Carbonatite melt pathways connect the deep mantle to Archean craton margins
Diese Studie nutzt langperiodische magnetotellurische Daten, um elektrisch leitfähige, anisotrope Strukturen unter dem Gawler-Kraton zu identifizieren, die als Beleg für tiefe Mantel-Karbonatit-Schmelzen dienen, welche flüchtige Stoffe und Seltenerdelemente zu den Kratonrändern transportieren, wo exsolviertes Graphit niederohmige Signaturen an der Moho erzeugt.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Tief unter der Erdoberfläche bewegt ein verborgener Kreislauf Kohlenstoff aus dem Inneren des Planeten zurück an die Oberfläche, ein Prozess, der seit Milliarden von Jahren aktiv ist. Dieser Kreislauf ist entscheidend, da er die Chemie unserer Atmosphäre und Ozeane reguliert, aber der Mechanismus, durch den Kohlenstoff aus dem tiefen Erdmantel nach oben in die Kruste reist, blieb rätselhaft. Wissenschaftler wissen, dass kohlenstoffreiche Gesteine in Subduktionszonen in die Erde gezogen werden, wo eine tektonische Platte unter eine andere gleitet. Ein Teil dieses Kohlenstoffs wird früh im Prozess freigesetzt, aber ein bedeutender Teil wird vermutet, viel tiefer zu reisen, getragen von einer speziellen Art von geschmolzenem Gestein, das Carbonatit genannt wird. Diese Schmelzen sind einzigartig, da sie reich an Kohlenstoff sind und seltene Elemente sowie Gase lösen und transportieren können. Es ist jedoch unglaublich schwierig, diese winzigen Taschen von Schmelzen tief unter der Erde zu sehen. Sie sind zu klein, um direkt gesehen zu werden, und die Signale, die sie an die Oberfläche senden, können leicht mit anderen Materialien, wie etwa wasserreichen Mineralien, verwechselt werden.
Ein Forschungsteam der Universität Adelaide hat nun eine leistungsstarke Methode namens Magnetotellurik genutzt, um in diese verborgene Welt unter dem Gawler-Kraton in Südaustralien zu blicken. Dieser alte Gesteinsblock, bekannt als Kraton, bildet den stabilen Kern des Kontinents. Die Wissenschaftler installierten ein Netzwerk von Sensoren in der Landschaft, um natürliche elektrische Ströme zu messen, die durch die Erde fließen. Durch die Analyse, wie sich diese Ströme im Laufe der Zeit verändern, konnten sie eine detaillierte dreidimensionale Karte der elektrischen Leitfähigkeit tief unter der Erde erstellen. Ihr Ziel war es, die Signatur jener schwer fassbaren Carbonatit-Schmelzen zu finden und zu verstehen, wie sie sich durch die Erdkruste und den Erdmantel bewegen.
Die Forscher entdeckten eine auffällige Anomalie tief unter dem Zentrum des Gawler-Kratons. In einer Tiefe von etwa 180 Kilometern, genau an der Grenze, wo die starre äußere Hülle der Erde auf den fließenden Mantel darunter trifft, fanden sie eine Gesteinsschicht, die außergewöhnlich leitfähig ist. Diese Schicht ist etwa 1.000 Mal leitfähiger als das Gestein unmittelbar darüber. Das Team fand heraus, dass diese leitfähige Schicht nicht gleichmäßig ist; sie ist hochgradig gerichtet und leitet Elektrizität in einer spezifischen Richtung viel leichter als in andere Richtungen. Diese gerichtete Eigenschaft, bekannt als Anisotropie, deutet darauf hin, dass das leitfähige Material nicht nur ein zufälliger Klumpen Flüssigkeit ist, sondern in dünnen, ausgerichteten Kanälen organisiert ist.
Die Autoren argumentieren, dass die wahrscheinlichste Erklärung für diese leitfähige, gerichtete Schicht eine winzige Menge Carbonatit-Schmelze ist. Sie schätzen, dass ein Volumen an Schmelze von nur 0,05 Prozent – etwa so groß wie ein paar Tropfen Wasser in einem großen Eimer – ausreicht, um das von ihnen beobachtete elektrische Signal zu erzeugen. Dieser kleine Anteil an Schmelze reicht aus, um den elektrischen Widerstand des Gesteins drastisch zu senken, da die Schmelze ein zusammenhängendes Netzwerk entlang der Grenzen der Mineralkörner bildet. Die Forscher schlossen die Möglichkeit explizit aus, dass wasserreiche Mineralien allein dafür verantwortlich sein könnten. Zwar kann Wasser das Gestein leitfähiger machen, aber das gemessene Niveau der Leitfähigkeit ist viel zu hoch, um allein durch Wasser erklärt werden zu können, selbst wenn das Gestein damit gesättigt wäre. Sie erwogen auch die Möglichkeit von fluoridreichen Mineralien, aber die Beweise deuten stärker auf das Vorhandensein einer kohlenstoffreichen Schmelze hin.
Die Studie enthüllte auch ein zweites, verwandtes Phänomen nahe der Ränder dieses alten Kratons. An der Grenze zwischen Kruste und Mantel, etwa 40 Kilometer tief, fanden die Forscher eine weitere Zone niedrigen elektrischen Widerstands. Im Gegensatz zum tiefen Mantelleiter ist diese Zone weniger gerichtet. Das Team interpretiert dies als einen Ort, an dem Kohlenstoff, nachdem er von den tiefen Schmelzen nach oben getragen wurde, freigesetzt und in Graphit umgewandelt wurde. Während die kohlenstoffreichen Fluide nach oben stiegen und abkühlten, fiel der Kohlenstoff aus der Lösung aus und bildete festen Graphit, welcher ein exzellenter Stromleiter ist. Dieser Prozess schuf eine beständige, leitfähige Schicht in der unteren Kruste, die seit Milliarden von Jahren stabil geblieben ist.
Diese Entdeckung deutet auf eine kontinuierliche Verbindung zwischen dem tiefen Erdmantel und der Erdoberfläche hin. Die Forscher schlagen vor, dass antike tektonische Ereignisse, speziell die Subduktion ozeanischer Platten vor etwa 1,6 Milliarden Jahren, kohlenstoffreiches Material tief in den Erdmantel gedrückt haben. Dieses Material erzeugte kleine Mengen an Carbonatit-Schmelze, die in Kanälen an der Basis des Kratons gefangen wurden. Im Laufe der Zeit wanderte ein Teil dieser Schmelze zu den Rändern des Kratons, wo sie in die Kruste aufstieg und dabei Graphitablagerungen hinterließ. Dieser Pfad erklärt nicht nur die elektrischen Signale, sondern liefert auch einen Mechanismus dafür, wie Kohlenstoff und andere wertvolle Elemente, wie sie in bedeutenden Mineralvorkommen wie dem Olympic Dam zu finden sind, in die Erdkruste transportiert und konzentriert wurden. Die Ergebnisse bieten einen seltenen Einblick in einen tiefen Erdprozess, der die Chemie und den mineralischen Reichtum des Planeten seit dem Beginn des komplexen Lebens gestaltet.
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