In einem geologischen Triumph bohren Wissenschaftler ein Fenster in den Erdmantel

Jul 18, 2023

An einem Unterwasserberg mitten im Atlantischen Ozean haben Wissenschaftler fast eine Meile unter dem Meeresboden gebohrt und eine beispiellose wissenschaftliche Beute hervorgeholt – Stücke des felsigen Erdmantels.

Die rekordverdächtige Leistung hat Geowissenschaftler elektrisiert, die seit Jahrzehnten davon träumen, kilometerweit durch die Erdkruste zu dringen, um den geheimnisvollen Bereich zu erkunden, der den größten Teil des Planeten ausmacht. Die durch Hitze verursachte Aufwirbelung des Erdmantels treibt die Plattentektonik in der Kruste an und führt zu Bergen, Vulkanen und Erdbeben.

Bei der neuen Expedition eines Ozeanbohrschiffs namens JOIDES Resolution wurde technisch gesehen nicht in den Erdmantel gebohrt, und das Loch ist nicht das tiefste, das jemals unter dem Meeresboden gebohrt wurde. Stattdessen fuhren die Forscher zu einem speziellen „tektonischen Fenster“ im Nordatlantik, wo Bohrer nicht so weit bohren müssen, um auf lohnenswerte Erde zu stoßen. Hier wurden die Gesteine ​​des Erdmantels nahe an die Oberfläche gedrückt, während sich der Meeresboden am nahegelegenen Mittelatlantischen Rücken langsam auseinanderzieht.

Am 1. Mai begannen sie mit dem Bohren des Lochs, bekannt als U1601C. Andrew McCaig, der Co-Chefwissenschaftler der Expedition, erwartete einen flachen „Nadelstich“, da der in den 1990er Jahren aufgestellte Rekord für Bohrungen im Mantelgestein bei lediglich einer Zehntelmeile lag. Die Forscher hofften, genügend Proben zu gewinnen, um aufzuklären, wie chemische Reaktionen zwischen Mantelgesteinen und Wasser zur Entstehung von Leben auf unserem Planeten geführt haben könnten. Aber Meeresbohrungen können ein unsicheres Unterfangen sein – Bohrer bleiben stecken oder die langen Gesteinskerne, die geborgen werden, sind möglicherweise nur Teilproben.

Dieses Mal lieferte der Bohrer jedoch eine Röhre nach der anderen aus dunklem Gestein, viele davon überraschend vollständig.

„Es ging einfach immer tiefer, tiefer und tiefer. Dann sagten alle in der Wissenschaftspartei: „Hey, das ist es, was wir die ganze Zeit wollten.“ „Seit 1960 wollten wir ein so tiefes Loch im Mantelgestein bohren“, sagte McCaig aus der JOIDES-Resolution, wenige Minuten bevor ein weiterer langer Abschnitt aus dunklem Gestein an Bord gezogen wurde. Als das Team am 2. Juni mit den Bohrungen aufhörte, hatte das Team Gesteinsproben aus einer Tiefe von bis zu 4.157 Fuß unter dem Meeresboden entnommen.

„Wir haben ein Ziel erreicht, das die Wissenschaftsgemeinschaft seit vielen Jahrzehnten nährt“, sagte McCaig.

Wissenschaftler an Land haben die Expedition eifrig im Auge behalten und erwarten einen Jackpot an Daten, der ein neues Fenster in die Tiefen der Erde öffnen und jahrelange Forschung antreiben wird.

„Wir sind gerade auf dem Mond und sind begeistert, was sie da haben – einen erstaunlichen Felsabschnitt“, sagte Andrew Fisher, ein Hydrogeologe an der University of California in Santa Cruz, der einen Doktoranden berät, der sich an Bord des Schiffes befindet und hat haben ihre Fortschritte aus der Ferne überwacht.

Im Jahr 1909 entdeckte ein kroatischer Seismologe namens Andrija Mohorovičić eine Grenze innerhalb der Erde.

Mohorovičić überwachte, wie sich seismische Wellen, die durch ein Erdbeben erzeugt wurden, durch den Boden ausbreiteten, ähnlich wie mit Röntgenstrahlen, um das Innere des menschlichen Körpers zu untersuchen. Näher an der Oberfläche breiteten sich seismische Wellen mit derselben Geschwindigkeit aus, aber ab einer bestimmten Zone rund um den Globus bewegten sie sich schneller, was darauf hindeutet, dass sich die Wellen durch zwei unterschiedliche Gesteinsschichten bewegten.

Diese Diskontinuität, Moho genannt, wird heute als die Linie zwischen der Erdkruste und ihrem Mantel erkannt. Seine Tiefe variiert, aber der Mantel beginnt im Allgemeinen etwa fünf Meilen unter dem Meeresboden und etwa 20 Meilen unter den Kontinenten.

„Stellen Sie sich die Kruste so vor, als hätten Sie einen wunderschön gefrorenen Kuchen, aber was Sie wollen, ist der Kuchen, nicht die Glasur“, sagte Jessica Warren, Professorin für Geowissenschaften an der University of Delaware, die das Projekt ebenfalls überwacht hat Fortschritte aus der Ferne erzielen. „Wenn wir die Erde als Ganzes verstehen wollen, gibt es darunter eine riesige Menge Gestein.“

Der innere Kern der Erde scheint seine Rotation zu verlangsamen

Der Mantel ist keine völlige Unbekannte. Gelegentlich spucken Vulkanausbrüche Teile davon aus – grünliche Peridotitbrocken, die Gesteinsart, die den oberen Erdmantel dominiert, eingebettet in Basaltgestein. Aber diese Proben, sogenannte Mantel-Xenolithe, haben ihre Grenzen, da sie bei ihrem Aufstieg an die Oberfläche oft zerkaut und verwittert sind. Es gibt auch Ophiolithe, Schichten ozeanischer Kruste, die mit Teilen des oberen Erdmantels gefärbt sind und angehoben und auf dem Land verputzt wurden. Aber auch sie wurden durch die Reise verändert.

Was Wissenschaftler schon lange herbeisehnten, war eine gebohrte Probe des Mantelgesteins. Das Projekt Mohole, eine berühmte Ozeanexpedition, hatte sich 1961 vorgenommen, durch die dünnere Kruste am Meeresboden zu bohren, um den Erdmantel zu erreichen, scheiterte jedoch.

Teile des Meeresbodens, in denen der Mantel näher an der Oberfläche liegt, schienen eine Gelegenheit zu sein, eine Probe zu entnehmen, ohne die technischen Schwierigkeiten des Bohrens durch kilometerlange Kruste. Dort haben die Wissenschaftler an Bord der JOIDES Resolution eine der letzten Missionen des Schiffes vor seiner geplanten Ausmusterung im Geschäftsjahr 2024 ins Visier genommen.

Das Team verließ Ponta Delgada auf den portugiesischen Azoren im April und machte sich auf den Weg zum Atlantis-Massiv, einem Unterwasserberg von der Größe des Mount Rainier. Seine Hauptaufgabe bestand nicht darin, das bisher tiefste Loch in das Mantelgestein zu bohren, sondern darin, diese Gesteine ​​zu beproben, um Hinweise darauf zu finden, wie sich in Abwesenheit von Leben auf der jungen Erde kleine organische Moleküle gebildet haben könnten, als Gesteine ​​mit Wasser reagierten.

„Dies könnte ein Weg sein, von nur Wasser und Steinen abzuweichen“, sagte Susan Lang, Co-Chefwissenschaftlerin der Expedition und Wissenschaftlerin am Woods Hole Oceanographic Institution. „Dadurch entsteht Wasserstoff, und dieser Wasserstoff ist ein wirklich wichtiger Treibstoff für Dinge wie die Bildung kleinerer organischer Moleküle, die sich dann mit anderen organischen Molekülen verbinden und zu frühem Leben führen können.“

Die aus Bohrloch U1601C entnommenen Gesteinskerne bestehen überwiegend aus Peridotit, der am häufigsten im oberen Erdmantel vorkommenden Gesteinsart. Die Proben wurden durch die Einwirkung von Meerwasser verändert, und Wissenschaftler beginnen bereits darüber zu diskutieren, wie die Ergebnisse zu interpretieren sind.

Der größte Teil des Erdmantels ist unter der Kruste vergraben und nicht wie an dieser Stelle dem Ozean ausgesetzt. Das wirft die grundlegende Frage auf: Wie genau ahmen die neuesten Proben den Rest des Erdmantels nach? Repräsentieren die Gesteine ​​wirklich den Erdmantel oder handelt es sich um untere Erdkruste?

Und ist die Grenze zwischen Mantel und Kruste eine scharfe Grenze oder eher ein allmählicher Übergang? Bei den Proben handelt es sich nicht um reinen Peridotit, und das könnte ein wichtiger Beweis sein.

„Es ist ein bisschen chaotisch, aber das ist vielleicht die untere Kruste“, sagte Fisher und zählte verschiedene Gesteinsarten auf, über die in täglichen wissenschaftlichen Protokollen berichtet wurde. „Das ist wirklich ungewöhnlich – mehr als ein Kilometer stark alteriertes Gestein der unteren Kruste und/oder des oberen Mantels. Ich würde sagen, es ist eine Mischung.“

Die Wissenschaftler waren so damit beschäftigt, die enorme Gesteinsmenge zu verarbeiten, die sie geborgen hatten, dass sie kaum Gelegenheit hatten, die Proben im Detail zu untersuchen oder auch nur über das Ausmaß der Leistung nachzudenken. Die Bohrer müssen alle 50 Stunden ausgetauscht werden. Das Team an Bord arbeitet in 12-Stunden-Schichten und verschwendet keine Minute Zeit.

Eines Morgens war Lang abgelenkt und entschuldigte sich von einem Interview, als sie Meerwasser durch ein Fenster spritzen sah.

„Ich habe dieses Meerwasserstadium gesehen, das ist immer ein sehr dramatischer Punkt, an dem sie dieses eine Ding ablösen und überall eine Menge Meerwasser spritzt“, sagte Lang. „Normalerweise ist das meine Warnung, dass in den nächsten fünf Minuten ein Kern an Deck kommt.“

Was sie alle begeistert, ist die Hoffnung, dass die tiefsten Proben noch „frischeres“ Gestein liefern werden, das weniger durch andere Prozesse verändert wurde und näher an dem ist, woraus der Mantel wirklich besteht.

„Je tiefer wir dort vordringen, desto näher kommen wir dem Aussehen dieser Gesteine, dem Mantel“, sagte Warren.