Ich bekomme hier bei Eruptionen viele Fragen, aber eines der häufigsten Themen sind die Eigenschaften von Gesteinen – und insbesondere, warum sie dort schmelzen, wo sie schmelzen, um Magma zu produzieren? Es gibt viele falsche Vorstellungen über das Innere der Erde, nämlich dass die tektonischen Platten, die unsere Heimat sind (sowohl die kontinentalen als auch die ozeanischen), auf einem „Meer aus Magma“ sitzen, das den Erdmantel bildet. Wie ich bereits gesagt habe, ist der Erdmantel, die Schicht aus Silikatgestein, die in ~10-70 km Tiefe beginnt und bis zum äußeren Kern in ~2900 km Tiefe reicht und einen großen Teil des Planeten ausmacht, nicht geschmolzen, sondern ein Feststoff, der sich plastisch verhalten kann. Das bedeutet, dass er fließen und konvektieren kann, was eine der Möglichkeiten ist, die Geologen für die Entstehung und Aufrechterhaltung von Plattenbewegungen angenommen haben. Wie wir jedoch wissen, sind die Gesteine im Erdinneren vollständig geschmolzen. Wie kann also ein so großer Teil des Planeten fest sein, aber einige Teile davon auch schmelzen?
Diese Skizze veranschaulicht, warum Gestein auf der Erde schmilzt. Die Geothermie (durchgezogene Linie) legt nahe, dass Gestein nicht schmelzen sollte, da es den trockenen Mantel-Solidus (den Punkt, an dem Mantelgestein allein durch Erwärmung schmelzen würde) nicht überschreitet. Durch die Zugabe von Wasser wird der Solidus auf den feuchten Mantel-Solidus (kurze gestrichelte Linie) verschoben. Wird der Mantel bei konstanter Temperatur dekomprimiert, kann der Mantel den Solidus überschreiten, wenn der Mantel aufsteigt (dicke durchgezogene Linie). Siehe Text für weitere Einzelheiten. Bild: Erik Klemetti
Es beginnt mit der Frage „Wie schmilzt man ein Gestein“? Die einfachste Antwort, die einem in den Sinn kommt, lautet: „Erhöhen Sie die Temperatur!“. Das ist es, was mit Eis passiert – es ist festes Wasser, das schmilzt, wenn die Temperatur über 0ºC/32F liegt. Wenn es jedoch um Gestein geht, stoßen wir auf ein Problem. Die Erde ist eigentlich nicht heiß genug, um Mantelgestein zu schmelzen, das die Quelle von Basalt an den mittelozeanischen Rücken, Hotspots und Subduktionszonen ist. Wenn wir davon ausgehen, dass der Mantel, der schmilzt, aus Peridotit* besteht, liegt der Solidus (der Punkt, an dem das Gestein zu schmelzen beginnt) bei ~2000ºC in 2o0 km Tiefe (im oberen Mantel). Modelle für den geothermischen Gradienten (wie heiß es mit der Tiefe wird; siehe oben) auf der Erde, wenn man durch die Kruste in den oberen Erdmantel hinabsteigt, legen die Temperatur in 200 km Tiefe irgendwo zwischen 1300 und 1800 ºC fest, also weit unter dem Schmelzpunkt von Peridotit. Wenn es also nach oben hin kühler ist, warum schmilzt dann dieser Peridotit und bildet Basalt?
Nun, an dieser Stelle muss man aufhören, darüber nachzudenken, wie man das Gestein bis zum Schmelzen erhitzt, sondern vielmehr, wie man den Schmelzpunkt (Solidus) des Gesteins verändert. Denken Sie an unsere Eis-Analogie. Im Winter gibt es viele Momente, in denen man das Eis gerne loswerden würde
Skizze zum Schmelzen in einer Subduktionszone. Wasser aus der absteigenden Platte wird bei der Erwärmung in der Tiefe freigesetzt, wodurch der Mantel über der Platte teilweise schmilzt und sich Basalt bildet. Bild: Erik Klemetti
Eis, aber die Umgebungstemperatur ist niedriger als die Lufttemperatur. Was kann man also tun? Eine Lösung besteht darin, das Eis bei einer niedrigeren Temperatur zum Schmelzen zu bringen, indem man die Bindung zwischen den H2O-Molekülen unterbricht – und so die Bildung von starrem Eis verhindert. Salze sind ein hervorragendes Mittel, um diese Bindung zu unterbrechen. Werfen Sie also etwas NaCl oder KCl auf das Eis, und es schmilzt bei einer niedrigeren Temperatur als 0 ºC. Für ein Gestein verhält sich Wasser wie sein Salz. Wenn man einem Mantelperidotit Wasser hinzufügt, schmilzt er bei einer niedrigeren Temperatur, weil die Bindungen in den Mineralien, aus denen das Gestein besteht, durch das Wassermolekül unterbrochen werden (wir nennen es einen „Netzwerkmodifikator“). In einer Subduktionszone (wie den Kaskaden oder den Anden), wo eine ozeanische Platte unter eine andere Platte rutscht, gibt diese Platte ihr Wasser ab, während sie sich erwärmt. Dieses Wasser steigt dann in den darüber liegenden Mantel auf, wodurch dieser bei einer niedrigeren Temperatur schmilzt, und – zack – entsteht Basalt in einem Prozess, der als Fluxschmelze bezeichnet wird.
Skizze zur Veranschaulichung des Dekompressionsschmelzens am mittelozeanischen Rücken. Warmer, fruchtbarer Mantel steigt auf, schmilzt teilweise zu Basalt und bewegt sich dann beim Abkühlen seitlich vom Rücken weg. Bild: Erik Klemetti
Warten Sie! Das größte Vulkansystem der Erde ist das System der mittelozeanischen Rücken, bei dem es keine Subduktion gibt, die Wasser in den Erdmantel bringt, um das Schmelzen zu fördern. Wie kommt es nun zu Basalt dort? Dieses Mal müssen wir eine andere Methode anwenden, um den Peridotit zu schmelzen – wir müssen ihn bei konstanter Temperatur dekomprimieren. Dies wird als adiabatischer Aufstieg bezeichnet. Der Mantel ist in Konvektion, d. h. er bringt heißen Mantel aus der Tiefe an die Oberfläche, und dabei bleibt das Mantelmaterial heiß, heißer als das umgebende Gestein. Der Schmelzpunkt (Solidus) von Peridotit ändert sich mit dem Druck, so dass der Schmelzpunkt von 2000 ºC in 200 km Tiefe nur noch ~1400 ºC in 50 km Tiefe beträgt. Wenn man also das Mantelmaterial heiß hält und es dekomprimiert, schmilzt es und bildet Basalt! Unterhalb mittelozeanischer Rücken (und an Hotspots wie Hawaii) ist der Mantel also aufgewirbelt, was zu Dekompressionsschmelzen führt.
Wir fassen zusammen: Unter normalen Bedingungen sollte Mantelgestein wie Peridotit im oberen Erdmantel nicht schmelzen – es ist einfach zu kalt. Durch Zugabe von Wasser kann man jedoch den Schmelzpunkt des Gesteins senken. Alternativ kann man das Gestein durch Dekomprimierung auf einen Druck bringen, bei dem der Schmelzpunkt niedriger ist. In beiden Fällen bildet sich Basaltmagma, und da es heißer und weniger dicht ist als das umgebende Gestein, sickert es an die Oberfläche … und ein Teil davon bricht aus!
*Der Mantel ist definitiv nicht homogen, aber für unsere Zwecke sind wir an dem interessiert, was wir „fruchtbaren Mantel“ nennen – das heißt, ein Mantel, der noch nicht geschmolzen ist und basaltische Flüssigkeit produzieren kann.