Endlich bergen Meeresbohrer eine Fülle von Gesteinen aus dem Erdmantel

Im Jahr 1961 begaben sich Geologen vor der Pazifikküste Mexikos auf eine waghalsige Reise in ein fremdes Land – das Innere des Planeten. Von einem Schiff aus wollten sie durch die dünne Schicht der Erdkruste bohren und eine Probe des Erdmantels entnehmen, der 2900 Kilometer dicken Schicht aus dichtem Gestein, die Vulkanausbrüche antreibt und den größten Teil der Masse des Planeten ausmacht. Der Bohrer gelangte nur ein paar Hundert Meter tief in den Meeresboden, bevor das Projekt aufgrund der steigenden Kosten scheiterte. Aber die Suche – einer der heiligen Grale der Geologie – blieb bestehen.

Diesen Monat sagen Forscher an Bord der JOIDES Resolution, dem Flaggschiff des International Ocean Discovery Program (IODP), dass es ihnen endlich gelungen ist. Bei Bohrungen unterhalb des Meeresbodens im mittleren Atlantik haben sie einen mehr als einen Kilometer langen Gesteinskern gesammelt, der größtenteils aus Peridotit, einer Art Gestein des oberen Mantels, besteht. Obwohl nicht klar ist, wie makellos und unverändert die Proben sind, ist es sicher, dass die Zylinder aus graugrünem Gestein einen beispiellosen neuen Rekord darstellen, sagt Susan Lang, Biogeochemikerin am Woods Hole Oceanographic Institution und Co-Leiterin der Kreuzfahrt. „Das sind die Gesteinsarten, auf deren Bergung wir schon lange gehofft haben.“

Forscher an Land verfolgen gespannt die täglichen wissenschaftlichen Protokolle des Schiffs, während es weiter bohrt, sagt Jessica Warren, Mantelgeochemikerin an der University of Delaware. „Seit Jahrzehnten ist es ein Traum, sich auf dieses wirklich frische Zeug einzulassen“, sagt sie. „Wir werden endlich den Zauberer von Oz sehen.“

Die Proben können dabei helfen, eine Vielzahl von Fragen zu beantworten, sagt Johan Lissenberg, ein magmatischer Petrologe der Universität Cardiff an Bord des Schiffes. Sie können direkte Beweise dafür liefern, wie sich die Zusammensetzung der Ozeankruste vom oberen Mantel unterscheidet, und bessere Schätzungen der Elementhäufigkeiten im primären Gesteinsreservoir des Planeten liefern. Die Mantelproben werden den Forschern auch helfen zu verstehen, wie Magma aus dem Mantel schmilzt und durch die Kruste aufsteigt, um den Vulkanismus voranzutreiben, sagt Lissenberg. „Dies könnte ein großer Fortschritt für das Verständnis des Magmatismus sein – und der globalen Zusammensetzung der Erde.“

Das Projekt von 1961 mit dem Namen Project Mohole war der erste von wenigen erfolglosen Versuchen, den Mantel zu erreichen. Es wurde nach der Mohorovičić-Diskontinuität oder „Moho“ benannt, einer geophysikalischen Grenze, die durch einen plötzlichen Anstieg der Geschwindigkeit seismischer Wellen definiert wird, an der die Kruste, eine Mischung aus aus der Mantelschmelze kristallisierten und durch Wasser veränderten Gesteinen, dem Mehr Platz macht homogener Mantel. Der Moho liegt etwa 35 Kilometer unter der dicken Kontinentalkruste. Aber es liegt nur etwa 7 Kilometer unter der Meereskruste. Und noch flacher ist es an der Bohrstelle der JOIDES-Resolution am Mittelatlantischen Rücken, wo die nordamerikanische und die eurasische tektonische Platte auseinandergedehnt werden und den Erdmantel nach oben drücken.

Die Bergung eines langen Mantelkerns war nicht das primäre Ziel der Kreuzfahrt, sondern die Erkundung des Atlantis-Massivs, eines Unterwasserbergs, nach Hinweisen auf den Ursprung des Lebens. Das Gestein des Massivs enthält viel Olivin, ein Mineral, das mit Wasser in einem Prozess namens Serpentinisierung reagiert. Bei den Reaktionen entsteht Wasserstoff, der als Energiequelle für mikrobielles Leben in der „Verlorenen Stadt“ dient, einem nahegelegenen Komplex aus Mineralienschlote am Meeresboden, die durch Schwall überhitzten Wassers abgelagert wurden.

Es gibt seit langem die Theorie, dass das Leben in solchen Umgebungen entstanden sein könnte, die reich an organischen Molekülen sind. Ziel der Kreuzfahrt war es, ein zuvor gebohrtes, 1,4 Kilometer tiefes Loch zu vertiefen und so in eine Tiefe vorzudringen, die zu heiß für Leben war, wo organische Verbindungen lauern könnten, die den Rohstoff für das früheste Leben geliefert haben könnten. Aber der Fortschritt war langsam.

Also kehrte das Schiff zu einem anderen Standort in der Nähe von Lost City zurück, wo im Jahr 2015 flache Bohrkerne scheinbar durch Meerwasser stark verändertes Mantelgestein gefunden hatten. Nachdem wir eine horizontale Verwerfung in der Nähe des Meeresbodens durchbohrt hatten, „verlief die Bohrung einfach wunderbar gut“, sagt Andrew McCaig, Geologe an der University of Leeds und anderer leitender Wissenschaftler der Kreuzfahrt. Der einzige Schluckauf kam, als das geborgene Peridotitgestein Asbestadern enthielt, was zu strengeren Sicherheitsprotokollen führte.

Es gebe immer noch Raum für Debatten darüber, ob es sich bei den Gesteinen um echte Exemplare des Erdmantels handele, sagt Donna Blackman, Geophysikerin an der University of California in Santa Cruz. Es wird angenommen, dass die seismische Beschleunigung am Moho auf den Mangel an Wasser oder Kalzium- und Aluminiummineralien im Mantelgestein zurückzuführen ist. Da die Proben immer noch einen gewissen Einfluss von Meerwasser zeigen, sagt Blackman, dass sie sie möglicherweise als tiefe Kruste einstufen könnte. „Aber die Petrologie ist trotzdem interessant und besonders“, sagt sie. Und während das Team weiter in tiefere Gesteine ​​bohrt, sagt Lissenberg: „Sie werden immer frischer.“

Tatsächlich scheint das Team bereits Proben von Mantelgestein zu nehmen, das nie zu Magma geschmolzen ist, das dann abkühlt und zu verschiedenen Arten von Krustengestein kristallisiert, sagt Vincent Salters, Geochemiker an der Florida State University. Durch die Erfassung des Gesteins an dieser Stelle, sagt er, sollten Forscher in der Lage sein, herauszufinden, wie Magma schmilzt, fließt und sich trennt – Hinweise auf die Funktionsweise von Vulkanen weltweit.

Die Gesteine ​​könnten auch andere grundlegende Fragen beantworten, etwa wie sehr sich die an mittelozeanischen Rücken angesammelten Laven – die oft als Ersatz für den Mantel angesehen werden – vom Mantel selbst unterscheiden, sagt James Day, Geochemiker an der Scripps Institution of Ozeanographie. Die Fülle an radioaktiven Elementen in den Gesteinen könnte die Schätzungen darüber verbessern, wie viel Wärme der Mantel insgesamt produziert und die tiefen Konvektionsbewegungen antreibt, die den Motor der Plattentektonik darstellen. Und ihre physikalische Stärke kann in Studien darüber einfließen, wie Erdbeben im oberen Erdmantel brechen und sich ausbreiten. Die Bohrkerne könnten auch dabei helfen, zu klären, wie gut der Mantel durchmischt ist, indem sie Bestandteile aus der kontinentalen Kruste wieder aufnehmen, die in tiefen Meeresgräben ins Erdinnere zurückgezogen werden. „Dazu gehört so viel mehr, als nur ein kleines Stück Meeresboden zu verstehen“, sagt Day.

Die Forschung an den Gesteinen hat in Laboren an Bord der JOIDES Resolution bereits begonnen, und schließlich werden die Kerne in IODP-Repositorien für alle verfügbar sein. Doch die ganze Aufregung um die Gesteinsproben bringt auch etwas Bitteres mit sich: Die Expedition könnte eine der letzten für das Schiff sein. Im März gab die National Science Foundation (NSF) bekannt, dass sie aufgrund von Kostensteigerungen und fehlender Vereinbarung mit ihren internationalen Kooperationspartnern ihren Betriebsvertrag für das Schiff im September 2024 beenden wird.

Das Schiff sei in hervorragendem Zustand und könne bis 2028 weiterfahren, sagt Anthony Koppers, stellvertretender Vizepräsident der Oregon State University und führender Vertreter der IODP-Gemeinschaft. Es bestehe immer noch eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass der US-Kongress eine Verlängerung finanzieren werde, sagt er. Doch NSF hat noch keinen Plan, ein Nachfolgeschiff zu entwickeln. Und die beiden anderen großen Beitragszahler des IODP, Europa und Japan, ziehen weiter. Diesen Monat kündigten sie die Schaffung von IODP³ an, einem neuen globalen Bohrprogramm, bei dem das japanische Bohrschiff D/V Chikyū, das in der Vergangenheit hauptsächlich in Gewässern in der Nähe von Japan eingesetzt wurde, stark zum Einsatz kommen wird.

Dies war Langs erste Kreuzfahrt auf der JOIDES Resolution und sie war erstaunt darüber, wie gut die Labore ausgestattet waren und wie kompetent das technische Personal ist. Der Erfolg, den sie haben, zeuge von ihrer jahrzehntelangen Erfahrung bei der Erkundung des Meeresbodens, sagt sie. „Es ist so bedauerlich, dass so etwas verloren geht.“