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Dr. Christoph Beier

Magmatische Geochemie und Petrologie

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Forschung

  • Geochemie und Petrologie magmatischer Gesteine
  • Schmelzentstehung unter Ozeaninseln
  • Der Einfluß von Subduktionszonenkomponenten auf die Schmelzbildung im "Back-arc spreading centre" des Manus Beckens
  • Die Eruption von Magmen abseits der Speizungsachse des Ostpazifischen Rückens
  • Die Entstehung ozeanischer Plateaus am Beispiel der Azoren
  • Schmelzprozesse und Mantelquellen unter langsam spreizenden Rücken

Geochemie und Petrologie magmatischer Gesteine

Tiefenkarte des Azorenplateaus
Tiefenkarte des Azorenplateaus

Magmatische Gesteine entstehen durch die Bildung von Schmelzen im oberen Erdmantel. Die Prozesse, die zu einer Schmelzbildung führen, sind nur indirekt beobachtbar, da der Erdmantel mit heutigen technologischen Methoden nicht direkt zugänglich ist. Die Verteilung chemischer Elemente und die Bildung und chemische Zusammensetzung von Mineralen sind gute indirekte Methoden, sowohl Schmelzprozesse im Erdmantel, als auch Fraktionierungs- und Differenzierungsprozesse während des Magmenaufstiegs in der Kruste zu untersuchen. Magmatische Gesteine von Mittelozeanischen Rücken oder Ozeaninseln sind aufgrund der dünneren Lithosphäre im Vergleich zu kontinentalen Magmatiten weniger beeinflußt durch Fraktionierungs- und Differenzierungsprozesse. Typische Ozeaninseln sind z.B.:

  • die Inselgruppen der Kanaren und Azoren im Nordatlantik,
  • Hawaii und Galapagos im Pazifik oder
  • Reunion im Indischen Ozean

Die Entstehung von Ozeaninseln wird generell auf die Existenz von Mantleplumes zurückgeführt, während die Schmelzen an Mittelozeanischen Rücken durch adiabatische Dekompression entstehen. Die unterschiedliche Schmelzentstehung läßt sich unter anderem auch in der chemischen Zusammensetzung der eruptierten Magmen nachvollziehen. Daher ist die Untersuchung von Lokalitäten an denen es zu einer Interaktion zwischen Mantelplumes und Mittelozeanischen Rücken kommt von besonderem Interesse für das Verständnis von Schmelzprozessen des Erdmantels.

 

Schmelzentstehung unter Ozeaninseln

Die jüngste Eruption auf den Azoren (Capelinhos auf Faial, eruptiert 1957-1958)

Der Zerfall der radiogenen Isotope (z.B. 238U oder 235U) zu stabilen Isotopen (entsprechend 206Pb und 207Pb) dauert in vielen Fällen zu lange (z.B. 4.46 und 0.70 Milliarden Jahre), um damit rezente und jüngere Prozesse im Erdmantel zu untersuchen. Die kurzlebigen Produkte der Uranserien bieten die Möglichkeit geologische Prozesse aufzulösen, die sich in einem Zeitbereich von einigen tausend (z.B. 226Ra) bis weniger als 50 Jahren (210Pb) bewegen. Während die konventionellen Spurenelementanalysen lediglich ungefähre Aussagen über den Schmelzgrad machen können, kann man mit Hilfe von Uranserien sowohl die dynamischen als auch physikalischen Parameter der Schmelzbildung untersuchen und modellieren. Des weiteren läßt sich die Bildung von Schmelzen in Abhängigkeit von Quellzusammensetzungen (Sr-Nd-Pb-Hf-Isotopenverhältnisse) und sowie der Zusammenhang zwischen Schmelzbildung (Uranserien) und Volatilgehalten (FT-IR Analysen) im Mantel untersuchen.

 

Der Einfluß von Subduktionszonenkomponenten auf die Schmelzbildung im "Back-arc spreading centre" des Manus Beckens

Magmen die in den Spreizungszentren hinter einer Subduktionszone eruptiert werden erlauben eine Unterscheidung inwieweit die Schmelzentstehung durch Subduktionszonenkomponenten (z.B. Volatile aus der subduzierten Platte) oder durch adiabatische Dekompression gesteuert wird. Während adibatische Dekompression zu einer Schmelzbildung unter Mittelozeanischen Rücken führt wird Inselbogenmagmatismus häufig auf eine Schmelzbildung durch eine Fluide zurückgeführt. 

Die kurzlebigen Uranserien-Isotopen erlauben Rückschlüsse auf den Schmelzprozess der zur Eruption von Magmen im Manus Becken (Papua Neu Guinea) führt. Während (230Th/238U) Verhältnisse >1 häufig mit adiabatischer Dekompression erklärt werden, weisen (230Th/238U) Verhältnisse <0.9 auf das Vorhandensein einer Uran-haltigen Fluide hin, wie man sie häufig in Subduktionszonen findet.

Das Verständnis dieser Prozesse ist wichtig für eine weitere geodynamische Erklärung inwieweit und wie schnell sich Fluide im Mantel bewegen können.

 

Die Eruption von Magmen abseits der Speizungsachse des Ostpazifischen Rückens

Magmen die an Mittelozeanischen Spreizungsachsen entstehen werden in den meisten Fällen in einem relativ rückennahen Bereich eruptiert (<5km Entfernung). Man nimmt jedoch an, daß ein kleiner Teil der Magmen auch an den Flanken eruptiert wird. Diese Laven können wichtige Informationen über Schmelzentstehung und -bewegung liefern.

Am Ostpazifischen Rücken wurden drei Traversen bis zu einer Entfernung von 50km von der eigentlichen Rückenachse beprobt (9°30N, 10°40N and 11°50N). Mit Hilfe von Ungleichgewichten der kurzlebigen Uranserien-Isotope läßt sich feststellen ob a) Laven "off-axis" eruptiert werden, b) inwieweit die Schemlzprozesse dieser Laven mit denen des Rückens vergleichbar sind und c) inwieweit Temperatur und Heterogenität des Erdmantels bei der Schmelzbildung in diesem Milieu eine Rollen spielen.

 


Die Entstehung ozeanischer Plateaus am Beispiel der Azoren

Die Entstehung ozeanischer Plateaus wird mit dem Einwirken von Mantelplumes auf die Lithosphäre in Zusammenhang gebracht. Die Entstehung großer Schmelzmengen führt zur weiträumigen, mehr oder weniger synchronen Eruption von Magmen. Die Inselgruppe der Azoren liegt auf einem submarinen ozeanischen Plateau, welches zwischen zwei Spreizungszentren liegt. Die Entstehungsgeschichte des Azorenplateaus ist weitestgehend unbekannt und von großem Interesse, da als mögliche Ursachen sowohl ein thermischer und chemischer Mantelplume als auch ein sogenannter "wetspot" in Frage kommen. Wir untersuchen verschiedene Mantelquellen unter den Azoren und möchten in diesem Zusammenhang klären, inwiefern die einzelnen Mantelquellen unter der Azorenplattform geochronologisch variieren und was die Ursache einer solchen Variation ist. Unsere Arbeit bietet die Möglichkeit, die Entstehung und Entwicklung eines ozeanischen Plateaus mit Hilfe von Haupt- und Spurenelementen, radiogenen Isotopen und Altersdatierungen zu untersuchen, um ein umfassendes Bild von der Entstehung ozeanischer Plateaus zu bekommen.

 

Schmelzprozesse und Mantelquellen unter langsam spreizenden Rücken

Küstenaufschluss mit Laven und Gängen bei Ponta da Ferraria, São Miguel.

Die Mittelozeanischen Rücken sind das größte magmatische System der Erde. Die chemische Zusammensetzung und Morphologie eines ozeanischen Spreizungszentrums wird unter anderem ganz wesentlich von der Geschwindigkeit beeinflußt, mit der sich die angrenzenden Platten auseinander bewegen. Drei Gruppen von Spreizungsgeschwindigkeiten werden unterschieden:
schnell spreizende Rücken mit einer Spreizungsrate von 80-100 mm/Jahr (z.B. Pazifisch-antarktischer Rücken)
langsam spreizende Rücken mit Spreizungsraten von 20 bis 55 mm/Jahr (z.B. Mittelatlantischer Rücken) und
ultralangsam spreizende Rücken mit Spreizungsraten, die kleiner als 12 mm/Jahr sind (z.B. Gakkel-Rücken)
Die ultralangsam spreizende Terceira-Achse entlang des nördlichen Randes der Azorenplattform ist mit einer Geschwindigkeit von 2-4mm/Jahr eines der langsamsten bekannten Spreizungszentren der Erde. Hier sind die eruptierten Schmelzmengen durch die Existenz eines Mantelplumes groß genug, daß Inseln entlang der Achse entstehen konnten. Dies ermöglicht die detaillierte Untersuchung eins ultralangsam spreizenden Rückens und dessen Interaktion mit einem Mantelplume.