Unterseeischer Vulkanismus

Magmatismus in Sedimentbecken – der Ursache vergangener Umweltkatastrophen auf der Spur

Der Magmatismus in Sedimentbecken verursachte globale Massenaussterben und ist die engste Analogie zum heutigen anthropogenen Klimawandel. Das Studium dieser natürlichen Prozesse ist oft schwierig, da die Magma-Aufstiegssysteme mit kaum sichtbarer Oberflächenexpression verschüttet bleiben. Bei GEOMAR untersuchen wir diese Systeme mit Hilfe von marinen seismischen Daten und modernsten numerischen Modellen.

Text: Dr. Christophe Galerne, Prof. Dr. Christian Berndt

GEOMAR – Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

  • Spalteneruptionen sind nur die Spitze des Eisbergs. Darunter verbergen sich große Magma-Aufstiegssysteme, die mehr Treibhausgase freigesetzt haben als der größte der heutigen Vulkane.
  • Die Magma-Aufstiegssysteme der Magmatischen Großprovinzen (engl.: Large Igneous Provinces – LIP) lösten im Verborgenen die Freisetzung großer Mengen Methan und Kohlendioxid aus, die rasch an der Erdoberfläche austraten.
  • Das Verständnis dieser geologischen Auslöser von paläo-ökologischen Krisen ermöglicht eine bessere Prognose des anthropogenen Klimawandels und seiner Kipp-Punkte.

Wenn wir an Vulkane denken, dann stellen wir uns einzeln stehende Berge vor, die in den Himmel ragen. Doch repräsentieren diese nur einen kleinen Teil dessen, wie geschmolzene Magma aus der Erdkruste an die Oberfläche dringt.

Selbst die größten Vulkane auf der Erde, wie zum Beispiel der Mauna Loa auf Hawaii, sind winzig im Vergleich zu der Masse an vulkanischem Material, welches in der Vergangenheit der Erde in sogenannten Magmatischen Großprovinzen (engl.: Large Igneous Provinces – LIP) abgelagert wurde. Dabei handelt es sich um Gebiete in der Erdkruste, in denen große Mengen Magma ausgestoßen wurden. Beispielsweise entwickelte sich im Verlaufe der Entstehung des Nordatlantiks eine Magmatische Großprovinz. Sie war durch Spalteneruptionen (Abb. 1) gekennzeichnet, welche hunderte Kilometer lang waren und zu Lavaflüssen von einigen zehn Metern Dicke und einer Länge von einigen zehn Kilometern führten.

Diese Spalteneruptionen spuckten so viel Lava aus, dass der Rand des Nordatlantiks über eine Länge von 3.000 Kilometern von einer 12 Kilometer dicken Lavaschicht bedeckt war. In den letzten 55 Millionen Jahren ist nichts auch nur annähernd Vergleichbares geschehen, und doch ist die damit verbundene globale Erwärmung auch heute noch das jüngste Analogon zur vom Menschen verursachten Erderwärmung.

Eine Magmatische Großprovinz versteckt im Nordatlantik

Wie bei einem Eisberg waren die enormen Spaltenausbrüche nur der winzige Oberflächenausdruck von Magmabewegungen in den Sedimentbecken unter dem Meeresboden rund um den Nordatlantik. Das aufsteigende Magma verhielt sich wie ein durch die Luft fliegendes Geschoss, wenn es auf Wasser trifft: es verlor erheblich an Geschwindigkeit und verlangsamte sich aufgrund der veränderten Umgebung.

Als das Magma den Boden des Sedimentbeckens in etwa 10 Kilometer Tiefe unterhalb des Meeresgrunds erreichte, kam es zu einem vergleichbaren Verlust an Geschwindigkeit und einer enormen Zerstörungskraft. Anstatt vertikal durch das Sediment an die Oberfläche aufzusteigen, wurde das Magma durch tausende Schichten von Sedimenten unterschiedlicher Widerstandskraft zur horizontalen Ausbreitung gezwungen.

Schließlich ging die gesamte hydraulische Sprengkraft des Magmas verloren und der Wärmeverlust war so groß, dass es nicht länger flüssig blieb. Die aus der Kristallisation des Magmas entstandenen Gesteinsschichten werden als Lagergang oder Sill bezeichnet und können überall um den Nordatlantik untersucht werden. Tausende dieser Lagergänge entstanden in den Sedimentbecken des Nordatlantiks bevor es schließlich zu einem Durchbruch kam, der zu den Spalteneruptionen führte.

A) Eine Spalteneruption an der Oberfläche.

B) Erkaltete Magma, die in einem Sedimentbecken erhalten ist. Das Magma ist zur Zeit des Ausbruchs durch einen vertikalen Spalt (Gesteinsgang oder Dyke) an die Oberfläche gedrungen und anschließend erkaltet.

C) Beispiel eines 20 Kilometer breiten und 100-150 Meter dicken Lagergang (Sill) in Südafrika (Galerne et al., 2008). Der Lagergang (Sill) hat die Form einer Untertasse. Diese Geometrie wird häufig bei Intrusionen in Sedimentbecken beobachtet (C-Oben: Luftaufnahme; C-Unten: Bodenaufnahme).

Foto A: Ari Trausti Guðmundsson, Geophysiker und Dokumentarfilmer/Filmemacher, Fotos B-C: Christophe Galerne, Geologe und Petrophysiker.

Blick auf den Laki-Krater in Island
Foto: Anne Schöpa (distributed via imaggeo.egu.eu)/ CC BY 3.0

Wie kann man einen Blick auf solche Magma-Aufstiegssysteme werfen?

Durch das Aussenden und Empfangen von seismischen Pulsen können wir Magmaaufstiegssysteme unterhalb der Erdoberfläche sichtbar machen. Die Ergebnisse der bisherigen Meeresforschung legen nahe, dass erkaltete Magmasysteme in Sedimentbecken weltweit verbreitet sind. Eine solche seismische Untersuchung unter der Leitung des GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel hat kürzlich ein aktives Magmasystem kartiert, dass sich derzeit im Golf von Kalifornien bildet (Berndt et al., 2016). Obwohl dieses System einen weitaus kleiner ist als die Magmasysteme der Magmatischen Großprovinzen im Nordatlantik, Südafrika, Indien oder Sibirien, so vermitteln uns die entsprechenden seismischen Daten einen Eindruck davon, was sich im Verlaufe dieser außerordentlichen Vulkanismusperioden ereignete.

Das geologische Rezept für Massenaussterben

Obwohl diese großen Magma-Aufstiegssysteme keinen unmittelbaren Einfluss auf die Erdoberfläche haben, lösen sie doch eine Kettenreaktion aus, die zu langanhaltenden katastrophalen Auswirkungen auf die Ozeane, die Atmosphäre und die Biosphäre führen kann (Eldholm & Thomas, 1993).

Während das Magma abkühlt, gibt es seine Wärme an die umgebenden Sedimente ab. Hier setzt das einen Prozess in Gang, der als Hydrothermalismus bezeichnet wird. Da Sedimentbecken die größten geologischen Kohlenstoffspeicher der Erde sind (Jones et al., 2016), können diese Speicher durch die vom Magma abgeführte Wärme mobilisiert werden und große Mengen an eingeschlossenem Kohlenstoff durch gewaltige Entgasung freisetzen.

Wie die anthropogenen Aktivitäten der Gegenwart kann die Einlagerung von Magma in Sedimentbecken, die reich an organischem Material sind, den natürlichen Kohlenstoffkreislauf der Atmosphäre und der Ozeane aus dem Gleichgewicht bringen. Wir wissen mittlerweile, dass die 150 Jahre der Nutzung fossiler Energieträger durch den Menschen einem durchschnittlichen globalen Temperaturanstieg von etwa 2°C entsprechen.

Vor 55 Millionen Jahren wurde eine ähnliche Menge an Treibhausgasen (2.000 - 12.000 Gt) durch magmatische Aktivität in den Sedimentbecken vor der Küste Norwegens freigesetzt, was zu einem globalen Temperaturanstieg von 6-8° Celsius führte (Svensen et al, 2004).

In geologisch noch weiter zurück liegender Zeit führte ein magmatisches Ereignis in einem Becken, das heute den größten Teil Südafrikas ausmacht, zur Freisetzung etwa des zehnfachen der anthropogenen Emissionen seit Beginn der industriellen Revolution (Galerne & Hasenclever, 2019). Unsere Computersimulationen deuten darauf hin, dass die entsprechenden Entgasungsraten um fünf Größenordnungen (105=100000) höher gewesen sein könnten als die jährlichen anthropogenen Emissionen.

Einige noch größere Mengen an magmatischen Intrusionen wurden in die Sedimente des späteren Zentralatlantiks (201 Ma) und des Tunguska-Beckens in Sibirien (252 Ma) eingelagert. Diese beiden magmatischen Ereignisse sind die einzigen plausiblen und quantitativ bestimmbaren Ursachen für zwei der umfangreichsten Massensterben auf der Erde (Jones et al., 2016).

Ein besseres Verständnis der Vergangenheit ist ein Fenster zur Zukunft

Diese Art des Vulkanismus mit fast keinem Ausdruck an der Erdoberfläche ist ein verborgener Killer, vergraben durch die Zeit in den Gesteinsschichten. Auf unserer Erde brechen jeden Tag Vulkane aus und setzen dabei unter anderem übelriechenden Schwefel frei, und dennoch stören sie dabei den natürlichen Kohlenstoffkreislauf nicht in signifikanter Weise. Selbst die größten Ausbrüche in historischen Zeiten wie der des Mt. Pinatubo (1991) veränderten das Weltklima nur für einige Monate.

Im Gegensatz dazu fallen die durch großflächige magmatische Intrusionen in Sedimentbecken freigesetzten Mengen an Treibhausgasen mit großen Massenaussterben auf der Erde zusammen. Ein besseres Verständnis dieser Krisen, ihrer Auslöser und Kipp-Punkte kann uns helfen, die Auswirkungen und langanhaltenden Folgen der anthropogenen Erderwärmung besser vorherzusagen.

Referenzen

  • Berndt, C., Hensen, C., Mortera-Gutierrez, C., Sarkar, S., Geilbert, S., Schmidt, M., … Lizarralde, D. (2016). Rifting under steam – How rift magmatism triggers methane venting from sedimentary basins. Geology, 44(9), 767-770. doi:10.1130/G38049.1
  • Eldholm, O., & Thomas, E. (1993). Environmental-Impact of Volcanic Margin Formation. Earth and Planetary Science Letters, 117(3-4), 319-329. doi:10.1016/0012-821X(93)90087-P
  • Galerne, C. Y. & Hasenclever, J. (2019). Distinct degassing pules during magma invasion in the stratrified Karoo Basin – New insights from hydrothermal fluid flow modelling. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 20(6), 2955-2984. doi:10.1029/2018GC008120
  • Galerne, C. Y., Neumann, E.-R. & Planke, S. (2008). Emplacement Mechanisms of Sill Complexes: Information from the Geochemical Architecture of the Golden Valley Sill Complex, South Africa. Journal of Volcanology and Geothermal Research. 177(2), 425-440. doi:10.1016/j.jvolgeores.2008.06.004
  • Jones, M., Jerram, D. A., Svensen, H. & Grove, C. (2016). The effects of large igneous provinces on the global carbon and sulphur cycles. Paleogeography, Paleoclimatology, Paleoecology, 441(1), 4-21. doi:10.1016/j.palaeo.2015.06.042
  • Svensen, H., Planke, S., Malthe‐Sørenssen, A., Jamtveit, B., Myklebust, R., Eidem, T. R. & Rey, S. S. (2004). Release of methane from a volcanic basin as a mechanism for initial Eocene global warming. Nature, 429, 542-545. doi:10.1038/nature02566