Zink‑Isotopen belegen umfangreiche Karbonat‑Recycling im arktischen Asthenosphärenmantel

Warum tiefer Erd‑Kohlenstoff wichtig ist

Ein großer Teil des Kohlenstoffs der Erde verbirgt sich tief unter unseren Füßen und beeinflusst dort still die Vulkanaktivität, Erdbeben und das Klima über lange Zeiträume. Diese Studie blickt unter den Arktischen Ozean, an einen abgelegenen Abschnitt des mittelozeanischen Rückens namens Gakkel‑Rinne, und stellt eine überraschende Frage: Warum sind seine Laven so kohlenstoffreich, obwohl er weit entfernt von üblichen Tiefen‑Hotspots oder aktiven Subduktionszonen liegt? Indem die Autoren einem feinen chemischen Fingerabdruck im Zink folgen, zeigen sie, wie uralte Meeresboden‑Karbonate, einst Teil der ozeanischen Kruste, heute kohlenstoffreiche Vulkanik in einer der isoliertesten Regionen des Planeten antreiben.

Ein ruhiger Rücken mit unerwarteter Kohlenstofffracht

Mittelozeanische Rücken sind lange Unterwasser‑Gebirgsketten, an denen neue ozeanische Kruste entsteht, wenn tektonische Platten auseinanderziehen. Normalerweise wird von Rücken, die fern von Hotspots und Subduktionszonen liegen, erwartet, dass sie relativ kohlenstoffarmen Mantel anzapfen. Die Gakkel‑Rinne, der langsamste Spreizungsrücken der Welt unter dem arktischen Eis, widerspricht dieser Regel. Frühere Arbeiten zeigten, dass ihre Laven etwa dreimal mehr Kohlendioxid enthalten als typische „ruhige“ Rücken und damit die Kohlenstoffwerte von Riffen erreichen, die von Aufwölbungen aus tiefen Mantelbereichen beeinflusst werden. Die neue Studie will dieses Rätsel erklären, indem sie Chemie und Isotope von Basaltproben untersucht, die entlang eines 1100 Kilometer langen Abschnitts des Rückens geborgen wurden.

Zink als Spurstoff für verborgene Karbonate

Der entscheidende Hinweis liegt in den Isotopen des Zinks, eines Metalls, das sowohl in Gesteinen als auch in bestimmten kohlenstoffhaltigen Mineralen vorkommt. Oberflächenkarbonate, wie sie in marinen Sedimenten entstehen, weisen deutlich „schwerere“ Zink‑Isotopenverhältnisse auf als der durchschnittliche Mantel. Werden diese Karbonate an Subduktionszonen hinabgezogen und überstehen sie große Tiefen, können sie sich später im Mantel unter Rücken vermischen und ihr Zink‑Signal in aufsteigende Magmen übertragen. Die Gakkel‑Basalte zeigen systematisch schwerere Zink‑Isotopenwerte als typische mittelozeanische Rückenbasalte weltweit. Sorgfältige Tests schließen andere Erklärungen aus, etwa Effekte durch Kristallisation, Schmelzgrad oder Vermischung mit karbonatfreiem, recyceltem Krustenmaterial. Die einfachste Erklärung ist, dass der Mantel unter Gakkel eine kleine, aber bedeutende Menge recycelter, magnesiumreicher Karbonate enthält.

Verbindung von tiefem Kohlenstoff mit uralter arktischer Subduktion

Geochemische Modelle legen nahe, dass bereits das Hinzufügen von nur etwa 1–4 Prozent recycelten Karbonats zu ansonsten typisch ausgelaugtem Mantel die Zink‑Isotopen-, Spurenelement‑ und Strontium‑Neodym‑Isotopenmuster der Gakkel‑Laven reproduzieren kann. Woher stammt dieses Karbonat? Plattenrekonstruktionen und seismische Bilder deuten auf einen uralten Ozean, den South Anuyi Ocean, hin, der im Unteren Kreidezeitraum vor über 130 Millionen Jahren unter die Arktis subduziert wurde. Subduktionsplatten dieses verschwundenen Ozeans liegen heute tief im Mantel, doch einige der von ihnen transportierten Karbonate scheinen in der überlagernden Asthenosphäre stecken geblieben zu sein. Während Mantelgestein langsam zirkuliert, können diese karbonatreichen Bereiche in das Aufsteigen unter der Gakkel‑Rinne eingesogen werden und deren Schmelzen sowohl mit Kohlenstoff als auch mit schwerem Zink anreichern.

Was das für den oberen Mantel bedeutet

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Kohlenstoffgehalt des oberen Mantels nicht allein von gegenwärtigen Hotspots gesteuert wird, die tiefen Kohlenstoff in Rücken einspeisen. Vielmehr trägt der Mantel auch ein langlebiges Gedächtnis uralter Subduktion, gespeichert als verstreute Taschen recycelter Karbonate, die mehr als 130 Millionen Jahre überdauern können. An der Gakkel‑Rinne fördert dieses verborgene Erbe wahrscheinlich tiefere und kohlenstoffreichere Schmelzen, was ungewöhnliche Merkmale wie tiefe Erdbeben und explosive submarine Eruptionen in der Region mit erklären kann. Allgemeiner könnten ähnliche Prozesse unter anderen abgelegenen Rücken und intraplate Vulkanen stattfinden, was bedeutet, dass recycelte Meeresboden‑Karbonate eine große und bisher unterschätzte Rolle im tiefen Kohlenstoffkreislauf der Erde spielen.

Eine einfache Kernaussage

Anschaulich zeigt diese Studie, dass ein Teil des Kohlenstoffs, der heute in arktischen Meeresboden‑Vulkanen steckt, ursprünglich als ozeanische Karbonat‑Sedimente vor mehr als 100 Millionen Jahren entstand. Diese Sedimente wurden durch Subduktion tief in die Erde gezogen, teilweise aufgeschmolzen oder gelöst und dann in der weichen Mantelschicht unter der Arktis gespeichert. Erst jetzt werden sie von aufsteigendem Magma unter der Gakkel‑Rinne angezapft und erhöhen den Kohlenstoffgehalt ihrer Laven. Durch die Analyse des Zink‑Isotopen‑„Signatures“ in diesen Gesteinen zeigen Wissenschaftler, wie frühere Plattenbewegungen weiterhin den modernen tiefen Kohlenstoffhaushalt und indirekt das langfristige Verhalten unseres Planeten formen.

Zitation: Zhang, WQ., Ding, WW., Liu, CZ. et al. Zinc isotope evidence for extensive carbonate recycling in the Arctic asthenosphere. Nat Commun 17, 4340 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71022-w

Schlüsselwörter: tiefer Kohlenstoffkreislauf, Gakkel‑Rinne, Mantelkarbonate, Zink‑Isotope, Subduktions‑Recycling