Winzige Glaseinschlüsse in einem Gesteinsfragment vom Colorado-Plateau liefern Hinweise auf einen Vorgang tief unter der Erdoberfläche. Das Gestein wurde auf mehr als 800 Grad Celsius erhitzt, nachdem ein wasserhaltiges Mineral zerfallen war. Die Spuren stützen erstmals direkt die Annahme, dass Lawsonit beim Freisetzen von Wasser eine partielle Schmelze auslösen kann. Aus den mineralischen Resten rekonstruieren Geologen einen ungewöhnlichen Weg des Gesteins zurück an die Oberfläche.
Ryo Fukushima und seine Kollegen untersuchten ein Gesteinsstück aus dem Navajo Volcanic Field im Südwesten der USA. Das etwa handgroße Fragment stammt aus dem Gebiet Garnet Ridge und gehört zu einem Eklogit, der ursprünglich unter enormem Druck tief im Erdinneren entstand. Seine Minerale bewahrten winzige Strukturen, die von einer späteren Erhitzung erzählen. Besonders auffällig sind kleine Bereiche aus erstarrtem, silikatreichem Glas, die zwischen den Kristallen sitzen.
Die internationale Arbeitsgruppe von der Tohoku University, der Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, der Universität Bayreuth und der Universität Ehime kombinierte dafür Elektronenmikroskopie, Kristallstrukturanalysen und thermodynamische Berechnungen. In ihrer Pressemitteilung der Tohoku University beschreiben die Forscher erstmals natürliche Spuren dafür, dass die Zersetzung von Lawsonit Wasser freisetzte und dadurch Gestein teilweise schmolz. Die Originalarbeit im Journal of Petrology wurde als Editor's Choice ausgewählt.
Eklogit entsteht, wenn basaltisches Gestein unter hohem Druck umgewandelt wird. Typische Bestandteile sind Granat und Omphacit, ein natrium- und calciumhaltiges Pyroxenmineral. Solche Gesteine entstehen häufig, wenn eine ozeanische Platte unter eine andere Platte abtaucht und dabei immer höheren Druckbedingungen ausgesetzt ist. Das untersuchte Stück ist ein sogenannter Xenolith: ein fremder Gesteinsbrocken, den Magma oder vulkanisches Auswurfmaterial auf seinem Weg nach oben mitreißt.
Das Navajo Volcanic Field ist weltweit ein besonderer Fundort, weil dort Gesteinsfragmente aus ehemaligen Subduktionszonen rasch an die Oberfläche gelangten. Die Brocken stecken in vulkanischen Förderprodukten und enthalten Minerale, die normalerweise in großer Tiefe verbleiben. Für Geologen sind sie deshalb seltene Proben aus Bereichen, die sich weder direkt beobachten noch ohne Weiteres erbohren lassen. Ihre Kristalle können Druck, Temperatur und chemische Reaktionen über lange Zeiträume speichern.
Vor dem neuen Befund war vor allem unklar, wie die tief entstandenen Gesteinsstücke vor ihrem explosiven Transport an die Oberfläche erhitzt und angehoben wurden. Frühere Untersuchungen hatten zwar Hinweise auf einen thermischen Impuls geliefert, konnten dessen Ablauf innerhalb unterschiedlicher Gesteinsarten aber nur begrenzt rekonstruieren. Die neue Probe ergänzt dieses Bild um eine Reaktionsspur, die unmittelbar mit einem wasserhaltigen Mineral verbunden ist.
Lawsonit bildet sich unter vergleichsweise niedrigen Temperaturen und hohem Druck. Seine Kristallstruktur bindet Wasser chemisch und kann damit Flüssigkeitsbestandteile aus der Erdoberfläche zusammen mit einer abtauchenden Platte in tiefere Bereiche transportieren. Der Wasseranteil beträgt rund 11,5 Gewichtsprozent. In einer Subduktionszone wirkt das Mineral daher wie ein geologischer Speicher, der Wasser nicht als freie Flüssigkeit, sondern als Bestandteil seines Kristallgitters mitführt.
Steigen Druck- und Temperaturbedingungen später weiter an oder gerät das Gestein in Kontakt mit heißem Magma, kann Lawsonit zerfallen. Dabei wird Wasser frei, das die Schmelztemperatur des umgebenden Gesteins senken kann. Geologen sprechen in diesem Zusammenhang von wasserunterstützter oder flussmittelinduzierter Teilaufschmelzung. Dabei verflüssigt sich nicht der gesamte Gesteinsbrocken; einzelne Bereiche bilden eine Schmelze, während andere Minerale fest bleiben.
Im untersuchten Eklogit ist der ursprüngliche Lawsonit nicht mehr vorhanden. Seine frühere Position lässt sich jedoch an sogenannten Pseudomorphosen erkennen. Dabei bleibt die äußere Form eines Minerals erhalten, obwohl sich sein Inneres durch eine Reaktion in andere Minerale umgewandelt hat. Die Forscher fanden darin feine Aggregate aus Zoisit, Glimmer, Plagioklas und verändertem Silikatglas. Die Zusammensetzung und Anordnung dieser Bestandteile sprechen dafür, dass dort einst eine wasserhaltige Schmelze existierte.
Zusätzliche Hinweise liefert der Omphacit. In den Kristallen liegen kleine glasige Taschen, die nach dem Schmelzen rasch abkühlten und dadurch ihre flüssige Struktur nicht mehr in neue Mineralkristalle umwandeln konnten. Ihre chemische Zusammensetzung reicht von trondhjemitisch bis granitisch. Auch die Kristallordnung des Omphacits ist verändert. Zusammengenommen passen diese Merkmale zu einer intensiven, örtlich begrenzten Erwärmung nach der ursprünglichen Bildung des Eklogits.
Die mikroskopischen Befunde zeigen, dass die Probe nach ihrer Entstehung deutlich stärker erhitzt wurde. Die Forscher leiten aus der ungeordneten Kristallstruktur des Omphacits und den erstarrten Schmelzeinschlüssen extreme Temperaturen ab. Dabei wurde das Gestein nicht vollständig flüssig. Vielmehr entstanden kleine Schmelzbereiche, deren Material beim anschließenden Abkühlen zu Glas und neuen Mineralen erstarrte.
Besonders aufschlussreich ist die räumliche Beziehung zwischen den Schmelzresten und den Lawsonit-Pseudomorphosen. In ihrer Nähe treten Reaktionssäume auf, in denen bestimmte Minerale fehlen oder bevorzugt neu entstanden sind. Solche Übergänge dokumentieren, wie die freigesetzte Flüssigkeit mit den umgebenden Kristallen reagierte. Die Verteilung der Phasen ist damit mehr als ein Hinweis auf bloße Hitze: Sie passt zu einem Prozess, bei dem Wasser und Schmelze gemeinsam die Mineralstruktur veränderten.
Wie rasch diese Erwärmung ablief, lässt sich nur modellieren. Die Berechnungen der Arbeitsgruppe ergeben eine sehr kurze Dauer, falls das Gestein unmittelbar mit heißem Magma in Kontakt kam. Unter dieser Voraussetzung könnte der Vorgang weniger als zehn Jahre beansprucht haben. Die Forschenden weisen damit auf eine abrupte thermische Episode hin, nicht auf eine langsame Erwärmung über geologische Zeiträume.
Als mögliche Wärmequelle kommt Magma infrage, das aus tieferen Bereichen aufstieg. Die Studie verbindet die Probe mit einem thermischen Ereignis, das im Zusammenhang mit dem Aufreißen der Farallon-Platte diskutiert wird. Solche Prozesse können heißes Material in Bereiche bringen, in denen zuvor wasserreiche Gesteine lagen. Der Kontakt zwischen beiden verändert dann nicht nur die Temperatur, sondern auch die chemischen Bedingungen im Gestein.
Die geologische Vorgeschichte beginnt mit einer alten ozeanischen Platte, die unter den Westen Nordamerikas abtauchte. Vor ungefähr 28 Millionen Jahren gab die Farallon-Platte Wasser an den darüberliegenden Mantel ab. Dieses Ereignis wird in der Forschung als Great Hydration bezeichnet. Die Flüssigkeiten reagierten mit Mantelgestein und veränderten dessen Zusammensetzung. In der Region des Colorado-Plateaus wird dieser Vorgang mit Hebung und explosivem Vulkanismus in Verbindung gebracht.
Nach dem Modell der Autoren verlief der Transport des Eklogits nicht als ein einziger direkter Aufstieg aus großer Tiefe. Zunächst brachte ein vorübergehender Magmenimpuls die Gesteinsfragmente in eine geringere Tiefe. Dort erhitzte sich die Probe, Lawsonit zerfiel und örtlich entstand Schmelze. Anschließend kühlte das Gestein wieder ab, bevor eine spätere explosive vulkanische Aktivität es endgültig an die Oberfläche beförderte.
Die Autoren verorten diese Zwischenstation in weniger als etwa 60 Kilometern Tiefe. Das ist geologisch bedeutsam, weil der Brocken dort bereits weit aus dem Bereich seiner ursprünglichen Bildung herausgelangt war, aber noch tief genug lag, um von der umgebenden Lithosphäre und aufsteigendem Magma beeinflusst zu werden. Das Gestein konservierte dadurch zwei unterschiedliche Abschnitte seiner Reise: die Hochdruckbildung und die spätere Erwärmung mit Teilaufschmelzung.
Der Ablauf ergänzt die bekannten Prozesse in Subduktionszonen. Eine andere Untersuchung zu Gestein aus großer Tiefe in Papua-Neuguinea zeigt ebenfalls, wie Minerale die Bedingungen beim Abtauchen und Wiederaufsteigen einer Erdplatte festhalten können. Die beiden Proben dokumentieren unterschiedliche thermische Abschnitte, die Geologen aus den erhaltenen Kristallstrukturen rekonstruieren.
Die neue Untersuchung erklärt, wie ein tief entstandenes Gestein vor seiner endgültigen Freisetzung noch einmal stark erhitzt werden konnte. Sie belegt jedoch nicht, dass jede explosive Eruption im Colorado-Plateau auf denselben Ablauf zurückgeht. Auch die genaue Wärmequelle lässt sich aus einer einzelnen Probe nicht eindeutig bestimmen. Ein Magmenkontakt ist ein plausibles Szenario, während das Aufreißen der abtauchenden Platte und das mögliche Eindringen heißeren Mantelmaterials weitere geodynamische Prozesse ins Spiel bringen.
Für die Rekonstruktion des Untergrunds ist entscheidend, dass Wasser nicht nur in offenen Rissen oder Poren vorkommt. Es kann in Mineralen gebunden bleiben und erst dann freigesetzt werden, wenn sich die Druck- und Temperaturbedingungen ändern. Dadurch entstehen chemische Reaktionen an Orten, an denen freies Wasser zuvor kaum nachweisbar wäre. Lawsonit liefert Forschern deshalb einen Marker für den Transport von Wasser in tiefe Gesteinsschichten.
Auch der Vergleich mit aktiven Magmasystemen hilft bei der Einordnung. Unter der Kikai-Caldera südlich von Kyushu sammeln sich nach einer geophysikalischen Untersuchung erneut geschmolzene Gesteinsmassen in geringer Tiefe. Solche Beobachtungen zeigen, wie aufsteigendes Magma den Untergrund verändern kann; die Prozesse und Zeiträume sind jedoch nicht mit dem fossilen Ereignis am Colorado-Plateau gleichzusetzen.
Die nächste offene Frage betrifft die Herkunft des Wärmepulses. Die Autoren diskutieren ein Aufreißen der Farallon-Platte sowie das mögliche Eindringen von heißem Mantelmaterial. Weitere Xenolithe aus dem Navajo Volcanic Field könnten zeigen, ob die Kombination aus Lawsonit-Abdruck, glasigen Schmelzresten und veränderten Omphacit-Kristallen an mehreren Fundstellen vorkommt.
Tohoku University, Tiny melt traces shed light on the Colorado Plateau's explosive past
Ryo Fukushima et al., Melting of a lawsonite eclogite xenolith in the Colorado Plateau: Micropetrological constraints on the Oligocene thermal pulse, Journal of Petrology; doi:10.1093/petrology/egag092
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