GeowissenschaftHeiße Schmelze

Geowissenschaftler erforschen, woher Magma kommt. von 

Denis Andrault erforscht Vulkane. Und er braucht dafür nicht einmal das Labor zu verlassen. An einer winzigen Gesteinsprobe, die nur so groß ist wie ein Staubkorn, sind er und seine Kollegen von der Universität Blaise Pascal im französischen Clermont-Ferrand einer alten Frage der Magma-Forschung nachgegangen: Wie verhält sich Gestein unter dem irrsinnigen Druck und bei den hohen Temperaturen im Erdmantel? Dabei spielen erstaunlich simple Fragen die Hauptrolle: Wie viel Eisen steckt im geschmolzenen Erdmaterial? Ist flüssiges Gestein schwerer oder leichter als festes? Ihre Ergebnisse präsentieren die Forscher nun im Fachblatt Nature.

Andrault erforscht eine ganz bestimmte Gattung Vulkane, so genannte Hotspots. Diese liegen nicht unbedingt in der Nähe tektonischer Plattengrenzen. Sie entstehen irgendwo, teilweise mitten auf einer Erdplatte. Wie die zähflüssigen, schwebenden Klumpen in einer Lavalampe arbeitet sich heißes Material in die Höhe und lässt einen Vulkan ausbrechen oder ganze Inseln mitten im Ozean hervortreten. Die Entstehung Hawaiis geht ebenso auf das Konto von Hotspot-Vulkanen wie die der Azoren und der Galapagos-Inselkette. Jedoch wird unter Wissenschaftlern heiß debattiert, aus welcher Tiefe das Magma dieser Hotspots stammt.

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Die einen meinen, es habe seinen Ursprung recht nahe an der Oberfläche, in Schichten des oberen Erdmantels. Denn unter dem hohen Druck des inneren Erdmantels sei flüssiges Gestein schwerer als festes und sinke darum bis an den Erdkern ab. Die anderen – und dazu zählt Andrault – sind überzeugt, dass heißes Magma in der Tiefe leichter ist und von dort als sogenannte Plumes nach oben steigt.

Zwar ist bei fast allen Materialien der flüssige Zustand der leichtere. Wasser ist eine große Ausnahme. Eis schwimmt. Doch bei den aberwitzig hohen Drücken, die im Erdinneren herrschen, ist die Frage nach dem Auftrieb flüssigen Gesteins nicht mehr trivial. Immerhin herrschen in knapp 3.000 Kilometer Tiefe – also an der Grenze zwischen Erdmantel und Erdkern – eine Temperatur von vermutlich rund 4.000 Grad Celsius und ein Druck von 135 Gigapascal. Letzterer ist etwa das Millionenfache des Luftdrucks auf der Erdoberfläche und das Tausendfache des Wasserdrucks am Grund des Mariannengrabens. Wegen dieses hohen Drucks schmilzt das Gestein trotz der Hitze kaum. Seine Konsistenz lässt sich höchstens als zähflüssig beschreiben. Doch ist diese zähe Masse nun schwerer oder leichter als die feste Version?

Ein Meteorit als Vorlage

Die Theorie des absinkenden Magmas hatten japanische Forscher um Ryuichi Nomura erst letztes Jahr ebenfalls in Nature beschrieben. Ihren Experimenten zufolge reichert sich Eisen in der Gesteinsschmelze auf etwa das 15-Fache an. Eisen ist ein vergleichsweise schweres Element und das schwerste unter den häufig in der Erde vorkommenden. Das angereicherte Eisen würde den Auftrieb des flüssigen Gesteins kompensieren und tatsächlich dazu führen, dass es schwerer sei als festes, meldete das Nomura-Team.

Es ist nicht gerade einfach, dieser Frage experimentell nachzugehen. Das tiefste Bohrloch der Menschheit reicht zwölf Kilometer in Richtung Erdmittelpunkt; damit ist die Erdkruste gerade angekratzt und der äußere Erdmantel noch lange nicht erreicht. Und im Labor lassen sich die hohen Drücke und Temperaturen schwer erzeugen.

Leserkommentare
  1. wie der Hotspot funktioniert!
    Doch sie treiben`s ja im Dunkeln, wie bei Rüben und Ranunkeln
    jene Vorgänge geschehn, die noch nie ein Mensch gesehn.
    Daher ist man auch bei solch' Vulkanen auf das Raten angewiesen.

    Fragen also über Fragen – trotzdem noch kein Grund zum Klagen.
    Zwar wird man wohl nie erfahren, woher die Magmaströme ragen –
    doch: DAß der Hotspot funktioniert, ist ja schließlich auch was wert.

  2. mit den Diamantstempelzellen sind p & t weniger das Problem als das Probenvolumen...

    Ansonsten muss man sich realiter für die Konvektionsrichtung wohl mit Xenolithen und orientierten Fluideinschlüssen behelfen.

    MfG KM

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