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Gestein aus Papua-Neuguinea stellt Temperaturmodelle für abtauchende Erdplatten infrage
Verblüffende Wärmespur: Ein Gestein aus Papua-Neuguinea hat in rund 45 Kilometern Tiefe bereits etwa 700 Grad Celsius erreicht. Auf dem weiteren Weg bis in mehr als 90 Kilometer Tiefe kamen nur rund 100 Grad hinzu, wie winzige Mineraleinschlüsse zeigen. Damit verlief seine Versenkung zunächst deutlich heißer als gängige Modelle erwarten lassen.
Göttingen (Deutschland). Wo tektonische Platten aufeinandertreffen, kann eine der beiden tief in den Erdmantel abtauchen. Dieser Vorgang wird Subduktion genannt und prägt sowohl die Entstehung von Gebirgen als auch viele Erdbeben und Vulkane. Der Druck auf das versinkende Gestein steigt dabei stetig, seine Temperatur entwickelt sich jedoch nicht überall gleich.
Bisher haben Geologen die thermische Geschichte solcher Subduktionszonen häufig aus den Bedingungen abgeleitet, die Gesteine in ihrer größten Tiefe erlebt haben. Besonders hoher Druck und eine im Verhältnis dazu niedrige Temperatur galten als Kennzeichen einer durchweg kalten Versenkung. Ob der Weg dorthin tatsächlich ebenfalls so kühl war, lässt sich an tief umgewandeltem Gestein aber nur selten ablesen.
Forscher der Georg-August-Universität Göttingen um Dr. Jan Schönig haben nun einen solchen seltenen Zeugen untersucht: einen Eklogit von der Insel Goodenough im Osten Papua-Neuguineas. Das rot-grüne, unter hohem Druck umgewandelte Gestein enthält Granatkristalle, deren verschiedene Wachstumszonen Bedingungen aus mehreren Stationen seiner Reise ins Erdinnere speichern.
Im Inneren der Granatkristalle entdeckte das Team winzige Einschlüsse früherer Gesteinsschmelze sowie Rutil, ein Mineral, dessen chemische Zusammensetzung Rückschlüsse auf die Temperatur erlaubt. Zusammen mit Versuchen und thermodynamischen Berechnungen ergab sich für die frühe Versenkungsphase ein Druck von rund 1,5 Gigapascal. Das entspricht etwa 45 Kilometern Tiefe, bei einer Temperatur von 700 Grad Celsius.
In einer später gewachsenen Zone des Granats fanden die Wissenschaftler hingegen Coesit, eine Quarzform, die erst unter extrem hohem Druck stabil ist. Sie belegt eine Tiefe von mehr als 90 Kilometern. Dort lag die Temperatur nach den Analysen bei rund 800 Grad Celsius. Obwohl sich die Tiefe mindestens verdoppelt hatte, war das Gestein demnach nur etwa 100 Grad heißer geworden.
Die vermeintlich „kalte“ tiefere Phase bedeutet also keine absolute Abkühlung. Kalt ist sie vor allem im Verhältnis zu dem stark gestiegenen Druck, während das Gestein in mittlerer Tiefe ungewöhnlich hohe Temperaturen aufwies.
„Diese Veränderung von heißer zu kalter Subduktion war unerwartet, da sie unseren aktuellen thermischen Modellen von Subduktionszonen widerspricht“, erklärt Dr. Jan Schönig.
Um den zeitlichen Ablauf zu rekonstruieren, datierten die Geologen zudem winzige Zirkonkristalle mit einem Verfahren, das den Zerfall von Uran zu Blei nutzt. Die Daten deuten darauf hin, dass das Gestein zwischen etwa 5,1 und 4,4 Millionen Jahren vor heute von der mittleren bis in die größte nachgewiesene Tiefe gelangte.
Daraus leitet das Team für diesen Abschnitt eine vertikale Abtauchgeschwindigkeit von mehr als sechs Zentimetern pro Jahr ab. Die Zirkone und Einschlüsse zeichnen somit nicht nur den Endzustand, sondern mehrere Abschnitte einer ungewöhnlich schnellen Reise nach. Gerade solche frühen Spuren gehen beim späteren Umbau von Gesteinen häufig verloren.