Transition between the Pacific and African mantle domains beneath southwest Pacific marginal basins

Tief unter der Erdoberfläche ist das Innere des Planeten keine einheitliche, wirbelnde Suppe. Stattdessen ist es in riesige, deutlich voneinander abgegrenzte Provinzen unterteilt, die seit Hunderten von Millionen Jahren getrennt geblieben sind. Stellen Sie sich den Erdmantel als einen riesigen, sich langsam bewegenden Ozean aus Gestein vor. Lange Zeit wussten Wissenschaftler, dass das Gestein unter dem Pazifischen Ozean chemisch anders ist als das Gestein unter dem Atlantischen und Indischen Ozean. Dieser Unterschied ist ein Erbe davon, wie sich die tektonischen Platten der Erde über Äonen hinweg bewegt und kollidiert haben. Wenn Platten tief in den Mantel abtauchen, nehmen sie Teile der Erdkruste mit sich, was die chemische Zusammensetzung des darunter liegenden Gesteins verändert. Im Laufe der Zeit schuf dieser Prozess eine scharfe Trennung: Eine Seite des Planeten beherbergt einen „pazifischen“ Stil des Mantels, während die andere einen „afrikanischen“ Stil beherbergt. Die große Frage für Geologen war genau, wo diese unsichtbare Linie verläuft und wie sie sich verschoben hat, während die Kontinente drifteten und die Ozeane sich öffneten und schlossen.

Ein Team von Forschern hat nun diese Grenze durch die Gesteine des südwestlichen Pazifiks nachverfolgt, einer Region, in der die Erdkruste seit Millionen von Jahren gedehnt wird und aufbricht. Durch die Analyse der chemischen Fingerabdrücke alter Lavaproben vom Meeresboden fanden sie heraus, dass die Trennlinie zwischen diesen beiden Mantelwelten nicht fest an einem Ort ist. Stattdessen hat sie sich bewegt und entwickelt, geformt durch die komplexe Geschichte der Subduktionszonen, in denen eine Platte unter eine andere gleitet. Ihre Arbeit zeigt, dass die Grenze nicht nur eine einfache Linie auf einer Karte ist, sondern eine dynamische Zone, die ihre Position und Tiefe im Laufe der Zeit verändert hat und dabei eine klare Spur in den dort entstandenen Gesteinen hinterlassen hat.

Die Wissenschaftler konzentrierten ihre Studie auf eine Reihe von Becken im südwestlichen Pazifik, darunter das Tasmansee-Becken, das Korallenmeer und das Santa-Cruz-Becken. Diese Gebiete sind besonders, weil sie entstanden, als der urzeitliche Kontinent Zealandia und der australische Kontinent begannen, auseinanderzuziehen. Als das Land sich dehnte und der Meeresboden sich ausbreitete, stieg Magma aus der Tiefe der Erde auf, um die Lücken zu füllen und neues Gestein zu schaffen. Die Forscher sammelten Proben dieses Gesteins, wobei sie sich speziell auf mittelozeanische Rückenbasalte konzentrierten – dies ist der häufigste Typ von Lava auf dem Meeresboden – sowie auf ozeanische Inselbasalte, die den Laven vulkanischer Inseln wie Hawaii ähneln. Sie datierten diese Gesteine, um zu bestimmen, wann sie entstanden sind, wobei einige Proben so alt wie 84 Millionen Jahre und andere so jung wie 22 Millionen Jahre waren.

Um den Ursprung dieser Gesteine zu verstehen, massen die Forscher die Verhältnisse spezifischer Elemente in ihnen, wie etwa Strontium, Neodym, Blei und Hafnium. Diese Elemente fungieren wie ein chemischer Ausweis für die Quelle im Mantel. Die Forscher fanden ein klares Muster: Die Gesteine aus den älteren, kontinentalen Randbecken, die vor 84 bis 50 Millionen Jahren entstanden, trugen die chemische Signatur der „afrikanischen“ Manteldomäne. Dies galt auch deshalb, weil sich diese Becken in der Pazifikregion befinden. Im Gegensatz dazu zeigten die jüngeren Gesteine, die nach 50 Millionen Jahren in den östlicheren ozeanischen Becken entstanden, die deutliche Signatur des „pazifischen“ Mantels. Diese Verschiebung legt nahe, dass die Grenze zwischen den beiden Manteldomänen einst weiter östlich lag, direkt am Rand von Zealandia, bevor sie an ihre heutige Position wanderte.

Die Studie untersuchte auch die tieferen Teile des Mantels, indem sie Gesteine analysierte, die aus Hotspots entstanden – das sind Plumes aus heißem Material, die vom tiefsten Punkt des Mantels aufsteigen. Die Forscher fanden heraus, dass die Hotspots im Norden, wie die Tasmantid- und Lord-Howe-Ketten, Gesteine mit einer als EM-1 bekannten chemischen Signatur produzierten, die mit der angereicherten afrikanischen Manteldomäne assoziiert ist. Die Hotspots im Süden jedoch, nahe der Ränder von Zealandia und der Antarktis, produzierten Gesteine mit einer anderen Signatur namens HIMU, die mit dem tiefen pazifischen Mantel verknüpft ist. Dies deutet darauf hin, dass, während die obere Schicht des Mantels in dieser Region von der afrikanischen Art dominiert wurde, der tiefe Mantel darunter noch pazifischer Natur war. Die beiden Domänen waren übereinander gestapelt, was einen komplexen Schichtungseffekt erzeugte.

Eines der Schlüsselergebnisse der Arbeit ist, dass die Grenze zwischen diesen beiden Mantelwelten nicht durch die modernen Subduktionszonen definiert wird, die wir heute sehen. Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass die aktuelle Subduktionszone, in der die Pazifische Platte unter die Australische Platte abtaucht, die Trennlinie markierte. Die chemischen Belege aus den älteren Gesteinen zeigen jedoch, dass diese Linie einst viel weiter östlich, entlang des Kontinentalrandes von Zealandia, gelegen hatte. Die Forscher argumentieren, dass die Bewegung der Subduktionszone im Laufe der Zeit – insbesondere eine Umkehrung der Subduktionsrichtung vor etwa 50 Millionen Jahren – die Grenze nach Westen gedrückt hat. Diese Bewegung ermöglichte es dem pazifischen Mantel, in das Gebiet zu fließen, das zuvor von der afrikanischen Manteldomäne dominiert wurde.

Die Studie schließt zudem mehrere andere Erklärungen für die chemischen Unterschiede in den Gesteinen aus. Die Forscher erwogen, ob die Vermischung von Materialien aus subduzierten Sedimenten oder das Aufbrechen der alten kontinentalen Kruste die Muster erklären könnte, aber die Daten stützten diese Ideen nicht. Stattdessen deutet die Evidenz stark darauf hin, dass die Bewegung der Manteldomänen selbst der primäre Treiber ist. Die chemischen Signaturen sind zu deutlich und weit verbreitet, um das Ergebnis lokaler Kontamination oder kleinskaliger Vermischung zu sein. Die Muster legen einen großräumigen, globalen Prozess nahe, bei dem der tiefe Mantel seit Hunderten von Millionen Jahren in zwei distinkte Provinzen getrennt geblieben ist.

Durch die Kombination der chemischen Daten mit Modellen darüber, wie sich die Erdoberflächenplatten im Laufe der Zeit bewegt haben, konnten die Forscher die Geschichte dieser Grenze rekonstruieren. Sie schlagen vor, dass während der Zeit, als der Superkontinent Pangäa zusammenging, die langfristige Subduktion der Pazifischen Platte einen Ring aus angereichertem Mantel um den Pazifik schuf. Dieser Ring fungierte als Barriere, die die pazifischen und afrikanischen Manteldomänen getrennt hielt. Als die Kontinente auseinanderbrachen und die Subduktionszonen sich verschoben, bewegte sich die Grenze zwischen diesen Domänen, aber der grundlegende chemische Unterschied blieb bestehen. Die Studie liefert eine detaillierte Karte darüber, wie sich diese Grenze entwickelt hat, und zeigt, dass sie ein primäres Merkmal des Erdmantels ist, das mehrere Zyklen der Bildung und des Aufbruchs von Superkontinenten überdauert hat.

Die Auswirkungen dieser Arbeit erstrecken sich über das bloße Verständnis der Geschichte des südwestlichen Pazifiks hinaus. Sie bietet eine neue Sichtweise darauf, wie das Innere der Erde auf globaler Ebene funktioniert. Die Tatsache, dass diese Manteldomänen so lange unterscheidbar geblieben sind, deutet darauf hin, dass das Innere der Erde stabiler und organisierter ist als bisher angenommen. Die Bewegung der Grenze erfolgt nicht zufällig, sondern wird durch die großräumigen Kräfte der Plattentektonik angetrieben. Dies hilft Wissenschaftlern, die langfristige Entwicklung des Planeten und den Einfluss des tiefen Inneren auf die Oberfläche besser zu verstehen. Die Studie hebt zudem die Bedeutung hervor, sowohl die flachen als auch die tiefen Teile des Mantels zu betrachten, um ein vollständiges Bild zu erhalten, da die beiden Schichten unterschiedlich agieren können und jeweils unterschiedliche Teile der Geschichte erzählen.

Letztendlich zeichnet die Forschung das Bild einer dynamischen Erde, in der die Grenzen zwischen ihren internen Provinzen nicht festgeschrieben sind, sondern ständig durch die Bewegung der darüber liegenden Platten neu geformt werden. Die chemischen Fingerabdrücke in den Gesteinen des südwestlichen Pazifiks dienen als Zeitkapsel, die die Geschichte dieser Bewegungen und der Verschiebung der Manteldomänen bewahrt. Die Ergebnisse bestätigen, dass die Teilung zwischen dem pazifischen und dem afrikanischen Mantel eine reale, physische Grenze ist, die sich im Laufe der Zeit bewegt hat und eine klare Spur in den dort entstandenen Gesteinen hinterlassen hat. Diese Arbeit hilft dabei, die Lücken in unserem Verständnis des tiefen Inneren der Erde zu schließen und bietet eine klarere Sicht darauf, wie sich der Planet in den letzten mehreren hundert Millionen Jahren verändert hat.