Magmatismus in Sedimentbecken – der Ursache vergangener Umweltkatastrophen auf der Spur

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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.

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.

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 das Eindringen 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=100.000) höher gewesen sein könnten als die jährlichen anthropogenen Emissionen.

Noch mehr Magma ist in die Sedimentbecken des späteren Zentralatlantiks (201 Millionen Jahre) und des Tunguska-Beckens in Sibirien (252 Millionen Jahre) eingedrungen. Diese beiden magmatischen Ereignisse sind die einzigen plausiblen und quantitativ bestimmbaren Ursachen für zwei der umfangreichsten Massensterben auf der Erde (Jones et al., 2016).

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.

• 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