Granat-Einschlüsse zeigen: Erdplatten tauchen heißer in den Erdmantel ab als gedacht

Am 9. Oktober 2026 geht es an der Universität Göttingen um eine Reise, die kaum jemand antreten möchte: hinab in den Erdmantel und irgendwann wieder zurück. Ein internationales Forschungsteam hat untersucht, unter welchen Temperaturbedingungen Erdplatten bei der Subduktion in die Tiefe sinken. Das Ergebnis: Die Abwärtsbewegung verläuft anders – und vor allem heißer – als bisher angenommen.

Der Erdwissenschaftler Dominik Sorger analysierte im Rahmen eines von der Universität Göttingen geleiteten Projekts Gestein aus Papua-Neuguinea. Es gelangte vor etwa 4,4 Millionen Jahren durch Subduktion in eine Tiefe von mehr als 90 Kilometern und kam später wieder an die Erdoberfläche. Winzige Einschlüsse in Granatkristallen zeigten, dass das Gestein während des ersten Abschnitts seines Abstiegs deutlich wärmer war als erwartet. Veröffentlicht wurden diese Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Geoscience.

Ein Archiv im Granat

Solche Einschlüsse sind für Forschende ein Glücksfall. Sie können Informationen über frühere Versenkungsphasen bewahren, die in Gesteinen aus großer Tiefe meistens verloren gehen. Aus ihnen lassen sich Hinweise auf die Entwicklung von Druck und Temperatur in Subduktionszonen ablesen – winzige mineralische Notizen über gewaltige Bewegungen im Untergrund.

Die Göttinger Untersuchung knüpft an ein internationales Projekt unter Leitung von Suzanne Baldwin von der Syracuse University an. Das Team untersuchte granatreichen Strandsand auf einer abgelegenen Insel in Papua-Neuguinea. Die Fundstelle liegt an einer tektonisch aktiven Plattengrenze, an der sich Erdplatten übereinanderschieben. Durch Verwitterung und Erosion war der Granat aus dem Gestein gelöst, mit Sedimenten transportiert und schließlich am Strand abgelagert worden. Sand statt Hochgebirge – und darin Hinweise auf Vorgänge bis weit unter der Erdoberfläche.

Gesteine der abtauchenden Platte können bis zu etwa 120 Kilometer tief in den oberen Erdmantel gelangen, wo Ultrahochdruck-Bedingungen herrschen. Veränderte tektonische Kräfte befördern sie über Millionen Jahre wieder nach oben. Papua-Neuguinea weist die jüngsten freigelegten Ultrahochdruck-Gesteine der Erde auf; sie wurden vergleichsweise schnell aus großer Tiefe exhumiert. Der gesamte Gesteinskreislauf von der Erdoberfläche in den oberen Erdmantel und zurück dauert weniger als etwa zehn Millionen Jahre.

Währenddessen passen sich Minerale an veränderte Druck- und Temperaturbedingungen an. Neue Minerale entstehen, in denen wiederum andere Minerale als Einschlüsse eingeschlossen werden können. Das seltene Mineral Coesit bleibt durch den umgebenden Granat vor späteren Veränderungen geschützt. Graphit-Einschlüsse zeigen, dass der Granat ursprünglich an der Erdoberfläche entstand. Coesit-Einschlüsse belegen anschließend den Weg in den oberen Erdmantel und später zurück ans Tageslicht.

Jan Schönig, Doktorand am Geowissenschaftlichen Zentrum der Universität Göttingen, entwickelte dafür eine Methode zur schnellen Identifizierung und Abbildung winziger Mineraleinschlüsse in verwitterten und erodierten Gesteinen. Für den Granatsand nutzte er ein spezielles Spektrometer. Damit lassen sich viele Einschlüsse effizient untersuchen; großräumige tektonische Prozesse können so anhand mikroskopischer Informationen rekonstruiert werden. Die Ergebnisse aus Papua-Neuguinea zählen zu den ersten Anwendungen der an der Universität Göttingen entwickelten Methode.

Die Studie erschien in den Proceedings of the National Academy of Sciences: Baldwin SL, Schönig J, Gonzalez JP, Davies H, von Eynatten H: „Garnet sand reveals rock recycling processes in the youngest exhumed high and ultrahigh pressure terrane on Earth“. Der DOI lautet: 10.1073/pnas.2017231118.

Was beim Abtauchen passiert

Subduktion ist ein grundlegender Prozess der Plattentektonik. Ozeanische Lithosphäre taucht am Rand einer Platte in den Erdmantel ab, während sie von einer angrenzenden Platte überfahren wird. Die Platten bewegen sich aufeinander zu; ihr Kontaktbereich heißt konvergente oder destruktive Plattengrenze. Die abtauchende Platte ist die Unterplatte, die überfahrende die Oberplatte. Der versunkene Teil wird Slab genannt, der betroffene Bereich Subduktionszone.

Mit zunehmender Tiefe steigen Druck und Temperatur. Die ozeanische Kruste wandelt sich besonders in Eklogit um, wodurch die Dichte des Slabs zunimmt. Der schwerere Slab kann tief in den Erdmantel sinken und den übrigen Plattenteil gravitativ nachziehen – der sogenannte slab pull, ein möglicher Antrieb der Plattendrift.

Subduktion setzt einen festen, aber plastisch verformbaren und relativ kühlen Erdmantel voraus. Wahrscheinlich begann sie daher erst im Mesoarchaikum, etwa vor 3 Milliarden Jahren. Im älteren, heißeren Erdmantel wurde subduzierte Kruste vermutlich zu früh entwässert; die für die Eklogitbildung erforderliche Wasserzufuhr fehlte. Ozeanische Lithosphäre wird wegen ihrer geringeren und mit zunehmendem Alter weiter sinkenden Auftriebskraft normalerweise relativ schnell wieder subduziert. Heute ist sie meist höchstens etwa 180 Millionen Jahre alt. Eine mögliche Ausnahme bildet das östliche Mittelmeer mit Resten der Neotethys, die bis zu etwa 365 Millionen Jahre alt sein könnten.

Seismologische Untersuchungen haben Slabs vielerorts bis in große Tiefen nachgewiesen. Seismische Anomalien reichen teils bis nahe an die Kern-Mantel-Grenze. Weil die Erdoberfläche eine konstante Gesamtfläche besitzt, wird die durch Subduktion entfernte Lithosphäre an Spreizungszonen neu gebildet: Asthenosphärenmaterial steigt auf und erzeugt neue ozeanische Lithosphäre. Auch Mantelplumes transportieren heißes Mantelmaterial zur Lithosphäre und verursachen vom Verlauf der Plattengrenzen unabhängigen Vulkanismus an Hotspots. Subduktion, Plattendrift, Ozeanbodenspreizung und Mantelplumes gelten als Ausdruck der Mantelkonvektion.

Für die Entstehung von Subduktionszonen werden zwei Mechanismen unterschieden. Bei der spontanen beziehungsweise vertikal forcierten Subduktion verliert alte, abgekühlte und dichter gewordene ozeanische Lithosphäre ihren Auftrieb und sinkt ohne direkte horizontale Schubkraft ab – etwa an passiven Kontinentalrändern oder intraozeanischen Bruchzonen. Die induzierte beziehungsweise horizontal forcierte Subduktion wird dagegen durch gegenläufige horizontale Kräfte ausgelöst, die den schwereren Plattenrand unter den anderen schieben können. Solche Kräfte können auch von entfernten Lithosphärenbereichen, etwa großen Riftsystemen, ausgehen. Nach dem Beginn übernimmt zunehmend der gravitative Zug des Slabs.

Wird an einer Spreizungszone langsamer neue Lithosphäre gebildet, als an der Subduktionszone verschwindet, verengt sich das zugehörige Ozeanbecken. Die Spreizungszone kann sich der Subduktionszone nähern und schließlich selbst abtauchen – spreading ridge subduction. Dann wird die Subduktion gebremst, der Rand der Oberplatte stärker deformiert, und im Slab können Lücken, sogenannte slab windows, entstehen, die den Magmatismus der Oberplatte verstärken. Trifft ein Mittelozeanischer Rücken nahezu parallel auf die Oberplatte, kann extrem junge, leichte Lithosphäre die Subduktion beenden oder länger unterbrechen.

Nach der vollständigen Schließung eines Ozeanbeckens gelangt der kontinentale Block der Unterplatte in die Subduktionszone. Wegen seines hohen Auftriebs kann kontinentale Lithosphäre nicht tief abtauchen. Es kommt zur Kontinentkollision, zu Gebirgsbildung und häufig zum Abriss des Slabs; die Subduktionszone wird zur Kollisionszone. In der Endphase können kontinentale Krustenbereiche bis in etwa 100–200 Kilometer Tiefe subduziert und anschließend wieder exhumiert werden. Bekannte Krustenreste stammen teils aus Tiefen von über 350 Kilometern. Kontinentkollisionen bremsen die beteiligten Platten stark und können die Bewegungsmuster benachbarter Platten großräumig reorganisieren.

Gräben, Vulkane und Erdbeben

Es gibt zwei Haupttypen der Subduktion: Bei der Ozean-Kontinent-Subduktion taucht ozeanische Lithosphäre unter einen Kontinentalblock ab, es entsteht ein aktiver Kontinentalrand. Bei der Ozean-Ozean-Subduktion sink