29.05.2009
Rätsel um den Aufbau des Erdmantels vor einer Auflösung?
Neues Modell auf der Basis von Helium-Messungen vereint bisher widersprüchliche Theorien.
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Cambridge (USA) – Keine Bohrung kann in den 40 bis 2900 Kilometer tief gelegenen Erdmantel vordringen. Dennoch können sich Geophysiker über die Messungen von seismischen Wellen, des Schwerefeldes und von Elementkonzentrationen im vulkanischen Gestein ein relativ genaues Bild von dieser Schicht der Erde machen. Doch die derzeit angenommene, relativ scharfe Trennung zwischen oberen und unteren Mantel in 660 Kilometer Tiefe kann nicht durch alle Beobachtungen bestätigt werden. In der Zeitschrift "Nature" schlagen nun amerikanische Geowissenschaftler ein Modell vor, das zur Lösung dieser Rätsel beitragen kann.
Für ihre Analyse konzentrierten sich Helge M. Gonnermann von der Rice University in Houston und Sujoy Mukhopadhyay von der Harvard University in Cambridge auf das Konzentrationsverhältnis der beiden Heliumisotope 3He und 4He. 3He hat seinen Ursprung in der Zeit der frühen Planetenbildung, 4He dagegen entsteht durch radioaktive Zerfallsprozesse von Uran und Thorium im Krustengestein fortwährend neu. Messungen der Isotopen-Verhältnisse in austretenden Magmaschmelzen an Mittelozeanischen Rücken und Hot-Spot-Inseln wie beispielsweise Hawaii gelten bislang als ein Beleg, dass unterer und oberer Mantel voneinander isolierte Schichten bilden. Denn das Magma der Inseln weist relativ viel 3He-Isotope auf, hat seinen Ursprung folglich im unteren Mantel. An den Mittelozeanischen Rücken lässt sich eine signifikant höhere 4He-Konzentration messen, was auf einen Ursprung des Magma im krustennahen oberen Mantel nahelegt. Dieser Unterschied wäre bei einer Mischung der beiden Mantelbereiche durch Konvektionsbewegungen nicht zu erklären. Dies führte zur Entwicklung des Zwei-Stufen-Modells für die Konvektion im oberen und unteren Erdmantel voneinander getrennten Kreisläufen. Doch auch für das Ein-Stufen-Modell, in der die Konvektion in einem Kreislauf durch beide Mantelzonen stattfindet, gibt es Argumente. So können die gemessenen Konzentrationen von Neodym-Isotopen in beiden Mantelbereichen gut mit diesem Ein-Stufen-Modell erklärt werden.
Den Widerspruch, der sich aus den beiden konkurierenden Modellen ergibt, scheinen nun die beiden Geophysiker gelöst zu haben. Eine viele Jahrtausende dauernde Umwälzung der Gesteinsschmelzen sei nach ihrem Modell langsam genug, um weiterhin die gemessenen Konzentrationsunterschiede an Heliumisotopen erklären zu können. Zudem schmilzt permanent im oberen Mantel Krustengestein in den Subduktionszonen auf. Diese enthalten zwar nicht mehr das flüchtige Heliumgas, dafür aber Uran und Thorium, die über Zerfall wiederum 4He bilden. Zwar können nach jüngsten Erkenntnissen die Subduktionszonen bis in den unteren Mantel hinein abtauchen und selbst in diese Tiefen Uran und Thorium transportieren. Doch verbleibt der größte Teil der Gesteine bereits im oberen Mantel.
"Die zentrale Erkenntnis, dass der Mantel weder geschichtet noch homogen ist, erscheint eminent wahrscheinlich", schreibt Tim Elliot in einem begleitenden Kommentar über dieses neue Erklärungsmodell. Es sei zudem sehr überraschend, dass diese einfache Idee bisher noch nicht in Erwägung gezogen wurde. Obwohl nun oberer und unterer Erdmantel nicht mehr als streng isolierte Bereiche angesehen werden müssen und Konvektionsbewegungen zwischen ihnen möglich seien, bleibt eine Unterscheidung des unteren und oberen Mantelbereichs sinnvoll. Denn abhängig von den herrschenden Temperaturen und Drücken konzentrieren sich in den beiden Mantelbereichen unterschiedliche Minerale mit verschiedenen Dichten. Seismische Messungen zeigen deutliche Sprünge in der Ausbreitungsgeschwindigkeit. Diese Diskontinuitäten in 410 und 660 Kilometer Tiefe bleiben untrügliche Anzeichen für diskrete Phasenübergänge der silikathaltigen Minerale.
Jan Oliver Löfken
Weitere Infos:
Weiterführende Literatur:
Cambridge (USA) – Keine Bohrung kann in den 40 bis 2900 Kilometer tief gelegenen Erdmantel vordringen. Dennoch können sich Geophysiker über die Messungen von seismischen Wellen, des Schwerefeldes und von Elementkonzentrationen im vulkanischen Gestein ein relativ genaues Bild von dieser Schicht der Erde machen. Doch die derzeit angenommene, relativ scharfe Trennung zwischen oberen und unteren Mantel in 660 Kilometer Tiefe kann nicht durch alle Beobachtungen bestätigt werden. In der Zeitschrift "Nature" schlagen nun amerikanische Geowissenschaftler ein Modell vor, das zur Lösung dieser Rätsel beitragen kann.
Für ihre Analyse konzentrierten sich Helge M. Gonnermann von der Rice University in Houston und Sujoy Mukhopadhyay von der Harvard University in Cambridge auf das Konzentrationsverhältnis der beiden Heliumisotope 3He und 4He. 3He hat seinen Ursprung in der Zeit der frühen Planetenbildung, 4He dagegen entsteht durch radioaktive Zerfallsprozesse von Uran und Thorium im Krustengestein fortwährend neu. Messungen der Isotopen-Verhältnisse in austretenden Magmaschmelzen an Mittelozeanischen Rücken und Hot-Spot-Inseln wie beispielsweise Hawaii gelten bislang als ein Beleg, dass unterer und oberer Mantel voneinander isolierte Schichten bilden. Denn das Magma der Inseln weist relativ viel 3He-Isotope auf, hat seinen Ursprung folglich im unteren Mantel. An den Mittelozeanischen Rücken lässt sich eine signifikant höhere 4He-Konzentration messen, was auf einen Ursprung des Magma im krustennahen oberen Mantel nahelegt. Dieser Unterschied wäre bei einer Mischung der beiden Mantelbereiche durch Konvektionsbewegungen nicht zu erklären. Dies führte zur Entwicklung des Zwei-Stufen-Modells für die Konvektion im oberen und unteren Erdmantel voneinander getrennten Kreisläufen. Doch auch für das Ein-Stufen-Modell, in der die Konvektion in einem Kreislauf durch beide Mantelzonen stattfindet, gibt es Argumente. So können die gemessenen Konzentrationen von Neodym-Isotopen in beiden Mantelbereichen gut mit diesem Ein-Stufen-Modell erklärt werden.
Den Widerspruch, der sich aus den beiden konkurierenden Modellen ergibt, scheinen nun die beiden Geophysiker gelöst zu haben. Eine viele Jahrtausende dauernde Umwälzung der Gesteinsschmelzen sei nach ihrem Modell langsam genug, um weiterhin die gemessenen Konzentrationsunterschiede an Heliumisotopen erklären zu können. Zudem schmilzt permanent im oberen Mantel Krustengestein in den Subduktionszonen auf. Diese enthalten zwar nicht mehr das flüchtige Heliumgas, dafür aber Uran und Thorium, die über Zerfall wiederum 4He bilden. Zwar können nach jüngsten Erkenntnissen die Subduktionszonen bis in den unteren Mantel hinein abtauchen und selbst in diese Tiefen Uran und Thorium transportieren. Doch verbleibt der größte Teil der Gesteine bereits im oberen Mantel.
"Die zentrale Erkenntnis, dass der Mantel weder geschichtet noch homogen ist, erscheint eminent wahrscheinlich", schreibt Tim Elliot in einem begleitenden Kommentar über dieses neue Erklärungsmodell. Es sei zudem sehr überraschend, dass diese einfache Idee bisher noch nicht in Erwägung gezogen wurde. Obwohl nun oberer und unterer Erdmantel nicht mehr als streng isolierte Bereiche angesehen werden müssen und Konvektionsbewegungen zwischen ihnen möglich seien, bleibt eine Unterscheidung des unteren und oberen Mantelbereichs sinnvoll. Denn abhängig von den herrschenden Temperaturen und Drücken konzentrieren sich in den beiden Mantelbereichen unterschiedliche Minerale mit verschiedenen Dichten. Seismische Messungen zeigen deutliche Sprünge in der Ausbreitungsgeschwindigkeit. Diese Diskontinuitäten in 410 und 660 Kilometer Tiefe bleiben untrügliche Anzeichen für diskrete Phasenübergänge der silikathaltigen Minerale.
Jan Oliver Löfken
Weitere Infos:
- Originalveröffentlichung:
Helge M. Gonnermann & Sujoy Mukhopadhyay, Preserving noble gases in a convecting mantle. Nature, 459, 560 (2009)
http://dx.doi.org/10.1038/nature08018
- Kommentar:
Tim Elliott, Restoration of the noble gases. Nature, 459, 520 (2009)
http://dx.doi.org/10.1038/459520a
- Earth Science, Rice University:
http://cohesion.rice.edu/naturalsciences/earthscience/index.cfm
- Department of Earth and Planetary Sciences, Harvard University:
http://www.eps.harvard.edu/
- Noble Gas Laboratory, Sujoy Mukhopadhyay:
http://www.people.fas.harvard.edu/~mukhop/
Weiterführende Literatur:
- Porcelli, D. & Wasserburg, G. J. Geochim. Cosmochim. Acta 59, 4921–4937 (1995)
http://dx.doi.org/10.1016/S0016-7037(98)00163-X
- Allègre, C. J., Hofmann, A. & O’Nions, K. Geophys. Res. Lett. 23, 3555–3557 (1996)
http://www.agu.org/pubs/crossref/1996/96GL03373.shtml
- Hofmann, A. W. et al. Earth Planet. Sci. Lett. 79, 33–45 (1986)
http://dx.doi.org/10.1016/0012-821X(86)90038-5
- Class, C. & Goldstein, S. L. Nature 436, 1107–1112 (2005).
http://dx.doi.org/10.1038/nature03930
KR
