Tiefe Einsichten

Durch den Erdmantel bahnt sich heißes Gestein einen Weg nach oben und frisst sich – wie unter Hawaii – als dünner Schlot bis zur Oberfläche. Jetzt ist es amerikanischen Geowissenschaftlern gelungen, solche Plumes genau zu beobachten und zu kartieren. „Felsenfest”, „grundanständig”, „bodenständig” – die Sprache baut auf den Untergrund. Eine trügerische Sicherheit: Spätestens seit Alfred Wegener vor knapp 100 Jahren herausgefunden hat, dass Kontinente über die Erde wandern wie Eisschollen über das Nordmeer, hat auch die unbelebte Natur Beine bekommen: Sämtliche Teile der Weltkugel sind in Bewegung. Vom Erdkern bis zur Erdkruste gibt es keinen ruhenden Pol. Teile des Meeresbodens sinken tief ins Erdinnere und schmelzen auf, Ozeane öffnen sich, Gebirge türmen sich auf und verschwinden wieder. Und gewaltige Ströme aus heißem Gestein durchqueren träge den Erdmantel. Erdbeben und Vulkanausbrüche sind die sichtbaren Zeichen dieser umfassenden Dynamik. Doch kein Mensch weiß, was sich wirklich tief unter unseren Füßen abspielt. Das Erdinnere, viel zu heiß für Expeditionen, entzieht sich den Blicken. Die tiefste Bohrung reicht gerade zwölf Kilometer hinab – ein sprichwörtlicher Mückenstich. Die diamantbesetzten Meißel haben nicht einmal die dünne Erdkruste gemeistert, geschweige denn den darunter liegenden Erdmantel. Bis zur Kern-Mantel-Grenze sind es 2900 Kilometer, bis zum Erdmittelpunkt sogar 6370 Kilometer. Während der Mensch Roboter auf den Mars schickt und auf Kometen absetzt, kommt er nicht an die naheliegende Region in 20 Kilometer Tiefe heran. Kein Wunder, dass sich viele Geheimnisse um die Vorgänge im Erdinneren ranken. Besonders rätselhafte Gebilde sind die so genannten Plumes oder Manteldiapire – eine Art irdische Kamine, in denen heißes, formbares Gestein, von der Hitze getrieben, tief aus dem Erdmantel nach oben steigt wie der Rauch durch den Schornstein. Möglicherweise gelangt hier sogar überschüssige Wärme aus dem Erdkern zur Oberfläche – durch eine Art irdische Überdruckventile. Schon vor mehr als 30 Jahren hat Jason Morgan von der Princeton University diese röhrenförmigen Gebilde postuliert. Hawaii war sein Kronzeuge. Dass es mit den gewaltigen Vulkanbergen, die mitten im Pazifik aus dem Meeresboden emporwachsen, eine besondere Bewandtnis hat, war schon vorher klar. Geowissenschaftler hatten eine 4500 Kilometer lange Kette erkalteter Tiefseevulkane kartiert, die sich von Hawaii nordwestwärts erstreckt. Das Besondere daran: Je weiter die Tiefseeberge von den aktiven Hawaii-Vulkanen entfernt liegen, desto älter sind sie. Die Kegel am äußersten nördlichen Kettenende haben schon 70 Millionen Jahre auf dem Buckel. Die Erklärung lag auf der Hand: Ein ortsfester heißer Fleck – „ Hot Spot” genannt – treibt hier sein Spiel mit der relativ dünnen ozeanischen Kruste. Wie ein Schweißbrenner frisst er sich durch die Gesteinshaut der pazifischen Platte, während diese sich auf ihrer ewigen Wanderung darüber hinwegschiebt. Auf dem Vulkan Kilauea, wo dünnflüssiges Magma austritt, kann man dem Brenner bei der Arbeit zusehen. Verlieren die Vulkane, während sie mit der Platte weiter wandern, den Kontakt zum Hot Spot, erkalten sie und werden von Wind und Wasser abgetragen – bis nur noch ein Atoll und schließlich ein kleiner Tiefseeberg bleibt. Doch was spielt sich unterhalb eines Hot Spots ab? Und wie kommt es überhaupt zu dieser ungewöhnlichen Hitzeblase unter der Erdkruste? Jason Morgan hat mit der Plume-Theorie Antworten gegeben. Ein Strom heißen Gesteins steigt seiner Ansicht nach tief aus dem Erdmantel auf, stößt gegen die Erdkruste, wobei er sie aufwölbt, pilzt dort auf und strömt seitwärts ab – ähnlich einem Wasserstrahl, der gegen eine Wand platscht. Nach anfänglicher Skepsis haben sich inzwischen die meisten Experten mit den Plumes angefreundet. Geochemiker machten die Schlote salonfähig, indem sie ein stichhaltiges Argument für sie lieferten. Sie zeigten, dass basaltische Lava von Hot-Spot-Vulkanen prinzipiell anders zusammengesetzt ist als solche aus Mittelozeanischen Rücken. Der chemische Fingerabdruck brachte den Durchbruch. Aus den Mittelozeanischen Rücken – jenen Nähten, wo die ozeanische Kruste aufreißt und neu gebildet wird – dringt eine spezielle Lava: Sie ist arm an Elementen, die sich leicht in die Erdkruste einbauen lassen – wie Uran oder Thorium – und reich an Elementen, die schlecht zum Krustengestein passen – wie Kalium oder Phosphor. Die Schmelze scheint ein Gegenstück zum Erdkrustengestein zu sein. Vermutlich kommt sie aus geringer Tiefe, wo durch intensive Reaktionen eine Entmischung stattfindet. Basalte aus Hot-Spot-Vulkanen wie dem Kilauea haben diese typische Signatur nicht – was dafür spricht, dass ihr Magma aus größerer Tiefe aufgestiegen ist. Mehr als zwei Dutzend Plumes soll es auf der Erde geben – etwa unter der Eifel, Island und dem Ätna. Einst sollen gewaltige Superplumes sogar ganze Kontinente zerbrochen haben. Der Strahl gegen die Erdkruste soll zu diesen Zeiten so heftig gewesen sein, dass er die Platten zerrissen hat. Aus anderen Superplumes drangen Unmengen dünnflüssiger Lava, die halbe Kontinente bedeckte. Dabei entstanden „Flutbasalt-Regionen”, etwa das Dekkan-Plateau in Indien oder das Columbia-Plateau in den Vereinigten Staaten. Obwohl Plumes in den Köpfen von Wissenschaftler und Laien einen festen Platz gefunden haben, fehlten bisher klare Beweise für ihre Existenz. Die Theorie stützte sich allein auf Indizien wie den chemischen Fingerabdruck des Gesteins oder Anomalien des irdischen Schwerefelds. Das sorgte für heiße wissenschaftliche Gefechte. Heftig umstritten ist vor allem, aus welcher Tiefe die Plumes kommen: aus der Kern-Mantel-Grenze in 2900 Kilometer Tiefe, wo der flüssige äußere Erdkern den darüber liegenden Erdmantel in einer dünnen Schicht rumoren lässt – oder nur aus einer Grenzschicht in 670 Kilometer Tiefe, wo sich Mineralien wegen des steigenden Drucks und der hohen Temperatur in eine dichtere Form umwandeln. Spielt sich die Konvektion in zwei getrennten Etagen ab, im oberen und unteren Erdmantel, oder nur in einer? Einzelne Experten wie der renommierte Geophysiker Don Anderson vom California Institute of Technology halten Plumes sogar für Hirngespinste. Die Theorie berge zu viele Ungereimtheiten, so dass wahrscheinlich ein ganz anderer Mechanismus für den Gesteinstransport im Erdinneren verantwortlich sei. Einer Gruppe von Wissenschaftlern um Raffaella Montelli und Guust Nolet von der Princeton University ist es nun erstmals gelungen, die Existenz der rätselhaften Schlote direkt nachzuweisen. Die Forscher benutzten das Verfahren der seismischen Tomographie, wie man es in ähnlicher Form in der Medizin einsetzt, um das Innere des menschlichen Körpers dreidimensional darzustellen. Statt Röntgenstrahlen liefern Erdbebenwellen die nötigen Informationen, die mit aufwendiger Software zum räumlichen Bild verrechnet werden. Man braucht dafür möglichst viele Erdbebenwellen, denn nur deren Kreuzungspunkte liefern die Informationen. Die Seismologen machen sich dabei zunutze, dass Erdbebenwellen schneller sind, wenn sie durch eine heiße Region des Erdinneren laufen. Die Geschwindigkeit hängt mithin von der Temperatur des durchlaufenen Gesteins ab. Die seismische Tomographie wurde zwar schon vor rund zwei Jahrzehnten erfunden – woran ausgerechnet der Plume-Kritiker Anderson maßgeblich beteiligt war. Aber die Auflösung der gewonnenen Bilder reichte bisher allenfalls aus, um gewaltige Krustenplatten zu verfolgen, die ins Erdinnere abtauchen, nicht aber die schlanken Schlote, die höchstens ein paar Hundert Kilometer dick sind. Die Princeton-Experten haben das tomographische Verfahren nun erheblich verbessert. Sie nennen ihren Weg augenzwinkernd Banana-Doughnut-Methode. Denn sie gehen davon aus, dass ein Erdbebensignal sich nicht als eindimensionaler Strahl ausbreitet, wie man bisher vereinfachend angenommen hat, sondern eine gewisse „Dicke” hat – und wie eine Banane geformt ist. Es sammelt seine Informationen in einem weiten Bereich des Erdinneren rund um die Strahlachse. Mehr noch: Wenn man die Banane durchschneidet, gleicht die Schnittfläche einem Doughnut – mit dem charakteristischen Loch in der Mitte. Das bedeutet: Der bisher betrachtete Laufweg des Erdbebensignals (das Loch) liefert überhaupt keine Informationen, sondern die Umgebung bestimmt die Laufgeschwindigkeit. Mehr als neun Millionen Erdbebenmessungen rund um die Erde haben die Wissenschaftler bei ihren Berechnungen verarbeitet, bevor sie zu ihrem bahnbrechenden Ergebnis kamen. Ihr Ansatz findet allgemein Anerkennung. „Ich habe noch von niemandem gehört, der ein dickes Haar in der Suppe gefunden hat”, sagt Ulrich Christensen, Professor am Institut für Geophysik der Universität Göttingen, der sich seit vielen Jahren mit der Modellierung des Erdinneren befasst. „Ich würde sagen, das ist der Beweis”, meint Plume-Experte Albrecht Hofmann, Professor für Geochemie am Mainzer Max-Planck-Institut für Chemie. Die gewonnenen Bilder des Untergrunds zeigen tatsächlich fast alle Plumes, die man bisher nur vermutet hat. Auch einige neue kamen hinzu, etwa südlich der indonesischen Insel Java. Nur unter Yellowstone, wo Experten einen mächtigen Kandidaten erwartet hatten, scheint kein Feuer zu brennen. Die Berechnungen bestätigen die verbreitete These, dass – zumindest einige – Plumes von der Kern-Mantel-Grenze aufsteigen, also den gesamten Erdmantel durchziehen. Montellis Team konnte neun der heißen Schlote bis in eine Tiefe von 2800 Kilometern nachweisen, darunter die von Tahiti, den Azoren und Samoa. Eine fast ebenso große Gruppe scheint von der Grenzschicht in 670 Kilometer Tiefe aufzusteigen, darunter der Eifel-Plume. Das könnte bedeuten, dass es zwei verschiedene Arten von Plumes gibt. Allerdings scheint eine ganze Reihe der heißen Schlote aus Tiefen zwischen 670 und 2800 Kilometern zu kommen. Das widerspricht den gängigen Vorstellungen, denn im unteren Mantel fehlen Grenzschichten, die als Quellregion in Frage kämen. Es kann freilich sein, dass es sich um „Schwänze” erkaltender Plumes handelt, die ihr Leben langsam aushauchen, weil der heiße Nachschub ausbleibt. Doch „die Statistik spricht dagegen”, meint Raffaella Montelli. Denn dann müsste man ebenso viele „Köpfe”, also Plumes im Geburtsstadium, sehen. Sie vermutet, dass die Auflösung ihrer tomographischen Kamera noch immer nicht ausreicht, um alle Details abzubilden. Die Wurzeln vieler Schlote blieben dann weiter verborgen. Die Unzulänglichkeiten des Verfahrens zeigen sich deutlich ausgerechnet beim Urvater aller Plumes, dem Hawaii-Plume. Die Princeton-Experten können den besonders kräftigen Aufstrom nur bis in eine Tiefe von 2350 Kilometer verfolgen, dann verschwimmt das Bild. Hier ist es eindeutig die unzureichende Datenmenge, die ihnen die Rechnung verhagelt. Wegen der Insellage Hawaiis mitten im Pazifik fehlen im weiten Umkreis Erdbebenstationen. Doch ohne eine große Anzahl von Messwerten kann man nicht tief ins Erdinnere schauen. Einfacher ist es, die obere Schicht bis in rund 500 Kilometer Tiefe zu durchleuchten. Denn dafür lassen sich neben den „ Raumwellen”, die durch die ganze Erde laufen, auch „ Oberflächenwellen” nutzen, wie sie jeder Erdstoß abstrahlt. Experten vom Potsdamer Geoforschungszentrum haben sich das zunutze gemacht und den oberen Teil des Hawaii-Plumes mit bisher nicht erreichter Genauigkeit kartiert – mit „überraschendem Ergebnis”, wie Prof. Rainer Kind sagt. Der heiße Strom aus der Tiefe hat von unten eine tiefe Delle in die Erdkruste genagt, so dass die pazifische Platte hier ungewöhnlich dünn ist. Die Lithosphäre – also die harte, spröde Gesteinsschicht – misst nur rund 60 Kilometer statt der üblichen 100 Kilometer. So dünn ist die irdische Haut sonst nur am Ort ihrer Entstehung längs der mittelozeanischen Rücken. Allerdings liegt die größte Schwachstelle nicht direkt unter den aktiven Vulkanen, sondern einige Hundert Kilometer nordwestlich versetzt. Die Potsdamer vermuten, dass die Wanderung der pazifischen Platte dafür verantwortlich ist. Die darüber ziehende Gesteinshaut lenkt den heißen Aufstrom wohl einseitig ab. Außerdem konnten Potsdamer Seismologen nachweisen, dass der Hawaii-Plume besonders heiß ist. Seine Temperatur liegt, zumindest im oberen Erdmantel, rund 300 Grad über der der Umgebung. Obwohl Wissenschaftler immer mehr Ergebnisse zusammentragen, sind längst nicht alle Rätsel um die Plumes gelöst. So liegt die Entstehung der heißen Schlote immer noch weitgehend im Dunkeln. Als der Geochemiker Alan Brandon von der University of Maryland die Hawaii-Basalte genau untersuchte, fand er in der Isotopen-Zusammensetzung des Metalls Osmium Anzeichen dafür, dass ein geringer Teil des Gesteins aus dem Erdkern stammen könnte. Kommen Plumes also sogar aus solchen Tiefen? Das kann nicht sein: Der äußere Erdkern und der Erdmantel unterscheiden sich so stark, dass kein Durchkommen ist. Zwischen dem flüssigen Metall und dem festen Gestein sind allenfalls chemische Wechselwirkungen denkbar. Inzwischen ist es um diese Isotopen-Untersuchung still geworden – zumal Brandon Probleme mit der Messgenauigkeit hatte. Wenn es um Plumes geht, stoßen auch die Geochemiker an die Grenzen ihrer Möglichkeiten. ■ KLAUS JACOB, freier Wissenschaftsjournalist in Stuttgart, berichtet in bdw regelmäßig über neue Erkenntnisse der Geoforschung. Klaus Jacob Ohne Titel • Plumes sind Schlote heißen Gesteins – und Gegenstand heißer Diskussionen: Kommen sie aus dem Erdmantel – oder gar vom Erdkern? • Mit verbesserten seismischen Verfahren konnten jetzt fast alle Plumes weltweit bis zu ihrer tiefen Wurzel sichtbar gemacht werden. • Offenbar gibt es mehrere Arten von Plumes. Manche kommen aus 2900, andere nur aus 670 Kilometer Tiefe. COMMUNITY Lesen Raffaella Montelli u. a. Finite-Frequency Tomography Reveals a Variety of Plumes in the Mantle Science, Band 303 (2004), Seiten 338–343 Geodynamik und Plattentektonik Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 1995 (vergriffen) Frank Press, Gaymond Siever Allgemeine Geologie Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2003, € 70,– Internet Eifel-Plume: www.uni-geophys.gwdg.de/~eifel/ Island-Plume: www.geopyhsik.uni-frankfurt.de/geodyn/island/project.html