Unter der Afar-Region in Äthiopien steigt heißes, teilweise geschmolzenes Mantelgestein in wiederkehrenden Pulsen auf. Chemische Muster aus mehr als 130 Vulkangesteinsproben sprechen für eine einzige, asymmetrische Aufwölbung, die den Transport von Magma in den drei Riftarmen prägt. Dadurch verändert sich, wie Schmelzen durch die Riftzonen strömen und wo Vulkanismus entsteht. Die Auswertung rekonstruiert diese Bewegung indirekt aus Gesteinschemie und Modellen; einen festen Takt der Pulse ermittelte sie nicht.
Am nordöstlichen Rand Afrikas treffen drei große Bruchzonen an einem tektonischen Knoten zusammen. Die Afar-Senke in Äthiopien verbindet den Golf von Aden, das Rote Meer und das Äthiopische Hauptrift. Dort bewegen sich die Arabische, die Nubische und die Somalische Platte voneinander weg. Zwischen diesen Platten wird die Erdkruste gedehnt, ausgedünnt und durch aufsteigendes Magma verändert.
Im Mittelpunkt stand die Frage, wie Material aus dem tiefen Erdmantel diese Entwicklung beeinflusst. Emma J. Watts leitete die Arbeit an der University of Southampton und ist inzwischen an der Swansea University tätig; Derek Keir gehört zu den Mitautoren. In ihrer Nature-Geoscience-Studie kombinieren sie geochemische Messungen mit geophysikalischen Daten und statistischen Modellen. Die University of Southampton erläutert den Befund in ihrer Originalmeldung zu den tiefen Erd-Pulsen.
Afar ist ungewöhnlich, weil drei Riftarme aufeinandertreffen, die sich in unterschiedlichen Entwicklungsstadien befinden. Der Golf von Aden begann sich vor etwa 35 Millionen Jahren zu öffnen, das Rote Meer vor rund 23 Millionen Jahren. Das Äthiopische Hauptrift folgte vor ungefähr 11 Millionen Jahren und befindet sich noch in einem kontinentalen Stadium. Die Zeitangaben beschreiben den Beginn der jeweiligen Dehnung, nicht den Zeitpunkt einer vollständigen Ozeanbildung.
Ein Rift entsteht, wenn sich eine tektonische Platte auseinanderzieht und ihre Kruste dabei dünner wird. Entlang der Bruchzone können Gesteinsblöcke absinken, während Magma aus tieferen Bereichen aufsteigt und neue vulkanische Gesteine bildet. Im Golf von Aden hat die Entwicklung bereits eine ozeanische Phase erreicht, während das Rote Meer als proto-ozeanisch gilt. Im Hauptrift ist die kontinentale Kruste noch stärker erhalten.
Alle drei Arme gehören zu einer zusammenhängenden geologischen Region, verhalten sich aber nicht identisch. Ihre Dehnungsgeschwindigkeit und die Dicke der darüberliegenden Platte unterscheiden sich. Genau diese Unterschiede helfen zu erklären, weshalb dieselbe Mantelquelle in jedem Riftarm ein anderes chemisches Muster hinterlässt. Die Facharbeit beschreibt Afar deshalb als natürlichen Vergleichsraum für mehrere Stadien des Kontinentalbruchs.
Direkt an der Oberfläche ist ein Mantelaufstieg nicht sichtbar. Geologen müssen aus Gesteinen, seismischen Geschwindigkeiten und der Struktur der Erdkruste erschließen, was in der Tiefe geschieht. Vulkanisches Gestein konserviert chemische Merkmale jener Schmelzen, aus denen es erstarrte. Unterschiedliche Elemente und Isotope können anzeigen, aus welchen Mantelbereichen das Material stammt und wie stark es teilweise geschmolzen war.
Für die Untersuchung wertete das Team mehr als 130 Gesteinsproben junger Vulkane aus, die über die drei Riftarme verteilt waren. Das Kernset umfasste 79 Proben aus dem Afar-Gebiet und 52 weitere aus dem Äthiopischen Hauptrift. Zusätzlich bezogen die Autoren veröffentlichte Daten zu 93 Gesteinsproben aus der GEOROC-Datenbank ein. Die Proben enthielten Messwerte zu Haupt- und Spurenelementen sowie zu den Isotopen von Strontium, Neodym und Blei.
Ergänzend nutzte das Team geophysikalische Angaben zur Grenze zwischen Erdkruste und Mantel sowie zu seismischen Wellengeschwindigkeiten in verschiedenen Tiefen. Diese Werte liefern indirekte Hinweise auf Temperatur, Fluide und partielle Schmelzen im Mantel. Eine geringere Geschwindigkeit von Scherwellen kann etwa zu heißem Gestein oder vorhandener Schmelze passen. Kein einzelner Messwert beweist den Mantelaufstieg; erst das gemeinsame Muster wird aussagekräftig.
Erst zusammen erfassen chemische Zusammensetzung und geophysikalische Eigenschaften unterschiedliche Seiten desselben Systems. Die Studie prüfte, ob die beobachteten Unterschiede besser zu einer einzigen Aufwölbung oder zu mehreren getrennten Aufstiegszonen passen. Dabei verglichen die Autoren mehrere statistische Modelle mit den Messdaten. Ein ähnlicher indirekter Zugang über chemische Spuren in Vulkaniten steht auch hinter den Hinweisen auf Kohlenstoff aus dem Erdkern.
Am besten passen die Daten zu einem einzigen, asymmetrischen Mantelaufstieg unter Afar. Seine Zusammensetzung ist räumlich nicht gleichmäßig: Verschiedene Bereiche enthalten unterschiedliche Anteile und Arten von Mantelmaterial und Schmelze. Dadurch verändert sich entlang der Riftarme sowohl die chemische Signatur der Vulkanite als auch die relative Menge der Schmelze. Die Daten passen damit nicht zu einem einfachen, gleichförmigen Plume, der sich kreisförmig in alle Richtungen verteilt.
Als Mantelplume bezeichnen Geologen eine Zone besonders heißen oder chemisch abweichenden Mantelmaterials, das langsam nach oben strömt. Im Aufstieg sinkt der Druck, wodurch Gestein teilweise aufschmelzen kann. Die Schmelze kann anschließend in Rissen und durchlässigen Zonen der Lithosphäre weiterwandern. Das umgebende Mantelgestein bleibt dabei überwiegend fest und verhält sich über lange Zeiträume zähplastisch.
Für den Modellvergleich prüften die Forschenden Varianten mit einem homogenen und einem heterogenen Aufstieg. Eine flexible statistische Anpassung, die räumliche Unterschiede zulässt, sagte die Messdaten besser voraus als ein einfacher linearer Verlauf. Auch der Vergleich mit Modellen für drei getrennte Quellen sprach am Ende für einen gemeinsamen, aber ungleichmäßig zusammengesetzten Mantelaufstieg. Diese Modellentscheidung beruht auf den vorhandenen Daten und ist keine direkte Aufnahme einer Magmasäule.
Wiederkehrende chemische Cluster in den drei Riftarmen deuten auf Pulse aus derselben Quelle hin. Mehrere Cluster finden sich in unterschiedlichen Riftarmen und bilden dort ähnliche Abfolgen. Ihre chemische Zusammensetzung und räumliche Reihenfolge sprechen für wiederholte Nachlieferungen, die sich entlang der Bruchzonen ausbreiten. Die Autoren vergleichen diese Struktur mit einem Herzschlag, weil das Material nicht gleichmäßig, sondern schubweise nach oben gelangt.
Solche geochemischen Streifen sind keine sichtbaren Linien auf einem Lavabrocken. Gemeint sind räumliche Wiederholungen chemischer Zusammensetzungen, die sich erst durch Laboranalysen und den Vergleich vieler Proben erkennen lassen. Wie bei einem Barcode entsteht das Muster aus mehreren unterscheidbaren Signaturen. Seine Wiederholung über verschiedene Riftarme hinweg stützt die Annahme einer gemeinsamen Quelle stärker als ein einzelner lokaler Messwert.
Zwischen den Riftarmen unterscheiden sich diese Muster. Im Roten Meer besitzen die chemischen Wiederholungen größere räumliche Maßstäbe; im Äthiopischen Hauptrift sind die Cluster enger gebündelt. Die Cluster erstrecken sich im Roten Meer über etwa 150 bis 200 Kilometer, im Hauptrift dagegen über rund 50 bis 100 Kilometer. Diese räumlichen Größenordnungen beschreiben die Verteilung der chemischen Gruppen, nicht die Zeit zwischen zwei Pulsen.
Zu den Unterschieden passen die jeweiligen Dehnungsraten. Für das Rote Meer nennt die Arbeit 10,5 bis 19,5 Millimeter pro Jahr, für das Hauptrift ungefähr 5,2 Millimeter pro Jahr. Die Kruste unter dem Roten Meer ist mit etwa 16 bis 25 Kilometern außerdem dünner als unter dem Hauptrift, wo die Autoren 25 bis 33 Kilometer angeben. Die Krustendicke dient dabei als Hinweis auf die Gesamtmächtigkeit der Platte; sie ist nicht mit ihr identisch.
Nach dem Modell können dünnere und stärker gedehnte Platten dem Mantelmaterial mehr Raum für eine seitliche Bewegung bieten. Die Riftzonen wirken dabei wie natürliche Kanäle, in denen aufsteigende Schmelzen entlang der Plattenunterseite weitergeleitet werden. Im engeren und stärker verdickten Bereich des Hauptrifts kann dieser Fluss stärker gebremst werden. Die Autoren beschreiben diesen Effekt als eine Art Engstelle, die das chemische Muster räumlich zusammendrückt.
Damit beeinflusst die Bewegung der Erdplatten nicht nur die Form der Bruchzonen an der Oberfläche. Sie verändert zugleich, wie sich der heiße Mantel darunter verteilt und welche chemischen Signaturen an die Vulkane gelangen. Die Aufwölbung und die Plattentektonik wirken also aufeinander ein. Das erklärt, weshalb eine gemeinsame Mantelquelle in den drei Riftarmen keine identischen Muster erzeugt.
Wenn Platten auseinanderdriften, dehnt sich die kontinentale Kruste, wird dünner und kann entlang großer Bruchsysteme absinken. Magma steigt in die entstandenen Schwächezonen, erstarrt dort und bildet neue basaltische Kruste. Über sehr lange Zeiträume kann sich daraus ein Meeresbecken entwickeln, sobald der Kontinent durchbrochen ist und Meerwasser den neuen Tiefraum füllt. Dieser Ablauf ist ein geologischer Prozess und kein plötzliches Ereignis.
In Afar liegen verschiedene Entwicklungsstufen nebeneinander. Der Golf von Aden befindet sich bereits in der Phase der Ozeanbildung, das Rote Meer in einer proto-ozeanischen Phase und das Äthiopische Hauptrift in einer reifen kontinentalen Riftphase. Diese Unterschiede machen die Region besonders wertvoll, weil sich mehrere Stadien des Auseinanderbrechens innerhalb eines zusammenhängenden Systems vergleichen lassen. Die geochemischen Daten geben dabei Einblick in den Mantel, der diesen Prozess begleitet und mitprägt.
Wie komplex Kontinente über lange Zeiträume zerbrechen können, zeigt auch die Rekonstruktion eines verschollenen Kontinents. In diesem Fall verteilten sich Fragmente einer früheren Landmasse über Südostasien. Afar dokumentiert einen anderen Vorgang: Dort hält die Dehnung noch an, und die drei Riftarme zeigen unterschiedliche Entwicklungsstadien eines möglichen neuen Ozeanbeckens.
Aus den Messungen geht keine verlässliche Jahreszahl hervor, wann sich in Afar ein zusammenhängendes neues Meer bilden könnte. Die Studie berechnet auch keine feste Wiederholungsrate der Mantelpulse. Die Altersangaben der drei Riftarme beziehen sich auf den Beginn ihrer Entwicklung und erlauben keine präzise Vorhersage für die weitere Öffnung. Der Kontinentalbruch schreitet über geologische Zeiträume voran, deren Dauer sich aus dieser Untersuchung nicht bestimmen lässt.
Im Zentrum der neuen Aussage steht die Struktur des Mantelaufstiegs. Statt drei voneinander unabhängiger Magmaquellen sprechen die Daten am besten für einen gemeinsamen heterogenen Aufstieg, dessen Verteilung durch die Plattenbewegung verändert wird. Wiederkehrende chemische Signaturen stützen die Deutung einer pulsierenden Zufuhr. Damit verbindet die Arbeit Prozesse im tiefen Erdmantel mit den unterschiedlichen Vulkanmustern an der Oberfläche.
Beobachtet haben die Geologen die Pulse allerdings nicht. Die Mantelströmung liegt tief unter der Erdoberfläche und wurde weder mit einer Kamera verfolgt noch durch einen einzelnen Sensor gemessen. Die Schlussfolgerung entsteht aus chemischen Analysen, vorhandenen geophysikalischen Daten und statistischen Vergleichen. Andere Deutungen bleiben grundsätzlich prüfbar, auch wenn das getestete Modell den besten Abgleich mit den Messungen liefert.
Bei der Rolle des Magmas ist eine differenzierte Einordnung nötig. Die Aufwölbung kann Gestein erwärmen, partielle Schmelzen fördern und den Vulkanismus entlang der Rifts konzentrieren. Die Plattenbewegungen selbst bleiben jedoch ein wesentlicher Teil des Systems und beeinflussen ihrerseits den Fluss des Mantelmaterials. Ein alleiniger Auslöser des Kontinentalbruchs ist damit nicht nachgewiesen.
Zur Pulsdauer liefern die chemischen Muster ebenfalls keine Messung. Statt Zeitintervalle zu messen, ordnet die Studie die Muster räumlich und vergleicht ihre Abstände. Die Metapher des Herzschlags erlaubt daher keine Aussage über eine bestimmte Frequenz oder einen Rhythmus in Jahren. Der Lavasee des Erta Ale veranschaulicht den aktiven Vulkanismus der Afar-Region, zeigt aber weder die untersuchte Mantelströmung noch einen direkten Befund der Studie.
Titelbild: Lavasee im Krater des Vulkans Erta Ale in der Afar-Senke (Äthiopien), 2001 von Hervé Sthioul, Wikimedia Commons, Lizenz CC BY 2.5, zugeschnitten.
Watts, E. J. et al., Nature Geoscience: Mantle upwelling at Afar triple junction shaped by overriding plate dynamics; doi:10.1038/s41561-025-01717-0
University of Southampton: Scientists detect deep Earth pulses beneath Africa
Swansea University: Scientists detect deep Earth pulses beneath Africa
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