierungen, die mit diesen Wellen verbunden sind, langsame Hebungen kontinentaler Innenbereiche um mehr als einen Kilometer erzwingen können. Solch ein langsamer, aber beträchtlicher vertikaler Transport formt manche der markantesten topographischen Höhenzüge der Erde über geologische Zeiträume. Diese Hebungsprozesse wirken in Kombination mit epeirogenen Belastungen, Thermo-Isostasie und Errosion und hinterlassen langfristige tektonische und geochemische Spuren.
Sascha Brune, Geodynamiker an der University of Potsdam und Koautor, betont die Beständigkeit des Systems: "Wir haben festgestellt, dass der Mantel die Folgen eines kontinentalen Zerfalls noch lange spürt, nachdem sich die Kontinente selbst getrennt haben. Das System schaltet nicht einfach ab, wenn ein neues Ozeanbecken entsteht." Anders ausgedrückt: die Plattentektonik hinterlässt ein langanhaltendes chemisches und mechanisches Gedächtnis im Mantel, das sich in späteren geologischen Phänomenen ablesen lässt.
Der Transportprozess ist für menschliche Zeitmaßstäbe extrem langsam — buchstäblich um den Faktor einer Million langsamer als eine Schnecke —, doch über Zeiträume von zig bis hunderten Millionen Jahren ordnet er Material in planetaryem Maßstab neu und formt langfristig Ressourcenverteilungen, Vulkanismus und Oberflächenrelief.
Die kristallinen 'Wurzeln' der Kontinente, also das Material, das die Forscher vorschlagen, entfernt und seitlich in den ozeanischen Mantel hineintransportiert zu werden.
Methods: combining simulations and geochemistry
Die Forschenden nutzten hochaufgelöste geodynamische Simulationen, um zu modellieren, wie thermische und mechanische Instabilitäten sich unter auseinanderbrechenden Kontinenten ausbreiten. Diese Modelle berücksichtigen Variable wie Temperaturgradienten, Viskositätskontraste, Randbedingungen der lithosphärischen Dehnung sowie realistische Materialgesetze für Mantel- und Krustenbestandteile.
Anschließend verglichen sie die Modellvorhersagen mit umfassenden chemischen Analysen von Vulkangesteinen aus weit entfernten ozeanischen Regionen. Die Übereinstimmung zwischen den simulierten Transportdistanzen und -zeiten und den veränderten geochemischen Signaturen in den ausgebrochenen Laven stärkte die Beweislage für Mantelwellen-Transport als einen wichtigen Mechanismus. Wichtige Indikatoren waren dabei radiogene Isotope, seltene Erden und Spurenelementmuster, die Aufschluss über Quellenalter und Migrationswege geben.
Durch die Integration von numerischer Modellierung mit Feldarbeit, petrographischen Befunden und quantitativen geochemischen Messungen zeigt die Studie die Stärke interdisziplinärer Ansätze in der Tektonik- und Mantelforschung. Solche kombinierten Methoden erhöhen die Aussagekraft gegenüber Modellen, die nur auf einem Datentyp beruhen, und erlauben robustere Hypothesen über komplexe geologische Prozesse.
Expert Insight
Dr. Elena Morales, Geophysikerin am Institute for Earth Physics, die nicht an der Studie beteiligt war, bezeichnet die Ergebnisse als elegant und folgenschwer: "Dieses Modell erklärt auf elegante Weise unterschiedliche geologische und geochemische Beobachtungen. Es verändert unsere Sicht auf das langfristige Gedächtnis des Mantels und zeigt, dass Brüche Fingerabdrücke hinterlassen, die wir Millionen Jahre später noch lesen können. Für Explorationsgeologen und tektonische Modellierer ist diese Perspektive äußerst wertvoll."
Blickt man nach vorn, eröffnet die Mantelwellen-Hypothese neue Forschungsfelder: systematische Kartierung angereicherter Mantelbereiche in Ozeanbecken, präzisere Altersbestimmung ihres Eintreffens und Bewertung, wie diese Prozesse frühere Vulkanismus-Episoden, kontinentale Hebungen und die Bildung geologischer Ressourcen beeinflusst haben. Insbesondere für die Exploration von Rohstoffen (z. B. diamantführende Gesteine, bestimmte Metalle) kann das Verständnis späteraler Manteltransporte neue Hinweise liefern.
Zusammengefasst liefert die Kombination aus Modellierung, Geochemie und Feldbeobachtung nicht nur eine konkrete Erklärung für langjährige Anomalien im ozeanischen Mantel, sondern erweitert auch das Verständnis der Wechselwirkung zwischen Kruste und Mantel. Mantelwellen verbinden tektonische Zerfallsprozesse mit langfristigen geochemischen Signaturen und zeigen so, wie dynamisch die unterirdische Geschichte unseres Planeten tatsächlich ist.
Zusätzliche Forschung sollte sich auf präzisere Isotopenstudien, seismische Tomographie zur Sichtbarmachung lateraler Mantelheterogenitäten und auf das Testen der Mantelwellen-Mechanik unter unterschiedlichen Randbedingungen konzentrieren. Nur durch ein erweitertes Datenset und vielfältige Modellansätze lässt sich die Robustheit dieses Mechanismus weiter bewerten.
Quelle: sciencealert
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