Die meisten Menschen wissen, dass die Ozeane etwa 70 Prozent der Erdoberfläche bedecken. Weniger Menschen wissen, dass sich die Kruste unter den Ozeanen und Kontinenten grundlegend unterscheidet. Warum das so ist, bleibt ein Rätsel, das Wissenschaftler immer noch zu lösen versuchen.
Die ozeanische Kruste besteht in der Regel aus dunkel gefärbten Gesteinen namens Basalt und Gabbro. Sie ist dünner und dichter als kontinentale Kruste, die aus hellen Gesteinen namens Andesit und Granit besteht. Die geringe Dichte der kontinentalen Kruste bewirkt, dass sie hoch über dem zähflüssigen Erdmantel „schwebt“ und trockenes Land bildet. Umgekehrt „schwimmt“ die dichte ozeanische Kruste nicht so hoch und bildet tiefer liegende Ozeanbecken. Wenn ozeanische Kruste abkühlt, wird sie dichter und sinkt schließlich nach etwa 200 Millionen Jahren unter ihrem eigenen Gewicht in den Erdmantel zurück.
Die kontinentale Kruste der Erde hingegen ist bis zu 4 Milliarden Jahre alt, und man nimmt an, dass sie das Produkt geologischer Recyclingprozesse ist, die weitaus komplizierter sind als die, die ozeanische Kruste bilden. Wenn wir die relativ einfache Entstehungsgeschichte der ozeanischen Kruste entschlüsseln und lesen können, werden wir vielleicht eines Tages in der Lage sein, die komplexeren Aufzeichnungen über die Entwicklung der Kontinente zu entziffern.
Die Struktur des Meeresbodens ausloten
Da die meiste ozeanische Kruste unter vielen Kilometern Wasser verborgen ist, muss unsere Forschung „aus der Ferne“ durchgeführt werden, oft mit akustischen Techniken. Der Schall – der von einem Erdbeben, einer Explosion oder einer relativ harmlosen Quelle, einem Airgun, stammt – bewegt sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit durch das Gestein. Geophysiker schließen auf die grundlegende geologische Struktur des darunter liegenden Gesteins, indem sie die Zeit messen, die der Schall braucht, um von einer Quelle zu vielen verschiedenen Empfängern oder von vielen Quellen zu einem einzigen Empfänger zu gelangen.
In den Ozeanen hat diese Technik ein einfaches Bild einer basaltischen, geschichteten Kruste von etwa 7 Kilometern Dicke ergeben, die vom Erdmantel unterlagert ist. Gesteinsproben, die durch Bagger-, Tauch- und Bohrarbeiten gewonnen wurden, bestätigen, dass die Oberseite der ozeanischen Kruste, wo sie nicht von Sedimenten verdeckt wird, aus basaltischer Lava besteht, die aus dem Erdmantel stammt.
Am Anfang der modernen Theorie der Plattentektonik in den 1960er Jahren erkannten Geologen und Geophysiker, dass die gesamte ozeanische Kruste aus basaltischer Lava entlang linearer Ketten von Meeresbodenvulkanen entstand, die als mittelozeanische Rücken oder Spreizungsrücken bekannt sind. Durch die Spreizung des Meeresbodens wird ältere ozeanische Kruste über Millionen von Jahren von den Rücken weggetragen, bis sie abkühlt, dichter wird und in Gebieten, die als Subduktionszonen bekannt sind, zurück in den Erdmantel „fällt“.
Bodenspuren in der Wüste
An einigen wenigen Stellen auf der Erde wurden Blöcke ozeanischer Kruste, sogenannte „Ophiolite“, bei Kollisionen zwischen tektonischen Platten relativ intakt auf die Kontinente geschoben. Die Kippung und die anschließende Erosion ermöglichen es den Wissenschaftlern, durch einen Abschnitt zu gehen, der einst 25 Kilometer ins Erdinnere reichte. Der größte und am besten exponierte von ihnen, der Oman-Ophiolit in der Nähe des Persischen Golfs, besteht aus etwa zehn Blöcken, die zusammen etwa die Fläche von Massachusetts bedecken.
Die große Ausdehnung dieser Ophiolite, die einst tief unter dem Meeresboden lagen, jetzt aber freigelegt sind, ermöglicht einen umfassenden Blick auf die innere Geometrie der ozeanischen Platten, der von keiner anderen Probenahme- oder Abbildungsmethode im Meer erreicht wird. Wie Topfscherben, die mit Hieroglyphen bedeckt sind, öffnen Ophiolite ein Fenster zu einer uralten, weitgehend verschwundenen Welt und bieten eine seltene Möglichkeit zur systematischen Untersuchung.
In den späten 1960er und frühen 1970er Jahren beobachteten Geologen und Geophysiker Ähnlichkeiten zwischen der Schichtstruktur der ozeanischen Kruste, wie sie anhand von Schallgeschwindigkeiten interpretiert wurde, und der Schichtstruktur in Ophioliten. Eine dünne, obere Schicht in ozeanischer Kruste (mit niedrigen Schallgeschwindigkeiten) entspricht einer Schicht aus Sedimenten und Lavaströmen in Ophiolithen. Eine tiefere Schicht (mit schnelleren Schallgeschwindigkeiten) entspricht einer Ophiolith-Schicht aus „Gabbro“, der sich bildete, als geschmolzener Basalt unter der Erdoberfläche erstarrte. Sowohl in ozeanischer Kruste als auch in Ophiolithen wird die Gabbroschicht vom Erdmantel unterlagert, der sich Tausende von Kilometern bis zum Erdkern erstreckt.
Ein auffälliges Merkmal von gut exponierten Ophiolithen ist eine durchgehende Schicht von „sheeted dikes“, die zwischen der Lava und dem Gabbro liegt. Das sind tafelförmige, etwa einen Meter breite Gesteinsformationen, die durch periodische Ausbrüche von geschmolzenem Gestein entstehen. Die Deiche stehen nebeneinander, wie Soldaten in Formation, wobei jeder Deich an einen benachbarten Deich angrenzt oder sich manchmal an diesen anlehnt oder in ihn eindringt.
Dieses wiederkehrende Strukturmuster entsteht, weil die gesamte ozeanische Kruste an den sich ausbreitenden mittelozeanischen Rücken auf einer Art kontinuierlichem Förderband neu gebildet wird: Jeder Deich bildet sich, vereinfacht betrachtet, direkt in der Mitte eines Rückens. Er breitet sich dann vom Zentrum des Rückens aus, während sich hinter ihm ein weiterer Deich bildet, in einem fortlaufenden Prozess, der die kontinuierliche Schicht erzeugt, die in Ophiolithen beobachtet wird. Nichts dergleichen geschieht in der kontinentalen Kruste, wo neue Deiche eher zufällig in älteres Gestein eindringen.
Mit dem Strom schwimmen
In den 1970er und 1980er Jahren versuchten Geophysiker und Geologen zu verstehen, wie sich basaltische Lava unter Spreizungsgraten bildet. Sie stellten die Theorie auf, dass, weil die ozeanischen Platten an der Oberfläche auseinander ziehen, neues Material aufsteigen muss, um die Lücke zu füllen. Während das Material aufsteigt, nimmt der Druck, der es festhält, ab. Dadurch kann heißes Mantelgestein teilweise schmelzen und eine basaltische Flüssigkeit bilden. Diese so genannte „Schmelze“ hat eine geringere Dichte als die umgebenden Feststoffe und steigt daher schwimmend an die Oberfläche, um die Kruste zu bilden.
Diese Theorie wirft jedoch ebenso viele Fragen auf, wie sie beantwortet. Aus der Zusammensetzung von Lava wissen wir, dass aus einem enormen Volumen an Mantelgestein nur kleine Mengen an Gestein teilweise schmelzen, um ozeanische Kruste zu bilden. Die Schmelze bildet sich in mikrometergroßen Poren entlang der Grenzen unzähliger Kristallkörner in einer Mantelregion, die 100 bis 200 Kilometer breit und 100 Kilometer tief ist. Von dieser riesigen Region wird die Schmelze jedoch irgendwie in einer nur 5 Kilometer breiten Zone am Spreizungsrücken konzentriert. Wie wird die Lava aus winzigen Poren in einer breiten Schmelzregion in eine schmale Region geleitet, wo sie neue ozeanische Kruste bildet, die von massiven Lavaströmen gekrönt wird?
Meine Kollegen bei der Erforschung dieses Rätsels, die in verschiedenen Kombinationen arbeiten, waren Greg Hirth, Nobu Shimizu und Jack Whitehead von der Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI), Marc Spiegelman vom Lamont-Doherty Earth Observatory, die französischen Geologen Adolphe Nicolas und Françoise Boudier, der Student Vincent Salters vom Massachusetts Institute of Technology und die Studenten des MIT/WHOI Joint Program Einat Aharonov, Mike Braun, Ken Koga und Jun Kornaga. Unsere Forschung wurde von der U.S. National Science Foundation, dem WHOI Interdisciplinary and Independent Study Award Programm und dem Adams Lehrstuhl am WHOI finanziert.
Wir haben gezeigt, dass Schmelze in porösen Kanälen durch den Mantel wandert, ähnlich wie mit Kies gefüllte Kanäle, die einen durchlässigen Weg durch lehmhaltigen Boden bieten. Schmelze, die durch den heißen Mantel aufsteigt, kann die sie umgebenden Mineralien teilweise auflösen und die Poren entlang der Grenzen zwischen einzelnen Kristallkörnern allmählich vergrößern. Dies wiederum schafft einen günstigen Weg, durch den mehr Schmelze fließen kann – eine positive Rückkopplungsschleife, die spontan Kanäle schafft, die den Fluss fokussieren.
Kleine Kanäle, die sich auf diese Weise bilden, verschmelzen zu größeren Kanälen, in einem Netzwerk analog zu einem Flussabflusssystem. Die Anzahl und Größe der Schmelzflusskanäle, die wir im Mantelabschnitt von Ophiolithen beobachten, unterstützt diese Theorien.
Schmelzlinsen und periodische Ausbrüche
Neue Fragen tauchten auf. Wenn Schmelze in mikroskopisch kleinen Poren entlang der Grenzen von Kristallkörnern durch den Mantel fließt, wo sammelt sie sich dann an, um massive Lavaströme an Spreizungsrändern zu bilden? Und wenn poröses Fließen ein kontinuierlicher, allmählicher Prozess ist, was verursacht dann die periodischen Ausbrüche von geschmolzenem Gestein, die neue Deiche bilden?
Wieder einmal lieferte der Oman-Ophiolith Hinweise. Eingebettet in die flachsten Gesteinsschichten des Mantels fanden Nicolas und Boudier kleine Formationen von Gabbro, sogenannte Sills. Chemische Analysen dieser Sills deuteten darauf hin, dass sie aus der gleichen Schmelze kristallisierten, die in der Kruste Gabbro, Plattenstöße und Lavaströme bildete. Außerdem wiesen Gabbro, Dikes und Lavaströme alle ein identisches, unverwechselbares Muster aus abwechselnden Bändern aus dunklen und hellen Mineralen auf.
Es schien uns, dass sich die gesamte Gabbroschicht in der ophiolithischen Kruste des Omans, vom obersten Mantel bis zur Oberfläche, gebildet haben könnte, als sich Schmelzmaterial periodisch in relativ kleinen Pools sammelte, die anschließend zu festen „Schmelzlinsen“ kristallisierten. Im Laufe der Zeit sammelt sich eine Vielzahl dieser Schmelzlinsen an – ineinander eingebettet und übereinander oder nebeneinander gestapelt – um das felsige, gebänderte Gewebe des Gabbro zu erzeugen.
Verstopfte Poren bauen Druck auf
Warum sollten Schmelzlinsen zuerst im obersten Mantel, direkt unter der Basis der Kruste, auftreten? Wir vermuten, dass sich solche Linsen dort bilden, wo Schmelze, die sich dem Meeresboden nähert, abzukühlen beginnt. Schmelze, die durch den heißen Mantel aufsteigt, kann die sie umgebenden Mineralien auflösen und so Porenräume schaffen, aber abkühlende Schmelze beginnt zu kristallisieren und verstopft die Poren.
Zwei Szenarien sind möglich: Wenn der Nachschub an Schmelze von unten gering ist, werden die Gänge enger. Die Schmelze wird um undurchlässige Barrieren herum nach außen gedrängt und wandert durch diffuses poröses Fließen entlang der Kristallkorngrenzen durch das umgebende Gestein.
Wenn aber der Schmelzenachschub groß ist, wie unmittelbar unter einem Spreizungsrücken, sammelt sich die schwimmfähige Schmelze unter undurchlässigen Barrieren und erzeugt einen Überdruck. Schließlich durchbricht die Schmelze die Barrieren und erzeugt einen mit Schmelze gefüllten Riss, der in die darüber liegende Kruste eindringt. Wenn sich der Bruch hoch genug in der Kruste ausbreitet, würde er einen flächigen Deich bilden, und wenn er noch höher reicht, würde er auf den Meeresboden austreten und einen Lavastrom speisen.
In diesem Zyklus von Aufbau und Freisetzung kristallisieren und schmelzen Mineralien abwechselnd unter Bedingungen mit höherem und niedrigerem Druck. Bei relativ hohem Druck wird viel weniger des hellen Minerals (Plagioklas) gebildet, im Vergleich zu den dunkleren Mineralen. Bei niedrigerem Druck ist der Anteil an Plagioklas größer. So führen periodische Druckänderungen zu der hellen und dunklen Bänderung, die in ophiolitischen Gabbros beobachtet wird.
Pfade des größten Widerstands
Ausgehend von geologischen Beweisen in Ophiolithen, zusammen mit der physikalischen und chemischen Theorie, stellen wir die Hypothese auf, dass es zwei verschiedene Wege für den Transport von Schmelze gibt, die ozeanische Kruste bildet. Innerhalb der Schmelzregion im Erdmantel kann die Schmelze Mineralien auflösen und zusätzlichen Porenraum schaffen. Infolgedessen bilden kontinuierliche, hochporöse Kanäle ein zusammenhängendes Drainagenetzwerk, das den Schmelzetransport zum Spreizungsrücken fokussiert.
In flachen Ebenen unterhalb des Rückens beginnt die abkühlende Schmelze zu kristallisieren und verstopft den Porenraum entlang der Kristallkorngrenzen. Infolgedessen wird die Strömung diffus, die Schmelze sammelt sich unter undurchlässigen Barrieren. Der Druck baut sich auf, bis die Schmelze periodisch durch die darüber liegenden Barrieren bricht, und mit Schmelze gefüllte Risse werden in das darüber liegende Gestein injiziert, um Dikes und Lavaströme zu speisen. Zusammen bilden diese Prozesse ein hochorganisiertes System, das beständig neue ozeanische Kruste mit einer regelmäßigen Struktur entlang von Spreizungsrücken produziert.
In unserer laufenden Forschung testen wir strengere Theorien darüber, wie sich poröse Kanäle im Mantel bilden. Wir wollen genauer verstehen, wie sich Schmelzlinsen unter Spreizungsrücken bilden. Und wir wollen die Faktoren herausfinden, die bestimmen, warum und wann Deich- und Eruptionsereignisse auftreten.
Erforschung eines universellen Musters des Flüssigkeitsflusses
Es gibt verblüffende Parallelen zwischen den Mechanismen, die zur Entstehung des Meeresbodens und zur Erosion an der Erdoberfläche führen.
Betrachten Sie Wasser, das über eine sandige Oberfläche fließt. Wo das Gefälle steil genug (aber nicht zu steil) ist, beginnt das Wasser, Sandkörner nach unten zu bewegen und Kanäle zu bilden. Wenn die Kanäle wachsen, fließt das Wasser schneller, was zu einer stärkeren Erosion des Sandes an der Vorderkante der Strömung führt. Ein analoger Prozess findet unter dem Meeresboden statt, wenn aufsteigende, heiße Schmelze Mineralien im Gestein auflöst und poröse Kanäle bildet.
Wenn das Gefälle in einem Erosionssystem flussabwärts abnimmt, beginnt das Wasser, Sandkörner abzulagern, die in Suspension getragen wurden. Die abgelagerten Körner beginnen, Barrieren zu bilden, die den Fluss blockieren und ihn zwingen, vom Hauptkanal abzuweichen. Hinter diesen Barrieren sammelt sich das Wasser und bildet temporäre Seen. Diese Seen überfluten periodisch das alte Gerinne und schaffen vorübergehend neue Wege, die wiederum verstopft und aufgegeben werden. Es bildet sich ein Delta oder ein Schwemmfächer.
Analoge Prozesse finden unter dem Meeresboden statt, wenn aufsteigende Schmelze abkühlt, Kristalle ausfällt, die Porenräume blockieren, Strömungen auseinanderlaufen und sich ansammeln und periodisch durch undurchlässige Barrieren brechen, um Deiche und Brüche zu bilden.
Optimierung des Flüssigkeitsflusses
Was verbirgt sich hinter diesen scheinbar fundamentalen Ähnlichkeiten zwischen dem Flüssigkeitstransport während der Erosion an der Erdoberfläche und dem Schmelztransport im Erdmantel?
Grundsätzlich entwickeln sich dort, wo Energie für die Flüssigkeit zur Verfügung steht, um neue Wege zu schaffen – durch physikalische Erosion oder chemische Auflösung – Entwässerungsnetzwerke von relativ ineffizientem, langsam fließendem, diffusem Fluss zu schnellerem, fokussiertem, gleichmäßigem Fluss in gut definierten Kanälen. Wo Energie verloren geht – durch eine Verringerung des Neigungswinkels bei der Erosion oder eine Verringerung der Temperatur der Schmelze – wird das Abflussnetzwerk ineffizient und unorganisiert, mit schnellen Verschiebungen der Fließgeschwindigkeit und des Ortes.
Wissenschaftler, die sich mit der Evolution von Abflusssystemen in Flüssen beschäftigen, vermuten, dass Erosion dazu neigt, ein „optimales“ Abflussnetzwerk zu erzeugen, das die Fließgeschwindigkeit maximiert und den Energieverlust durch Reibung minimiert. Dies ist eine faszinierende Idee, die die Vision einer systematischen, „thermodynamischen“ Theorie der Abflussmorphologie bietet. (Es ist auch eine umstrittene Theorie, da Flussabläufe einen Großteil ihrer komplizierten Struktur aus der vorherigen geologischen Geschichte eines Wassereinzugsgebiets erben.)
Es ist schwierig, Ophiolithen zu verwenden, um eine themodynamische Theorie der Abflussmorphologie für Mantelschmelze-Transportmechanismen zu erforschen – weil Ophiolithen ein „eingefrorenes“ System darstellen. Also begann ich, anderswo nach einem aktiven Fluidtransportsystem zu suchen, das Kanäle innerhalb eines ursprünglich diffusen Strömungsmusters entwickelt.
Schließlich erkannte ich, dass sich Erosionskanäle zweimal am Tag bilden, wenn die Gezeiten an den Stränden von Cape Cod fallen. Vorsichtig lernen Dan Rothman, ein Geophysiker am MIT, und ich etwas über die Erosion von Stränden und machen Beobachtungen zur Kanalbildung. Wir hoffen, feststellen zu können, ob sich das entstehende Kanalnetz allmählich einer „optimalen“ Geometrie nähert, die es dem Wasser ermöglicht, mit minimalem Reibungsverlust über die Strandoberfläche zu fließen.