Wissenschaftler haben rhythmische Impulse heißen Mantelmaterials entdeckt, das tief unter dem Afar-Grabensystem Ostafrikas aufsteigt – einer Region, in der der Kontinent entlang dreier tektonischer Grabenarme allmählich auseinanderbricht.
Die Studie basiert auf über 130 Vulkangesteinsproben und zeigt, dass der Mantelauftrieb in seiner Zusammensetzung variiert und durch Unterschiede in der Krustendicke und Ausbreitungsgeschwindigkeit im Roten Meer, im Golf von Aden und im Äthiopischen Hauptgrabensystem geprägt ist.
Eine neue Studie in Nature Geoscience unter der Leitung von Forschern der Universität Southampton zeigt, dass der Mantel, der unter der Afar-Dreifachverbindung in Ostafrika – einer geologisch komplexen Region, in der die Arabische, Nubische und Somalische Platte aufeinandertreffen – aufsteigt, nicht nur heterogen, sondern auch dynamisch ist.
Wissenschaftler entdeckten rhythmische Impulse heißen Mantelmaterials, das aus der Tiefe aufsteigt und je nach lokalen tektonischen Bedingungen unterschiedlich mit der darüberliegenden Lithosphäre interagiert.
Die Afar-Region ist einer der wenigen Orte an Land, an denen aktiv kontinentale Riftbildung stattfindet. Sie markiert den Treffpunkt dreier tektonischer Platten und ist Teil einer breiteren Zone, in der der afrikanische Kontinent allmählich auseinanderbricht.
Mithilfe neuer geochemischer Daten und bestehender Aufzeichnungen zeigen Forscher, dass sich unter der Region ein einzelner, pulsierender Mantelauftrieb befindet.
Dieser Auftrieb interagiert unterschiedlich mit jedem der drei Riftarme, geprägt durch Unterschiede in Krustendicke und Ausbreitungsgeschwindigkeit.
Das Team analysierte über 130 quartäre Vulkangesteinsproben aus dem Roten Meer (RSR), dem Golf von Aden (GoA) und dem Äthiopischen Hauptgraben (MER) und verdoppelte damit den bestehenden geochemischen Datensatz.
Sie maßen die Zusammensetzung der Haupt- und Spurenelemente sowie radiogene Isotope (Strontium, Neodym, Blei) und korrelierten diese mit seismischen Geschwindigkeiten und Krustendickendaten.
Es wurde eine große Bandbreite an Isotopenverhältnissen und Spurenelementindikatoren festgestellt, die ein Modell der Zusammensetzungsheterogenität in der aufsteigenden Mantelquelle stützt. Diese chemischen Muster wiederholen sich im gesamten Riftsystem und deuten auf episodische Schmelzimpulse aus der Tiefe hin.
Mithilfe statistischer Modelle wie semiparametrischer Regression mit Splines und K-Means-Clusteranalyse testeten die Forscher verschiedene geodynamische Szenarien.
Das leistungsstärkste Modell (C1D) zeigte einen einzelnen Mantelauftrieb, dessen Zusammensetzung räumlich variierte und entlang jedes Grabens unterschiedliche geochemische Muster erzeugte.
Schmelzproduktion und -zusammensetzung veränderten sich mit zunehmender Entfernung vom Zentrum des Auftriebs, doch jeder Grabenarm reagierte anders auf diese Variation.
Der Graben des Roten Meeres, der sich schneller ausdehnt (14,5–15,5 mm pro Jahr) und eine dünnere Kruste (16–25 km) hat, zeigt größere geochemische Variationen, was auf einen effizienteren Mantelfluss und Schmelzfluss hindeutet.
Der Äthiopische Hauptgraben hingegen, der sich langsamer ausdehnt (ca. 5,2 mm pro Jahr) und eine dickere Kruste (25–33 km) hat, weist engere Abstände zwischen den geochemischen Veränderungen auf, was darauf schließen lässt, dass der Mantelfluss dort stärker eingeschränkt ist.
Seismische Geschwindigkeitsdaten mit Scherwellengeschwindigkeiten von 3,81 bis 4,17 km/s (2,37 bis 2,59 mps) in Tiefen zwischen 40 und 120 km (25 bis 75 Meilen) stützen die Existenz von Zonen teilweiser Schmelze unterhalb der Riftachsen.
Veränderungen im Verhältnis von Lanthan zu Samarium (La/Sm) und der Niob-Anreicherung in der Region spiegeln Unterschiede im Ausmaß der Mantelschmelze und möglicherweise auch in der Tiefe wider, in der diese beginnt.
Es besteht zudem ein klarer umgekehrter Zusammenhang zwischen dem Verhältnis von Cer zu Blei (Ce/Pb) und der Krustendicke. Dies deutet darauf hin, dass das Magma auf seinem Weg nach oben an den meisten Stellen nicht viel Material aus der Kruste aufgenommen hat.
Die Clusteranalyse ergab wiederkehrende geochemische Muster in den verschiedenen Grabenarmen. Diese wurden als ausgeprägte Schmelzimpulse interpretiert, die zwischen den Gräben verteilt und durch lokale tektonische Bedingungen geformt wurden. Diese geochemischen Cluster stimmen nicht mit der vulkanischen Oberflächensegmentierung überein, was auf tiefe, möglicherweise pulsierende Mantelprozesse unterhalb der Lithosphärenbasis hindeutet.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Lithosphärendynamik eine zentrale Rolle bei der Entstehung von Mantelauftrieben während der kontinentalen Riftbildung spielt. Die Entwicklung des Mantelmagmatismus in Afar wird nicht allein durch Plumes, sondern durch die Geometrie und Mechanik der darüberliegenden Platte gesteuert.
Folglich trägt diese Arbeit zu den zunehmenden Beweisen bei, dass Mantelplumes, die kontinentale Gräben speisen, eine unterschiedliche Zusammensetzung aufweisen und stark von der Struktur und Dynamik der darüberliegenden Platte beeinflusst werden können.
Quelle:
1 Mantelauftrieb an der Afar-Dreifachverbindung durch übergeordnete Plattendynamik geprägt – Emma J. Watts, Rhiannon Rees, Philip Jonathan, Derek Keir, et al. – Nature Geoscience – 25. Juni 2025 – DOI https://doi.org/10.1038/s41561-025-01717-0 – OPEN ACCESS
Tiefe Erdimpulse unter dem Afar-Graben entdeckt, wo Afrika langsam auseinanderbricht