Auf Goodenough Island im Osten von Papua-Neuguinea haben Geologen ein Gestein untersucht, das einst in mehr als 90 Kilometern Tiefe lag und heute an der Oberfläche zu finden ist. Winzige Kristalle aus Coesit, einer Hochdruckform von Quarz, belegen, dass es unter einem Druck von mehr als 2,9 Gigapascal stand. Eingeschlossene Zirkonkörner verraten zudem, wie jung dieses Gestein ist und in welchem Tempo es in die Tiefe gezogen wurde. Die Daten zeichnen ein überraschendes Bild vom Abtauchen einer Erdplatte.
Goodenough Island gehört zu den D'Entrecasteaux-Inseln vor der Ostspitze von Papua-Neuguinea und ist geologisch ein außergewöhnlicher Ort. Hier treten Gesteine zutage, die in großer Tiefe unter enormem Druck umgewandelt wurden und noch heute aktiv aufsteigen, sodass sie die Höhenzüge der Inseln bilden. Fachleute sprechen von Ultrahochdruck-Metamorphose, wenn Gesteine der Erdkruste in mehr als 90 Kilometer Tiefe gelangen, in den Stabilitätsbereich des Minerals Coesit, und anschließend wieder auftauchen. Coesit ist eine dichte Form von Siliziumdioxid, die erst oberhalb von etwa 2,7 bis 3,0 Gigapascal entsteht. Das entspricht rund dem 27.000- bis 30.000-Fachen des Luftdrucks auf Meereshöhe. Findet sich das Mineral in einem Gestein, ist das ein eindeutiges Zeichen dafür, dass es einst weit unter die Erdkruste der Kontinente hinabgezogen wurde. Solches Ultrahochdruckgestein ist selten, denn auf dem langen Weg zurück an die Oberfläche wandelt sich der empfindliche Coesit meist wieder in gewöhnlichen Quarz um.
Gesteine dieser Art sind Zeugen der Subduktion, also des Vorgangs, bei dem eine Erdplatte unter eine andere abtaucht. Bislang galt Ultrahochdruckgestein als Beleg für eine kalte Subduktion, bei der die Temperatur mit zunehmender Tiefe nur langsam steigt. Ausgereifte, moderne Subduktionszonen weisen nach Modellrechnungen Temperaturgradienten von weniger als 300 Grad Celsius pro Gigapascal auf, selbst die wärmsten bekannten Zonen vor Mexiko und im Nordwesten Nordamerikas liegen unter 400 Grad Celsius pro Gigapascal. Diese Einordnung beruht jedoch meist auf den Bedingungen am tiefsten Punkt der Reise. Wie warm oder kalt der Weg dorthin war, ließ sich kaum belegen, weil die Spuren der frühen Phase im Gestein in der Regel überprägt werden, während Druck und Temperatur weiter steigen. Genau diese Lücke schließt nun ein Fund aus Papua-Neuguinea, der die frühe Phase des Abtauchens gewissermaßen konserviert hat.
Das untersuchte Stück stammt aus der Taleba-Bucht im Süden von Goodenough Island, aus einer nur etwa 90 mal 30 Zentimeter großen Linse dunklen Gesteins, eingebettet in hellen Gneis. Es handelt sich um einen Eklogit, ein Gestein, das vor allem aus Granat und dem Pyroxen Omphacit besteht und unter hohem Druck aus basaltischem Material entsteht. Wie das Team um Jan Schönig von der Universität Göttingen im Fachjournal Nature Geoscience berichtet, enthalten die Granatkristalle in ihren mittleren Wachstumszonen winzige Einschlüsse von Coesit, teils kleiner als ein Mikrometer. Im Kern der Granate fanden die Forscher dagegen ausschließlich Quarz. Daraus folgt, dass der Kern unterhalb und die mittlere Zone oberhalb des Übergangs von Quarz zu Coesit gewachsen ist. Der Granat wirkt damit wie ein Fahrtenschreiber, der Schicht für Schicht festhält, welchen Druck das Gestein auf seinem Weg in die Tiefe erlebte. Granat macht in der Probe rund 38 Prozent des Volumens aus.
Um die Bedingungen zu rekonstruieren, kombinierte das Team mehrere Verfahren. Eingeschlossene Rutilkristalle dienten über ihren Zirkoniumgehalt als Thermometer, thermodynamische Modelle grenzten Druck und Temperatur ein. Besonders aufschlussreich waren winzige Einschlüsse erstarrter Schmelze, sogenannte Nanogranitoide. Am GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung in Potsdam schmolzen die Forscher solche Einschlüsse bei 2,5 Gigapascal und 750 Grad Celsius wieder zu Glas auf und bestätigten so, dass der Granatkern in Gegenwart einer Schmelze gewachsen war. Demnach entstand der Kern bei etwa 1,5 Gigapascal und 700 Grad Celsius, was einer Tiefe von rund 45 Kilometern entspricht. Der Weg bis dorthin verlief mit einem scheinbaren Gradienten von rund 470 Grad Celsius pro Gigapascal deutlich wärmer, als es für eine kalte Subduktion typisch wäre. Die mittlere Wachstumszone mit dem Coesit bildete sich dagegen bei mehr als 2,9 Gigapascal und etwa 800 Grad Celsius, also unter Bedingungen, die gut zu einer kalten, ausgereiften Subduktionszone passen. Das Gestein erlebte demnach erst eine warme und dann eine kalte Phase.
Die Zeitangaben liefern Zirkone, die im Granat eingeschlossen sind. Die Forscher lösten das Gestein auf, sammelten 26 Körner von etwa zehn Mikrometern Größe und datierten sie an der Curtin University im australischen Perth mit einer Ionensonde über den Zerfall von Uran zu Blei. Siebzehn Körner ergaben verwertbare Alter zwischen 5,1 und 3,1 Millionen Jahren. Die Spurenelemente zeigen, dass der Granatkern frühestens vor 5,1 Millionen Jahren zu wachsen begann und das Ultrahochdruckstadium vor rund 4,4 Millionen Jahren erreicht war. In nur etwa 700.000 Jahren legte das Gestein demnach den Weg von rund 45 Kilometern bis in mehr als 90 Kilometer Tiefe zurück. Das entspricht einer senkrechten Geschwindigkeit von mehr als 60 Millimetern pro Jahr oder rund sechs Metern pro Jahrhundert. Mit einem Alter von rund 4,4 Millionen Jahren zählt der Eklogit zu den jüngsten Coesit-Eklogiten der Erde. Ein bereits bekannter Coesit-Eklogit von der kleinen Insel Tumagabuna, etwa 400 Meter vor Fergusson Island, hatte sein Ultrahochdruckstadium vor rund 7,1 Millionen Jahren erreicht.
Dass ein Gestein zunächst einen warmen und erst später einen kalten Weg nimmt, erklären die Autoren mit zwei Mechanismen, die sich gegenseitig nicht ausschließen. Zum einen kann Reibung entlang der Grenzfläche zwischen den Platten erhebliche Wärme freisetzen. Zwischen der Pazifischen und der Australischen Platte beträgt die schräge Annäherung in der Region heute rund 110 Millimeter pro Jahr, was diese Scherwärme verstärken könnte. Zum anderen durchläuft jede Subduktionszone eine junge, unruhige Phase, bevor sich stabile Temperaturverhältnisse einstellen. Modelle des Koautors Adam Holt von der University of Miami zeigen für Gestein, das etwa fünf bis zwölf Millionen Jahre nach Beginn der Subduktion abtaucht, ähnliche Druck-Temperatur-Pfade wie in Papua-Neuguinea beobachtet. In diesem Fall stammt das abgetauchte Material zudem nicht aus dem Ozeanboden, sondern aus einem abgespaltenen Bruchstück kontinentaler Kruste australischer Herkunft. Wie lebhaft der Untergrund an Plattengrenzen ist, zeigt auch eine Magmakammer unter Japans Meeresboden, die sich wieder füllt.
Die Bedeutung reicht über Papua-Neuguinea hinaus. Geologen nutzen die Bedingungen, unter denen Gesteine ihren tiefsten Punkt erreichten, um zu rekonstruieren, wann auf der Erde die heutige Form der Plattentektonik einsetzte. Kalte Gradienten gelten dabei als Kennzeichen moderner Subduktion. Die neuen Daten zeigen jedoch, dass der flache Teil des Weges mit rund 470 Grad Celsius pro Gigapascal deutlich wärmer war, als es die Spitzenbedingungen mit etwa 280 Grad Celsius pro Gigapascal vermuten lassen. Wer nur auf den tiefsten Punkt schaut, könnte manche Gesteine falsch einordnen, betonen die Autoren. Die Spur auf die Insel verfolgen die Göttinger Geologen schon länger. Bereits 2021 hatten Forscher der Syracuse University und der Universität Göttingen im Granatsand eines Strandes auf Goodenough Island Coesit-Einschlüsse nachgewiesen und damit gezeigt, dass Ultrahochdruckgestein dort weiter verbreitet ist als angenommen. Die nun untersuchte Probe stammt aus unmittelbarer Nähe dieses Strandes.
Dass solche Zeugnisse nicht nur in den Tropen zu finden sind, hat die Göttinger Arbeitsgruppe ebenfalls gezeigt. 2019 berichtete Schönig gemeinsam mit Kollegen von Diamant- und Coesit-Einschlüssen in Granatkörnern aus Sedimenten des sächsischen Erzgebirges. Auch dort wurden Gesteine einst in große Tiefe gezogen, allerdings in weit früheren Epochen der Erdgeschichte, sodass die Spuren heute vor allem in Körnern überdauern, die Verwitterung und Abtragung überstanden haben. Papua-Neuguinea bietet dagegen die seltene Gelegenheit, einen solchen Prozess gewissermaßen frisch zu untersuchen, denn die Gesteine steigen dort noch heute auf. Dass Vorgänge tief im Erdinneren bis an die Oberfläche wirken, belegt auch eine Untersuchung, nach der die Schwerkraft im Erdinneren sogar die Tageslänge verändert. Die Autoren der neuen Studie vermuten, dass hohe Temperaturgradienten in den flachen Abschnitten tiefer Subduktionssysteme häufig vorkommen könnten, und sehen darin einen Grund, die Geschichte der Plattentektonik mit größerer Vorsicht zu lesen.
Nature Geoscience, Geothermal gradient change during subduction recorded by ultrahigh-pressure eclogite; doi:10.1038/s41561-026-02110-1