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Schmiermitteltransport in die Tiefe

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 29.05.2012 16:45

Venus und Erde sind heute terrestrische Planeten, wie sie unterschiedlicher kaum sein könnten, doch ihr Beginn war vergleichbar. Daher versuchen Geowissenschaftler die Schlüssel zur - aus Sicht des Lebens - so erfolgreichen Entwicklung der Erde zu finden. Ihr Problem: Sie müssen dabei in die Frühzeit des Planeten zurückblicken - eine Periode, aus der nur wenig mehr als ein paar Kristalle erhalten sind. Mit Modellrechnungen versucht man die kritische Zeit trotzdem in den Griff zu bekommen. Auf der Jahrestagung der Europäischen Union der Geowissenschaften in Wien wurde eine unter dem publikumswirksamen Titel "Wasserkatastrophe" vorgestellt.

Die mittelozeanischen Rücken (hellblau in den Meeren abgebildet) bilden ein weltumspannendes System von Bergketten, an denen die Plattentektonik fassbar wird.Plattentektonik ist ein charakteristisches Merkmal der Erde. Durch die endlos langen Spreizungszonen in den Ozeanen transportiert der Planet Material und damit Hitze aus seinem Inneren an die Oberfläche, wo sie ins Weltall abgegeben werden. Der Nebeneffekt dieses "Energietransfers" ist eine sehr variable Planetenoberfläche mit Krustenplatten, die über sie hinweg bewegt werden. "Das Schmiermittel dafür ist Wasser", sagt Martin van Kranendonk, Geologie-Professor an der australischen Universität von New South Wales in Sydney. "Man braucht nicht viel Wasser, nur 100 oder 200 Teile pro Million, eingeschlossen in den Mineralen, um sie ein bisschen weicher und gleitfähiger zu machen", erklärt Linda Elkins-Tanton, Chefin der Geophysik-Abteilung in der Carnegie-Stiftung in Washington.

Angetrieben wird die Plattentektonik von der inneren Hitze des Planeten, die er loswerden muss. Diese Hitze stammt von dem 5000 bis 6000 Grad Celsius heißen Erdkern und dem radioaktiven Zerfall im Erdmantel, und sie wird über Strömungen abgeführt: Im Erdmantel bilden sich Konvektionszellen, in denen warmes Material aufsteigt und kaltes absinkt. Warmes Material tief aus dem Planeten gerät nahe an die Oberfläche, wo es dann an der Unterseite der kühlen Erdkruste entlangwandert, sie dabei ein Stück weit mitzieht und dadurch abkühlt. Irgendwann stößt das Material auf eine benachbarte Konvektionszelle, wo es, deutlich kühler, in den Mantel hinein abtaucht, um sich im Erdinneren wieder aufzuheizen und später am anderen Ende seiner Zelle erneut aufzusteigen. Wo Konvektionszellen „aufwallen“, erheben sich die Mittelozeanischen Rücken, an denen neuer Meeresboden entsteht. Wo sie sich wieder nach unten richten, ziehen sie den inzwischen mit mächtigen Sedimentpaketen beladenen Meeresboden an Tiefseegräben, die die äußeren Merkmale der sogenannten Subduktionszonen sind, mit hinein in den Erdmantel.

Experten für die frühe Erde, wie Kranendonk und Elkins-Tanton, interessieren sich vor Der Aufbau der Erde (Grafik: Nasa/MPIK).allem für die Frage, wie all das, was heutzutage sechs Kontinente herumschiebt und fünf Ozeane aufreißt oder schließt, entstanden ist. Es ist eine Frage, die besonders schwer zu lösen und deshalb ausgesprochen attraktiv ist. "Wie bekommen wir am Beginn der Plattentektonik Wasser in den Erdmantel", fragt nicht nur Linda Elkins-Tanton. Die frühe Erde war ungeheuer heiß, entstanden in den ersten paar Millionen Jahren des Sonnensystems durch zahllose Kollisionen kleiner und immer größerer Himmelskörper. Einer dieser Zusammenstöße geschieht relativ spät, als beide Kollisionsgegner schon ziemlich groß sind. Er ist so gewaltig, dass ein Teil der Planetenmasse abgesprengt wird und sich zusammen mit dem Gros des Materials seines Gegners schließlich zum Mond zusammenfindet. Der Restplanet wird in seinen Grundfesten erschüttert: Die Erde soll dabei mehr oder weniger aufgeschmolzen sein, ein Magmaozean soll sich gebildet haben. Aber konnte sich bei einem so heißen Geschehen Wasser halten, um nur wenige Millionen Jahre später den Start der Mantelkonvektion und damit der Plattentektonik zu ermöglicht? Später, als sich die Erde abgekühlt und wieder beruhigt hat, sind die Temperaturen wesentlich günstiger für Wasser, allerdings hat sich da dann auch schon eine feste Kruste gebildet, die verhindert, dass Wasser tief in den Erdmantel gelangen könnte. "Das ist so ein Henne-und-Ei-Problem", verkündet Linda Elkins-Tanton.

Die verhängnisvolle Eruption des Eyjafjöll aufgenommen am 17. April (Bild: Wikimedia/Arni Fridriksson).Anders als mit Modellrechnungen ist dieser kritische Zeitraum nicht zu überbrücken, denn "das älteste Material der Erde, das wir bislang haben", so Elkins-Tanton, "sind winzige Zirkonkristalle mit einem Alter von etwa 4,4 Milliarden Jahren." Deren Sauerstoff-Isotopenzusammensetzung zeigt allerdings, dass an ihrer Entstehung im Erdmantel Wasser beteiligt gewesen sein muss. Damals muss der Erdmantel also bereits das Wasser erhalten haben, das er für den Kickstart der Plattentektonik brauchte. Die entscheidenden Prozesse müssen dabei sehr schnell abgelaufen sein. "Wir sollten innerhalb zehn Millionen Jahren nach dem mondformenden Zusammenstoß eine abgekühlte Oberfläche mit Ozeanen aus flüssigem Wasser haben", erklärt die Geowissenschaftlerin.

Ausgedehnte Laborexperimente mit magmatischen Schmelzen haben gezeigt, dass Magma auf ganz charakteristische Weise abkühlt, und das liefert den Schlüssel zu Elkins-Tantons Erklärungsmodell: "Beim Auskristallisieren des Magmas sammeln sich Eisen und Wasser in der Restschmelze an, sodass sich am Ende das dichteste und nasseste Material an der Oberfläche des Planeten befindet." Wohlgemerkt, "nass" bedeutet 100 oder 200 Teile Wasser pro Million und ist immer noch trockener als Saharasand. Mit der Schwerkraft sinkt dieses schwere Material durch die sich verfestigende Erde in Richtung Kern. Für das Wasser, das in die Minerale eingebaut ist, wirkt das wie ein Fahrstuhl: Es wird in Tiefen transportiert, in die es allein nicht gelangen könnte. An einem bestimmten Punkt in der Erde fordert der Druck dann seinen Preis. "Wenn die Minerale in rund 600 Kilometern Tiefe angekommen sind, geben sie das eingebaute Wasser ab", erklärt Elkins-Tanton. 

Speziell der Übergang von Magma zu Lava liegt im Fokus experimenteller Vulkanologie. So gelangt das für die Plattentektonik so wichtige Wasser in den oberen Erdmantel - und das könnte der entscheidende Moment in der Geschichte der Erde gewesen sein. Die Geowissenschaftlerin hat für diesen Vorgang den Begriff "Wasserkatastrophe" geprägt, weil es sich um gewaltige Mengen handelt. "Wir vergessen hier an der Erdoberfläche immer, welches gewaltige Volumen sich unter unseren Füßen befindet. Wenn man selbst bei 100 ppm alles Wasser aus dem Erdinneren nähme, erhielte man einen Ozean, der die gesamte Oberfläche bedeckt."

Die mit Mineralien beladenen Wässer machten sich umgehend auf den Weg zurück an die Oberfläche. Auf diesem Weg reagierten sie mit dem umgebenden Gestein, senkten seinen Schmelzpunkt, so dass wieder flüssiges Magma entstand. Außerdem machte das Wasser die Gesteine im Erdmantel plastischer: Eine frühe Form der Plattentektonik lief an. "Das Auskristallisieren des Magmaozeans wird weniger als eine Million Jahre gedauert haben und der Prozess, der den Planeten sozusagen auf den Kopf gestellt hat, dauerte zwischen einer und drei Millionen Jahren."

Es ist vor allem die Geschwindigkeit in Elkins-Tantons Modell, die Fachkollegen verblüfft. "Sie zeigt, dass für das Auskristallisieren des Magmaozeans nur eine Million Jahre reichen, das war mir bisher nicht klar", meint etwa Martin van Kranendonk, "wir haben angenommen, dass das Ausgasen des Mantels ein schneller Prozess sein könnte, aber dass es so schnell gehen könnte, war uns nicht bewusst." Die Absenkung der Minerale als Vorbereitung der Plattentektonik sieht der Frühe-Erde-Spezialist aus Australien dagegen skeptisch: "Das könnte auch in Form eines Hinabtröpfelns geschehen. Ich bin mir wirklich nicht sicher, ob das einen konvektiven Prozess wie Plattentektonik in Gang setzt, das sollte noch besser modelliert werden."