Manchmal ist Forschung nicht nur im übertragenen Sinne ein Abenteuer. Gegen einen aufkommenden Sturm in der Südsee westwärts stampfend, wurde das australische Forschungsschiff "Rig Seismic" (Bild 2) 1985 von einem Brecher so schwer getroffen, daß sich der Anker losriß und den Bug durchschlug. Hohe Wellen fluteten das Vorschiff. So mußte die Fahrt zum Kerguelen-Plateau, einer erhöhten Meeresbodenregion vor der Antarktis, erst einmal unterbrochen werden, bis die Besatzung den Anker gesichert und das Leck zugeschweißt hatte. Einige Tage später konnte die Expedition, an der auch einer von uns (Coffin) teilnahm, dann doch noch die Instrumente in Stellung bringen und mit der Datensammlung beginnen. Ziel der Reise war es, durch seismische Sondierung des Ozeanbodens Entstehung und Geschichte des riesigen Unterwasser-Plateaus südöstlich von Afrika zu ergründen.

Im selben Jahr fuhr auf der anderen Erdhalbkugel die "JOIDES Resolution", ein schwimmendes erdwissenschaftliches Laboratorium und Bohrschiff, nordwärts über den stürmischen Nordatlantik zum Vøring-Plateau vor der norwegischen Küste (Bild 2). Diese Expedition unter der Leitung von einem von uns (Eldholm) und von Jörn Thiede vom Institut für Meereskunde an der Universität Kiel galt den Strukturen, die entstehen, wenn Kontinente zerbrechen und sich ein Meeresbecken öffnet. Zur Verblüffung der meisten Kollegen gelang es den Forschern, unter 300 Meter mächtigen Lockersedimenten fast einen Kilometer tief im Boden Kernproben aus Vulkangestein zu gewinnen.

Obwohl die beiden Plateaus einige tausend Kilometer voneinander entfernt sind und sich jeweils in einem ganz anderen geologischen Umfeld befinden, stießen wir auf grundlegende Gemeinsamkeiten. In Verbindung mit seismischen Daten und Bohrkernanalysen vieler anderer Forscher haben unsere Funde dokumentiert, daß das Kerguelen-Plateau und der vulkanische Kontinentalrand vor Norwegen zu einer Gruppe von riesigen magmatischen Oberflächenformen gehören, die allgemein als große Eruptivprovinzen bezeichnet werden (Bild 1). Trotz ihrer Ausdehnung von bis zu einigen Millionen Quadratkilometern scheinen diese Strukturen nach geologischen Maßstäben sehr rasch gebildet worden zu sein.

Die Schübe eruptiver Aktivität, bei denen sich Unmengen von Lava in kürzester Zeit über derart gewaltige Flächen ergossen, könnten Chemie und Zirkulation von Ozean und Atmosphäre wesentlich beeinflußt haben – mit einschneidenden Folgen für die Lebensbedingungen. Vielleicht trugen sie so zu den massenhaften Artensterben bei, die sich im Verlauf der Erdgeschichte wiederholt ereignet haben – einschließlich desjenigen, bei dem vor ungefähr 65 Millionen Jahren die Saurier verschwanden. Andere Umweltänderungen könnten dagegen die Entstehung neuer Arten begünstigt und damit die biologische Vielfalt gefördert haben.

Plateaubasalte

Die Entdeckung großer Eruptivprovinzen hat die Geophysiker dazu gezwungen, ihre Vorstellungen von der Struktur des Erdinneren zu überdenken. Die Theorie der Plattentektonik bietet zwar eine gute Erklärung für die langsame, stetige vulkanische Aktivität an mittelozeanischen Rücken (wo neue ozeanische Kruste entsteht) und in der Nähe von Subduktionszonen (wo alte, kühle und dadurch kompakte Abschnitte des Ozeanbodens zurück in das heiße Erdinnere sinken). Die plötzlichen Ausbrüche, die erforderlich sind, um große Eruptivprovinzen zu schaffen, sind damit jedoch nicht ohne weiteres zu verstehen. Wenn auch die Gesteine solcher Provinzen in ihrer Zusammensetzung im allgemeinen den Laven gleichen, die am mittelozeanischen Rücken austreten, sind doch ihr Gehalt an Spurenelementen und das Verhältnis der atomaren Isotope völlig anders. Außerdem ereignen sich solche Eruptionen manchmal auch inmitten der normalerweise ruhigen Krustenplatten.

In den sechziger Jahren entwickelten J. Tuzo Wilson von der Universität Toronto (Ontario) und später W. Jason Morgan von der Princeton-Universität (New Jersey) ein Modell zur Erklärung dieses Phänomens. Danach zirkuliert der zwischen Kruste und Kern gelegene Erdmantel auf zwei verschiedene Arten.

Vorherrschend ist eine großräumige walzenartige Konvektionsströmung, die – angetrieben von dem Temperaturgefälle zwischen Ober- und Unterseite des Mantels – Krustenplatten über die Erdoberfläche schiebt und Kontinente zum Driften bringt. Doch etwa ein Zehntel der Wärme, die heute aus dem Mantel entweicht, tut dies in Form tiefwurzelnder, pilzartiger Ströme aus überdurchschnittlich heißem Material, die wie Rauchsäulen in der Luft durch den Mantel aufsteigen (Bild 3 links). Wenn ein solcher Plume die Untergrenze der Lithosphäre (der festen äußeren Erdschale, zu der die Kruste und der oberste Teil des Mantels gehören) erreicht, schmilzt er bei dem niedrigeren Druck, der dort herrscht, teilweise auf. Das entstehende Magma dringt nach oben und erzeugt an einem sogenannten heißen Fleck (Hot Spot) langanhaltende vulkanische Aktivität. Im Gegensatz zu der langsamen, stetigen Kontinentaldrift und der Spreizung des Meeresbodens (dem Seafloor Spreading) an den mittelozeanischen Rücken vollzieht sich der Aufstieg von Mantelplumes unregelmäßig und schubweise. So kann das Magma zum Teil als gewaltige Lavaflut austreten.

Alle Modelle der inneren Struktur der Erde sind aus Messungen an der Oberfläche erschlossen. Selbst die tiefsten Bohrlöcher reichen nicht viel weiter als zehn Kilometer unter Tage. Direkte und indirekte Untersuchungen großer Eruptivprovinzen sind aus diesem Grund höchst bedeutsam für ein besseres Verständnis der Mantelplumes und ihres möglichen Einflusses auf die Bedingungen an der Erdoberfläche.

Die grundlegende Gemeinsamkeit dieser Provinzen ist, daß sie aus Basalt bestehen, einem häufigen Gestein mit hohem Gehalt an Eisen und Magnesium. Wo solche Formationen innerhalb eines Kontinents auftreten, so daß man leicht Proben nehmen und deren Zusammensetzung bestimmen kann, sind sie daher als kontinentale Plateau-, Decken- oder Flutbasalte bekannt. An den Kontinentalrändern werden Eruptivprovinzen als passive vulkanische Ränder bezeichnet. Wenn sie sich inmitten eines Ozeans befinden, nennt man sie ozeanische Plateaus.

Geologen erkannten die Existenz kontinentaler Plateaubasalte bereits Ende des 19. Jahrhunderts, als ihnen an mehreren ausgedehnten vulkanischen Formationen klar wurde, daß es miteinander verbundene basaltische Lavaströme waren. Zu den spektakulärsten zählen die Dekkan-Trapps im westlichen Zentralindien. (Trapp ist das holländische Wort für Treppe und bezieht sich auf das stufenförmige Erscheinungsbild der erodierten Laven.) Weitere Beispiele sind die Columbia-River-Basalte im Nordwesten der USA, die Lava-Ergüsse im Nordatlantik (Britische Inseln, Färöer und Grönland) und die Karoo-Basalte in Südafrika, um nur einige zu nennen. Die Lavaschichten in einem Plateaubasalt bilden mehrere Kilometer mächtige Stapel. Dabei können die einzelnen Ströme einige tausend Kubikkilometer Gestein enthalten und sich über Hunderte von Kilometern erstrecken.

Weil untermeerische Eruptivprovinzen nur schwer zugänglich sind, wurde ihre Ähnlichkeit mit den kontinentalen Plateaubasalten erst vor kurzem erkannt. Im Jahre 1981 schloß Karl Hinz von der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe in Hannover aus der Analyse von Aufzeichnungen reflektierter seismischer Wellen, daß die untergetauchten Ränder vieler Kontinente wohl ausgedehnte, geschichtete Lavaströme enthielten. Verbesserte seismische Daten, die seither gewonnen wurden, scheinen diese Annahme zu bestätigen. Auch Gesteinsproben, die im Rahmen wissenschaftlicher Projekte auf den Kontinentalrändern vor Irland und Norwegen erbohrt wurden, belegen den vulkanischen Ursprung der auf den seismischen Aufnahmen erkennbaren besonderen Strukturen.

Analoge seismische Studien vom Kerguelen-Plateau lieferten überzeugende Hinweise, daß ozeanische Plateaus gleichfalls vorwiegend aus Vulkangestein bestehen. Wissenschaftler an Bord der "JOIDES Resolution" haben 1988 vom Kerguelen- und 1990 vom Ontong-Java-Plateau – es liegt im Pazifik nordöstlich von Australien – direkt Gesteinsproben gewonnen, deren Zusammensetzung derjenigen von kontinentalen Plateaubasalten ähnelt.

Das Magmavolumen

Wie entstehen derart gewaltige vulkanische Formationen? Die wichtigste Voraussetzung zur Beantwortung dieser Frage wären Informationen über das Gesamtvolumen und die Bildungsgeschwindigkeit von Lava und Intrusivgesteinen in Eruptivprovinzen. Leider gibt es darüber jedoch kaum sichere Erkenntnisse. An Land kann man zwar zumindest die Ausdehnung von Plateaubasalten direkt messen, aber selbst hier läßt sich die Tiefe nur indirekt ermitteln, weil ausschließlich die obersten Schichten der bei Kontinenten durchschnittlich 35 Kilometer dicken Erdkruste der Erforschung zugänglich sind. Unter den Ozeanen ist die Lage noch schwieriger. Selbst zum Beproben der obersten Abschnitte der 5 bis 25 Kilometer dicken Kruste, in der sich die ozeanischen Plateaus befinden, braucht man ein teures Bohrschiff.

Auch die Zeit verschleiert die wahre Ausdehnung alter vulkanischer Strukturen. Die älteren Eruptivprovinzen sind oft stark erodiert und dadurch sowohl in ihrer Form verändert als auch verkleinert. So schätzt John J. Mahoney von der Universität von Hawaii in Honolulu, daß die Dekkan-Trapps ursprünglich ein dreimal so großes Gebiet bedeckten. Außerdem wurden in den 65 Millionen Jahren seit ihrer Entstehung durch das Seafloor Spreading offenbar Teile der Originallaven von Indien aus weit nach Süden und Südwesten bis zu den Seychellen, dem Maskarenen-Plateau und dem Chagos-Lakkadiven-Rücken verfrachtet.

Submarine vulkanische Kontinentalränder und ozeanische Plateaus sind in ähnlicher Weise umgestaltet worden. Wie Bohrproben und seismische Reflexionsbilder der Eruptivprovinz am norwegischen Kontinentalrand und des Kerguelen-Plateaus zeigen, lagen diese Formationen zum Zeitpunkt der ersten Eruptionen über dem Meeresspiegel und sind erst später untergetaucht. Nach Schätzungen von einem von uns (Coffin) ragten das Kerguelen- und das benachbarte Broken-Ridge-Plateau ebenso wie die meisten anderen ozeanischen Rücken im Indischen Ozean sogar 50 Millionen Jahre lang aus dem Meer heraus und boten der Erosion damit reichlich Zeit für ihr Zerstörungswerk.

Trotz alledem ist es uns gelungen, für die fünf am besten untersuchten Eruptivprovinzen die ursprünglich von Lava bedeckte Fläche auszumachen. Dabei handelt es sich um die ozeanischen Ontong-Java- und Kerguelen-Broken-Ridge-Plateaus, die vulkanischen Ränder des Nordatlantik und die kontinentalen Plateaubasalte der Dekkan-Trapps und des Columbia River. Die kleinste dieser Provinzen, die Formation der Columbia-River-Basalte, umfaßt immer noch ein Gebiet, das um einiges größer ist als die ehemalige DDR samt Berlin; die größte, das Ontong-Java-Plateau, hat zwei Drittel der Größe Australiens.

Um Fläche und Volumen dieser Eruptivprovinzen genauer berechnen zu können, mußten die Geologen analoge Strukturen untersuchen, deren Entstehung wir heute miterleben. Allerdings reicht keine der derzeit tätigen vulkanischen Regionen im Umfang auch nur annähernd an die erloschenen riesigen Eruptivprovinzen heran. So haben die aktivsten Hot Spots (Hawaii und die östlich von Madagaskar gelegene Insel Reunion) nur etwa ein Fünftel der Ausdehnung der Columbia-River-Basalte. Dennoch trugen Untersuchungen der Krustenstruktur unter Hawaii wesentlich zum allgemeinen Verständnis von Hot Spots bei.

Im Jahre 1982 zeichneten Anthony B. Watts, Uri S. ten Brink und ihre Mitarbeiter am geowissenschaftlichen Lamont-Doherty-Observatorium der Columbia-Universität in Palisades (New York ) die Echos künstlich erzeugter Schallwellen auf, die unter den Inseln und Tiefseebergen des Hawaii-Archipels gebrochen und reflektiert worden waren. Die Laufzeit solcher Wellen hängt von physikalischen Eigenschaften des Gesteins wie Dichte und Elastizitätsmodul ab. Wo immer sich diese Parameter ändern, werden die seismischen Wellen abgelenkt.

Wie die Analyse der Daten ergab, entstanden die Hawaii-lnseln, als basaltisches Magma in die ozeanische Kruste eindrang und sich auf deren Oberfläche ansammelte. Doch enthalten diese Oberflächenlaven offenbar nicht das gesamte Material, das zum Aufbau der Inseln beigetragen hat. Unter den vom Meeresboden aufsteigenden Bergkegeln befindet sich jeweils eine anomale Gesteinszone, in der sich Kompressionswellen besonders schnell ausbreiten. Vermutlich stammt das Material dieser Gesteinskörper großenteils aus derselben Quelle im Mantel wie der gesamte Archipel und ist nur statt auszutreten einfach unterirdisch erstarrt. Mit den derzeitigen Untersuchungsmethoden läßt sich allerdings nicht exakt feststellen, wieviel magmatisches Gestein die seismisch anomale Zone enthält. Berechnungen der Menge an Mantelplume-Material in der Inselkette von Hawaii liefern deshalb stets nur Minimalwerte.

Dennoch konnten wir eine grundlegende Beziehung zwischen dem Verteilungsmuster der seismischen Geschwindigkeit (sowie anderer geophysikalischer Daten) und dem gesamten Gesteinsvolumen der Hawaii-Inseln herstellen. Anhand dieser Beziehung schätzten wir dann die Menge an vulkanischem Material in verschiedenen alten großen Eruptivprovinzen ab. Demnach enthält selbst das kleine Columbia-River-Plateau ungefähr 1,3 Millionen Kubikkilometer Gestein. Bei der riesigen Ontong-Java-Provinz sind es sogar mindestens 36 Millionen Kubikkilometer – genug, um das zusammenhängende Staatsgebiet der USA unter fünf Kilometern Basalt zu begraben.

Die Bildungsgeschwindigkeit

Eine wichtige Größe zum Verständnis von Herkunft und Bedeutung der Eruptivprovinzen ist auch ihre Bildungsgeschwindigkeit. Bauten sie sich über Jahrmillionen hinweg langsam und stetig auf, ähnlich wie sich an mittelozeanischen Rücken neue Kruste bildet? Oder entstammen sie vulkanischen Katastrophen wahrhaft apokalyptischen Ausmaßes, bei denen sich an einer Stelle buchstäblich die Erde auftat und so rasch und in solchen Mengen heiße Gase, glutflüssige Lava und Asche ausspie, daß nach kürzester Zeit ein Millionen Quadratkilometer großes Areal unter Mantelgestein begraben war?

Große Anstrengungen wurden unternommen, um diese Frage für die Dekkan-Trapps zu beantworten. Dieser Plateaubasalt ist von besonderem Interesse, weil er vor rund 65 Millionen Jahren ausgetreten ist – also etwa gleichzeitig mit dem großen Artensterben am Ende der Kreidezeit, weshalb vielfach ein Zusammenhang zwischen beiden Ereignissen vermutet wurde (siehe "Die Kreide-Tertiär-Wende: verheerender Vulkanismus?" von Vincent E. Courtillot, Spektrum der Wissenschaft, Dezember 1990, Seite 60). Robert A. Duncan von der Oregon State University in Corvallis hat zusammen mit Vincent E. Courtillot und Didier Vandamme vom Geophysikalischen Institut in Paris und verschiedenen anderen Kollegen Proben aus den Dekkan-Trapps radiologisch datiert und auf ihren Magnetismus untersucht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, daß die meisten Laven innerhalb von weniger als einer Million Jahren ausgeflossen sind. Mit ähnlichen Methoden fand Ajoy K. Baksi von der Louisiana State University in Baton Rouge heraus, daß auch ein Großteil der Columbia-River-Plateaubasalte innerhalb von nur eineinhalb Millionen Jahren austrat.

Von submarinen vulkanischen Kontinentalrändern und ozeanischen Plateaus gibt es nur wenige Gesteinsproben, aus denen Alter und Bildungsgeschwindigkeit ableitbar wären. Was an spärlichen Befunden bisher vorliegt, läßt dennoch darauf schließen, daß diese Formationen sich ähnlich schnell wie die an Land gebildet haben. So ist nach Schätzungen von einem von uns (Eldholm) ein Großteil der vulkanischen Provinz im Nordatlantik innerhalb von maximal drei Millionen Jahren entstanden. Desgleichen sind John A. Tarduno und seine Mitarbeiter an der Scripps Institution of Oceanography in La Jolla (Kalifornien) gemeinsam mit Mahoney zu dem Schluß gekommen, daß der Aufbau der Ontong-Java-Provinz weniger als drei Millionen Jahre dauerte. Unsere Analyse von Gesteinsdatierungen, die Hugh Davies vom australischen Geologischen Dienst und Hubert Whitechurch von der Universität Straßburg vorgenommen hatten, legt schließlich nahe, daß sich auch das Kerguelen-Plateau im wesentlichen innerhalb von nur viereinhalb Millionen Jahren gebildet hat.

Für geologische Verhältnisse entwickelten sich die größten Eruptivprovinzen also ungewöhnlich schnell. Im Vergleich dazu dauerte es zum Beispiel mehr als 40 Millionen Jahre, bis sich die Rocky Mountains aufgefaltet hatten, und die Kette der Hawaii-Inseln einschließlich der Emperor-Tiefseeberge hat mindestens 70 Millionen Jahre zum Entstehen gebraucht. Überdies entlud sich die vulkanische Aktivität, bei der die Eruptivprovinzen geschaffen wurden, möglicherweise in kurzen heftigen Schüben, die durch Jahrtausende relativer Ruhe getrennt waren.

Nachdem wir eine Vorstellung vom Gesamtvolumen der in den größten Eruptivprovinzen freigesetzten Gesteinsschmelze und von der Dauer der Eruptionen gewonnen hatten, konnten wir schließlich das Ausmaß der vulkanischen Kräfte ableiten, die damals wirksam waren. Demnach förderten die Eruptionen, die das Ontong-Java-Plateau aufbauten, zwischen zwölf und fünfzehn Kubikkilometer Vulkangestein pro Jahr; beim Dekkan-Vulkanismus waren es zwei bis acht Kubikkilometer. Wenn die Eruptivprovinzen – wie beim Vulkanismus üblich – schubweise gebildet wurden, könnten in manchen Jahren sogar noch wesentlich größere Lavamengen ausgetreten sein. Um eine Bezugsgröße zu nennen: Roger L. Larson von der Universität von Rhode Island in Kingston schätzt, daß an dem 75 000 Kilometer langen Netz mittelozeanischer Rücken innerhalb der letzten 150 Millionen Jahre insgesamt nur zwischen 16 und 26 Kubikkilometer ozeanische Kruste pro Jahr erzeugt wurden. Einzelne Eruptivprovinzen haben seinerzeit also soviel oder sogar mehr neue Kruste pro Zeiteinheit geschaffen wie das weltweite Seafloor-Spreading-System.

Die Magmaquelle im Erdinneren

Gemessen an den trägen Bewegungen tief im Erdinneren sind große Eruptivprovinzen so rasch entstanden, daß ihr Material aus einzelnen, klar abgegrenzten Quellen stammen muß. Wenn man ihr Gesteinsvolumen kennt, kann man die Abmessungen der heißen Plumes im Mantel abschätzen, von denen sie aufgebaut wurden.

Nun schmilzt allerdings nur ein Teil des Plume-Materials tatsächlich und erreicht die Kruste. Außerdem ist der Aufschmelzungsgrad vermutlich in größeren Tiefen geringer, wo hoher Druck die Mantelgesteine im festen Zustand hält. Deshalb sollte sich unter der dicken kontinentalen Lithosphäre weniger Gestein verflüssigen als unter der dünnen ozeanischen. Stephen M. Eggins von der australischen Nationaluniversität in Canberra und Shen-Su Sun vom australischen Geologischen Dienst schätzen, daß der geschmolzene basaltische Anteil eines Plumes (der für den Vulkanismus und die magmatischen Intrusionen unter der Oberfläche verantwortlich ist) nur etwa 5 bis 30 Prozent seines Gesamtvolumens ausmacht.

Anhand dieser Zahlen berechneten wir für die fünf am besten erforschten Eruptivprovinzen jeweils das Ausmaß der thermischen Anomalie im Mantel, der sie ihre Entstehung verdankten (Bild 3 rechts ). Zur Vereinfachung nahmen wir an, daß die aufsteigenden Plumes im wesentlichen kugelförmig sind; denn eine solche Form stellt die effizienteste Art dar, Material zu transportieren, und erklärt den langsamen Aufstieg der Plumes durch das Erdinnere. Unsere Analyse legt nahe, daß die Ontong-Java-Provinz einem Mantelplume entsprungen ist, der mindestens 600 Kilometer und vielleicht sogar 1400 Kilometer Durchmesser hatte.

Diese Größe hat für Geologen eine besondere Bedeutung. Demnach müssen große Plumes nämlich zumindest einiges an Material aus dem unteren Mantel enthalten, der 670 Kilometer unter der Erdoberfläche beginnt. In dieser Tiefe ändert sich die Geschwindigkeit seismischer Wellen abrupt – vielleicht wegen einer druckbedingten Umwandlung der Mineralstruktur des Mantelgesteins. Die Frage, ob sich der gesamte Mantel vermischt oder ob der untere und der obere Teil als unabhängige Systeme getrennt voneinander zirkulieren, ist unter Geophysikern heftig umstritten.

Auf Grund unserer Arbeiten favorisieren wir Modelle, die zumindest einen gewissen Austausch zwischen unterem und oberem Mantel erlauben. Wir meinen, daß die größten Plumes aus dem unteren Mantel stammen – höchstwahrscheinlich aus der D"-Schicht, einer Region mit ungewöhnlichen seismischen Eigenschaften, die direkt über dem Kern liegt (Spektrum der Wissenschaft, Juli l993, Seite 48). Kleinere Plumes könnten aber auch an der Übergangszone zwischen unterem und oberem Mantel in 670 Kilometern Tiefe entspringen.

Unabhängig vom Ursprungsort der Mantelplumes hängen ihre Eigenschaften und Auswirkungen an der Oberfläche auch stark von Temperatur, Zusammensetzung und physikalischem Zustand des Materials ab, auf das sie kurz unterhalb der Lithosphäre treffen. Diese Bedingungen bestimmen zusammen mit der örtlichen Mächtigkeit der Lithosphäre Stärke, Zeitpunkt und Lage der Eruption an der Oberfläche. Wenn ein Plume unter einem Kontinent aufsteigt, so kann er dazu beitragen, daß dieser an einer Schwachstelle zerbricht und an den Rändern der auseinanderdriftenden Landmassen ausgedehnter Vulkanismus auftritt (siehe "Vulkanismus an Riffs" von Robert S. White und Dan P. McKenzie, Spektrum der Wissenschaft, September 1989, Seite 110). Unter gewissen Umständen durchdringt ein Plume aber auch die mächtige Zentralregion eines kontinentalen Schilds und ergießt sich als Plateau-Basalt über die Landmasse. Wenn er am Meeresboden an die Oberfläche stößt, erzeugt er entsprechend ein ozeanisches Plateau.

Laborexperimenten zufolge sollte der kugelförmige Kopf des Plumes einen langen Schweif aus heißem Material hinter sich herziehen, der eine langlebige, eng umgrenzte Magmaquelle darstellt. Im Verlaufe von Jahrmillionen wandert der Ozeanboden wegen der Plattendrift über den heißen Fleck. Wo die Lava an der Oberfläche austritt, entsteht darum mit der Zeit ein linearer untermeerischer Rücken oder eine Folge von Inseln und Tiefseebergen. Die Hawaii-Emperor-Kette entstand wahrscheinlich auf diese Weise, obwohl rätselhaft ist, wie ein Plume mehr als 70 Millionen Jahre lang bestehen bleiben konnte.



Auswirkungen auf die Umwelt

Wie der Ausbruch des Pinatubo-Vulkans auf den Philippinen 1991 zeigte, verursachen selbst mittelstarke Vulkaneruptionen unter Umständen lokal schwere Schäden. Solche Ereignisse sind jedoch nur wie ein schwaches Aufzucken der Kräfte, die bei der Bildung großer Eruptivprovinzen ihre ganze Stärke entfalteten. Welche Folgen solch gigantische Eruptionen hatten, kann man sich kaum vorstellen. Im Jahre 1972 äußerte Peter R. Vogt vom Naval Research Laboratory in der US-Bundeshauptstadt Washington erstmals die Vermutung, das Aufdringen eines Mantelplumes an die Oberfläche könne weltweite physikalische und chemische Veränderungen hervorrufen und mit seinen Auswirkungen auf die Umwelt die Evolution der Lebewesen stark beeinflussen. Die derzeitige Diskussion um den Treibhauseffekt und die Veränderungen des globalen Ökosystems hat großes Interesse an Vogts Ideen geweckt.

Stephen Self von der Universität von Hawaii und Michael R. Rampino von der New York University wiesen allerdings darauf hin, daß die Auswirkungen einer gigantischen Eruption auf die Umwelt teilweise davon abhängen, ob der Ausbruch an Land oder unter Wasser stattfindet. Ozeanische Plateaus und passive vulkanische Kontinentalränder ändern die Geometrie der Ozeanbecken und den weltweiten Meeresspiegel. Dieser ist zum Beispiel durch die Ansammlung von Gesteinsmaterial im Ontong-Java-Plateau schätzungsweise um zehn Meter gestiegen. Außerdem können ozeanische Plateaus und vulkanische Kontinentalränder den Stoffkreislauf blockieren oder umleiten und dadurch die Wasserzirkulation, Erosion und Sedimentation in einem großen Gebiet beeinflussen. Das gilt besonders, wenn sich die Eruption an einer kritischen Verbindungsstelle zwischen zwei Ozeanbecken ereignet.

Da die Ozeane eine weitaus größere Dichte und Masse haben als die Atmosphäre, vermögen sie andererseits viel mehr Gase und Wärme aufzunehmen, was die Auswirkungen von Vulkaneruptionen am Meeresgrund abschwächt. Dafür können bei submarinem Vulkanismus und den begleitenden hydrothermalen Aktivitäten für Meerestiere giftige Spurenmetalle wie Arsen austreten. Außerdem steigt durch die freigesetzte Wärme bodennahes Wasser empor, was die Zirkulation des Oberflächenwassers verändert und die Lebensbedingungen für die Organismen dort ungünstig beeinflußt.

Kohlendioxid, das aus submarinen Vulkanen austritt, verteilt sich im Meer. Dadurch kann sich die Alkalinität des Meerwassers ändern, was Auswirkungen sowohl auf das Leben im Ozean als auch auf das Klima hat. Falls eine erhöhte Konzentration von Kohlendioxid in der Atmosphäre eine globale Erwärmung zur Folge hat, sollte sich die Zirkulation im Ozean verlangsamen, so daß dieser weniger gelösten Sauerstoff enthalten würde. Wie Seymour O. Schlanger von der Northwestern University in Evanston (Illinois), Michael A. Arthur von der Pennsylvania State University in University Park und Hugh C. Jenkyns von der Universität Oxford (England) nachgewiesen haben, kann sich bei Sauerstoffarmut kohlenstoffreicher Schwarzschiefer bilden.

Als der Vulkanismus vor ungefähr 120 Millionen Jahren einen Höhepunkt erreichte, muß die Atmosphäre geradezu mit Kohlendioxid überflutet worden sein. Larson spekuliert, daß damals eine starke thermische Instabilität der D"-Schicht sogenannte Superplumes hervorrief, die dann die ozeanischen Plateaus von Ontong Java und den Kerguelen sowie einzelne kleinere Plateaus im Pazifik schufen. Kenneth G. Caldeira von der Pennsylvania State University und Rampino haben für diesen Zeitraum auf der Basis eigener Schätzungen des atmosphärischen Kohlendioxidgehalts und unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Geographie und des höheren Meeresspiegels den geochemischen Kreislauf per Computer simuliert. Demnach war es damals auf der Erde im Mittel 7,6 bis l 2,5 Celsiusgrade wärmer als heute (Bild 4).

Vulkanausbrüche auf dem Festland verändern die Physik und Chemie der Atmosphäre direkt. Nach Berechnungen von Alan R. Huffman von der Exxon Exploration Company in Houston (Texas) wurden bei der Bildung einer einzigen Basaltdecke mit einem Volumen von 1000 Kubikkilometern (dem Volumen eines typischen Lavastroms in der Columbia-River-Provinz) 16 Milliarden Tonnen Kohlendioxid, 3 Milliarden Tonnen Schwefel und 30 Millionen Tonnen Halogene ausgestoßen. Der Aufbau einer großen Eruptivprovinz erforderte indes Tausende solcher Einzeleruptionen. Diese müssen die Atmosphäre in einem Ausmaß verändert haben, daß die heutigen anthropogenen Luftverschmutzungen im Vergleich dazu als lächerlich gering erscheinen.

Bei explosiven Eruptionen quarzreicher Gesteine werden laut Rampino und Self oft schwefelhaltige Partikel bis in die Stratosphäre geschleudert und dort in winzige Schwefelsäure-Tröpfchen umgewandelt. Basaltische Laven geben pro Volumeneinheit etwa zehnmal so viel Schwefel ab wie quarzreiche. Was geschähe, so fragten sich Charles B. Officer und seine Mitarbeiter am Dartmouth College in Hanover (New Hampshire), wenn dieser Schwefel in die Stratosphäre gelangte? Ihren Überlegungen zufolge könnten dann für einige Monate bis Jahre saure Niederschläge, allgemeine Finsternis und eine drastische globale Abkühlung äußerst unwirtliche Bedingungen auf der Erde schaffen (Bild 5). Nach Ansicht von Richard B. Stothers vom Goddard-Raumflugzentrum der amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA in Greenbelt (Maryland) und anderer Forscher sollten gewaltige Lavafontänen und eine heftige atmosphärische Konvektion über den Austrittsstellen kontinentaler Deckenbasalte das vulkanische Auswurfmaterial tatsächlich bis in die Stratosphäre emportragen.

Der verheerende Ausbruch entlang der 25 Kilometer langen Laki-Spalte auf Island in den Jahren 1783 und 1784 hat einen gewissen Eindruck von der potentiellen Zerstörungskraft des Plateaubasalt-Vulkanismus vermittelt. Obwohl dabei nur etwa 15 Kubikkilometer Lava austraten, sanken die örtlichen Temperaturen in den folgenden Jahren merklich ab. Etwa drei Viertel des Viehbestands auf der Insel gingen ein – wahrscheinlich sowohl an der Kälte wie an den freigesetzten sauren Gasen. Bei der anschließenden Hungersnot starb ungefähr ein Viertel der Bevölkerung. Noch viele Monate nach dem Ausbruch erschienen Staubwolken, Nebel und Dunstschleier in großen Teilen Europas und in angrenzenden Regionen von Asien und Afrika.

Der Zusammenhang mit Massenextinktionen

Inzwischen gibt es immer mehr Hinweise, daß die Umweltfolgen des Plateaubasalt-Vulkanismus tatsächlich zu Massenextinktionen beigetragen haben. Das schlimmste Artensterben der gesamten Erdgeschichte ereignete sich vor 248 Millionen Jahren bei der Bildung der sibirischen Trapps. Damals verschwanden etwa 95 Prozent aller Meerestierarten. Beim evolutionären Wettlauf um die freigewordenen ökologischen Nischen traten dann erstmals Saurier auf.

Wie stark sich die Bildung einer großen Eruptivprovinz auf das irdische Leben auswirkt, dürfte auch von der jeweiligen globalen Umweltsituation abhängen. Wurde das ökologische Gleichgewicht schon durch andere Faktoren gestört, könnte der Plateaubasalt-Vulkanismus rasche klimatische, ozeanographische und biotische Veränderungen mit sich bringen. Bei stabilen Umweltbedingungen hinterläßt er dagegen möglicherweise kaum erkennbare Spuren in der Geschichte des Lebens.

Dies scheint für das Ontong-Java-Plateau zu gelten. Seltsamerweise hat die Bildung dieser größten Eruptivprovinz nämlich kein feststellbares Artensterben ausgelöst; vielmehr trifft sie zeitlich mit der Ablagerung von Schwarzschiefer zusammen, was sogar eher auf verstärkte biologische Aktivität hindeutet (aber auch mit einer verringerten Meereszirkulation zusammenhängen kann). Wir nehmen an, daß sich diese Ausbrüche unter anderem deswegen kaum schädlich auswirkten, weil sie – wie Untersuchungen von Loren Kroenke von der Universität Hawaii sowie von Wolfgang H. Berger von der Scripps Institution of Oceanography im Rahmen des internationalen Ozeanbohrprogramms ergaben – unter Wasser stattfanden.

Vermutlich befand sich die globale Umwelt vor 120 Millionen Jahren zudem in einem stabilen Zustand (allerdings ist diese Behauptung schwer zu quantifizieren und zu beweisen). Dagegen traf die Bildung der kleineren Eruptivprovinzen der Kerguelen- und Broken-Ridge-Plateaus vor etwa 110 Millionen Jahren sowohl mit einer Massenextinktion zusammen als auch mit verstärkter Ablagerung von Schwarzschiefer – wahrscheinlich als Folge einer verlangsamten Ozeanzirkulation.

Die Eruptionen, bei denen die Dekkan-Trapps entstanden, und der gleichzeitige Vulkanismus am Westrand Indiens, an den Seychellen und am Maskarenen-Plateau fanden vor ungefähr 65 Millionen Jahren statt – genau um die Zeit, als fast die Hälfte aller Tier- und Pflanzenarten einschließlich der Saurier ausstarb. Noch immer wogt der wissenschaftliche Streit, ob diese Katastrophe vom Einschlag eines großen Asteroiden herrührte oder irdische Gründe hatte. Aber selbst wenn ein Asteroid die Hauptursache gewesen sein sollte, könnten die Dekkan-Ausbrüche mit ihren schädlichen Folgen für die Umwelt die Wirkung des Einschlags zumindest verstärkt haben.

Eine weitere deutliche, wenn auch nicht so berühmte Veränderung der globalen Umwelt fand zehn Millionen Jahre nach dem Untergang der Saurier statt, als die vulkanischen Ränder des Nordatlantik entstanden. Damals, während des frühen Eozäns, herrschte starke hydrothermale Aktivität, und viele Arten von in der Tiefsee lebenden Foraminiferen wie auch von Landsäugetieren starben aus. Außerdem haben David K. Rea und seine Mitarbeiter an der Universität von Michigan in Ann Arbor sowie Ellen Thomas von der Yale-Universität in New Haven (Connecticut) Hinweise auf wesentliche Veränderungen in der Tiefsee und im Kreislauf der Atmosphäre zur damaligen Zeit gefunden.

Wie die Analyse der von den Foraminiferen aufgenommenen Sauerstoffisotope nahelegt, hatte die Meerestemperatur im frühen Eozän den höchsten Wert in den vergangenen 70 Millionen Jahren (Bild 4). Einer von uns (Eldholm) und Ellen Thomas schrieben dies kürzlich dem Kohlendioxid zu, das bei den Eruptionen an den vulkanischen Rändern des Nordatlantik frei wurde. Rund 55 Millionen Jahre alte Aschelagen, die große Gebiete Nordwesteuropas bedecken, zeugen von der Stärke dieses Vulkanismus. Durch die Erwärmung der Atmosphäre infolge des vom Kohlendioxid verstärkten Treibhauseffektes könnte sich in höheren Breiten an der Meeresoberfläche eine warme Schicht gebildet haben, die sich wegen ihrer geringen Dichte nicht mehr mit dem kälteren Wasser darunter vermischte. Daß dadurch kein sauerstoffreiches Oberflächenwasser mehr in die Tiefsee gelangte, war für viele dort lebende Arten vermutlich tödlich.

Sogar die Ablagerung der relativ kleinen Plateaubasalte vom Columbia River fällt zeitlich mit einem Massensterben vor 16 Millionen Jahren zusammen. Etwa seit damals kam es, wie Maureen E. Raymo vom Massachusetts Institute of Technology in Cambridge hervorhebt, auf der Erde zu immer wiederkehrenden Vereisungen. Vielleicht war das globale Gleichgewicht schon so fragil, daß sogar eine mittelstarke Eruption beträchtliche Auswirkungen auf das Klima gehabt haben könnte.

Offensichtlich haben die Geologen bisher – im wörtlichen wie im übertragenen Sinn – die Oberfläche großer Eruptivprovinzen nur gerade angekratzt. Dennoch zeigt schon das wenige, was man über diese Formationen weiß, daß sie wesentliche Informationen über die Vorgänge im Erdinneren und über die natürlichen Ursachen globaler Veränderungen enthalten. Die Geowissenschaftler bemühen sich daher zur Zeit verstärkt darum, bessere seismische Aufnahmen zu erhalten, Feldstudien und Laboruntersuchungen zu intensivieren, in größerem Ausmaß Computersimulationen heranzuziehen und vermehrt wissenschaftliche Bohrungen durchzuführen. Von all dem versprechen sie sich einen noch besseren Einblick in die verborgenen Beziehungen zwischen der Oberflächengestalt der Erde und ihrer inneren Dynamik.

Millard F. Coffin und Olav Eldholm haben in den vergangenen drei Jahren an einem Projekt zum besseren Verständnis riesiger magmatischer Formationen zusammengearbeitet. Coffin forscht am Institut für Geophysik der Universität von Texas in Austin. Er hat 1985 an der Columbia-Universität in New York in Geologie promoviert. Eldholm ist seit 1981 Professor für Meeresgeophysik an der Universität von Oslo in Norwegen und hat 1976 an der Universität Bergen in Geophysik promoviert. Das Jahr 1991 verbrachte er als Gastwissenschaftler an der Universität von Texas, um seine Forschungen mit denen von Coffin zu koordinieren, der dafür anschließend ein Jahr als Stipendiat nach Norwegen ging. Beide Wissenschaftler haben viel Zeit an Bord von Forschungsschiffen verbracht, um Daten über untermeerische Eruptivprovinzen zu sammeln.

Literaturhinweise

Statische Gesetzmäßigkeiten des basischen Deckenvulkanismus und deren Hinweise auf Vorgänge im oberen Erdmantel mit Beispielen von Analogien aus Südamerika und Afrika. Von Gerhard Bischoff in: Zeitschrift der Deutschen Geologischen Gesellschaft, Band 116, Heft 3, Seiten 831 bis 831 (1964).

Entstehungsgeschichte des Rockall-Plateaus (Östlicher Nordatlantik). Von H. Beiersdorf. Bericht zum DFG-Schwerpunktprogramm "Deep Sea Drilling Project". Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover 1982.

Continental Flood Basalts. Herausgegeben von J. D. Macdougall. Kluwer Academic Publishers, 1988.

Hotspots, Mantle Plumes, Flood Basalts, and True Polar Wander. Von R. A. Duncan und M. A. Richards in: Reviews of Geophysics, Band 29, Heft 1, Seiten 31 bis 50, Februar 1991.

Geological Consequences of Superplumes. Von Roger L. Larson in: Geology, Band 19, Heft 10, Seiten 963 bis 966, Oktober 1991.

Large Igneous Provinces: Crustal Structure, Dimensions, and External Consequences. Von M. F. Coffin und O. Eldholm in: Reviews of Geophysics (im Druck).


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1993, Seite 58
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