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Subduktionszonen: Wo Steine schwitzen
Die Plattentektonik ist das wichtigste geologische Modell zum Verständnis der heutigen Erscheinung der Erde. Die Erdkruste taucht tief in den Mantel ab und wird dabei weit über 1000 °C erhitzt. Dabei kommt es zu einer Vielzahl geologischer Prozesse, welche wir teilweise heute direkt beobachten können. Am Tecday in Thun führte Prof. Thomas Pettke rund 50 Jugendliche in dieses spannende Thema ein.
Anhand etlicher Videos zeigte er, wie die Erde entstanden und aufgebaut ist. Die Kontinentalplatten bewegen sich seit Jahrmillionen auf der Erdoberfläche. Grosskontinente entstehen und brechen wieder auseinander. Eine Animation verdeutlicht die bisherige Wanderung der Kontinente.
Ein PET-Flaschenexperiment veranschaulicht, weshalb es heute Kontinente gibt. Dafür verantwortlich ist die sogenannte Differentiation. Aus einer ehemals homogenen Mischung entmischen sich dabei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dichten: Im Experiment schwimmt die weniger dichte Alkohollösung schlussendlich auf der dichteren Salzlösung.
In einer Magmakammer im Vulkan kristallisieren während der Abkühlung Kristalle. Die Zusammensetzung der Restschmelze ändert sich. Deshalb kristallisieren mit der Zeit andere Mineralarten. Dadurch entstehen Gesteine mit unterschiedlichen Dichten. Bei einer Subduktionszone versinkt die schwerere ozeanische Platte unter die leichtere kontinentale Platte. Geophysikalische Messungen entlang des Feuerrings rund um den Pazifik verdeutlichen, dass kalte Teile von Platten hunderte Kilometer tief in den wärmeren Erdmantel absinken.
Für die Forschung sehr wichtig ist die Frage, wie Oberflächen-Wasser in Tiefen von über 50 Kilometer gelangt. Denn dieses Wasser trägt schliesslich zur Entstehung von Vulkanen bei. Porenwasser kann es nicht sein, denn dieses wird bei der Subduktion von Gesteinen in die Tiefe einfach ausgepresst. Wird jedoch Wasser in die Kristallstruktur eingebaut, dann kann es bis in über 100 Kilometer Erdtiefe transportiert werden. Solche Kristalle sind zum Beispiel Serpentinminerale. Sie entstehen durch die Umwandlung von Mantelgesteinen, sogenannten Peridotiten, die einen grossen Anteil an Olivinkristallen enthalten. Wenn diese Olivinkristalle Wasser aufnehmen, bilden sich daraus Serpentinminerale, die 12 Gewichtsprozente Wasser in ihre Kristallstruktur einbauen können. Erst wenn sich das subduzierte Gestein bis über 600 °C aufgeheizt hat, zerfallen die Serpentinminerale und setzen das eingebaute Wasser frei.
Nach der Einführung erhielten die Jugendlichen die Aufgabe bei einer Reihe von Gesteinen selbst abzuschätzen, wie viel Wasser sie enthalten könnten. Dazu schätzten sie den prozentualen Anteil wasserhaltiger Minerale in ausgelegten Gesteinsproben ab. Auf einem Formular trugen sie das Gewicht der Steine ein und berechneten die jeweiligen Gewichtsprozente des Wassergehalts im Gestein. So konnten sie herausfinden, welche Menge an Wasser in den jeweiligen Steinen enthalten ist. Die Ergebnisse waren verblüffend. Die eine Gesteinsprobe enthielt fast 2 Deziliter Wasser und eine andere Probe weniger als 1 Milliliter – dies war den Gesteinsproben so nicht anzusehen!
An der GeoBar ging es anschliessend darum, dass die Jugendlichen mit ihrem Geschmackssinn testen, ob sie in fünf Wasserproben den Gehalt an Salz unterscheiden und allenfalls den Salzgehalt abschätzen können. Die Flüssigkeiten deckten Salzgehalte ab von reinem Wasser (0% Salz) bis hin zu Meerwasser (3.5% Salz). So wurde den Jugendlichen klar, dass es für genaue Messungen jeweils eine Referenzgrösse braucht, zum Beispiel eine menschliche Träne mit etwa 1% Salzgehalt.
Damit leitete Thomas Pettke über in hochpräzise analytischen Methoden, die Geologen verwenden um den Gesteinen Informationen zu entlocken. Beispielsweise enthalten Minerale kleinste Einschlüsse mit Flüssigkeiten oder Gasen, die bei deren Entstehung eingeschlossen wurden. In diesen Einschlüssen weisen Geologen chemische Elemente wie Blei, Zink, Kupfer oder auch Natrium und Chlor nach, die Hinweise auf die Entstehungsbedingungen liefern.
Zum Schluss erfuhren die Jugendlichen, dass der Wassergehalt in den Magmen die Explosivität der Vulkane bestimmt. Berühmte, verheerende Vulkanausbrüche wie beim Pinatubo oder dem Mt. St. Helens haben ihren Ursprung in der Entmischung von Gasen im Magma, wenn der Druck in der Magmenquelle eines Vulkans abnimmt, ähnlich wie beim Öffnen einer geschüttelten Mineralwasserflasche mit Kohlensäure.
Um mehr über so gewaltige Explosionen zu erfahren, untersuchen Geologen Gesteinsschichten, die sie im Gelände finden, wie z.B. auf Kos, wo sich wahrscheinlich einer der grössten Ausbrüche im Mittelmeerraum während der letzten 200’000 Jahre ereignete.