Ein universelles Konzept für Schmelzen in Mantelaufwölbungen

Warum das Schmelzen tief in der Erde für uns wichtig ist

Weit unter unseren Füßen steigt heißes Gestein im Erdmantel langsam auf, ähnlich wie die Bewegung in einer riesigen Lavalampe. Diese verborgene Strömung treibt Vulkane an, bildet neuen Meeresboden und bringt sogar Diamanten aus der Tiefe an die Oberfläche. Dennoch rätseln Wissenschaftler seit Langem über eine grundlegende Frage: Wie sieht die allererste Schmelze aus, wenn Mantelgestein in großer Tiefe zu schmelzen beginnt, und gelten dieselben Regeln unter Ozeanen, Inseln und Kontinenten? Diese Studie geht dieses Rätsel an und argumentiert, dass eine einzige Art kohlenstoffreicher Schmelze die Wurzel der meisten Vulkane der Erde sein könnte.

Die ersten Tropfen „Lava“ aus der Tiefe der Erde

Wenn fester Mantel aufsteigt, nimmt der Druck ab, wodurch Schmelzen leichter wird. Klassische Modelle besagten, dass „trockenes“ Gestein erst in relativ flachen Tiefen von etwa 40–70 Kilometern zu schmelzen beginnt. Aber reale Laven, die an der Oberfläche gesammelt werden, enthalten oft gelöstes Kohlendioxid (CO₂) und Wasser, die Schmelzen in größeren Tiefen auslösen können. Die Autoren konzentrieren sich auf Vorgänge in etwa 230–250 Kilometern Tiefe, wo winzige Mengen von Metall und Kohlenstoff im Mantel mit eisenhaltigen Mineralen reagieren können. Bei dieser Reaktion wird fester Kohlenstoff (als Diamant oder Metalllegierung) zu CO₂ oxidiert, was wiederum Mantelgestein erlaubt, bei Temperaturen Hunderte von Grad niedriger als sonst zu schmelzen.

Ein universelles Ausgangsrezept: kohlenstoffreiche, kimberlitähnliche Schmelze

Um zu prüfen, ob dieses tiefe „Redox“-Schmelzen überall gleich funktioniert, führten die Forschenden Hochdruckexperimente bei etwa 7 Gigapascal durch — das entspricht ungefähr 230 Kilometern Tiefe. Sie begannen mit drei sehr unterschiedlichen Oberflächenlaventypen: Kimberliten (die Diamanten transportieren können), alkalischen Ozeaninseln-Basalten von Hotspots und den tholeiitischen Basalten, die ozeanische Kruste an mittelozeanischen Rücken bilden. Im Labor ließen sie jeden dieser Schmelzen mit einer realistischen Mischung aus Mantelmineralen bei den entsprechenden Drucken und Temperaturen ins Gleichgewicht kommen. Trotz ihrer unterschiedlichen Herkunft konvergierten alle drei Prototypen zu nahezu derselben Art von Schmelze: einer CO₂-reichen, magnesium- und calciumhaltigen Silikatschmelze mit geringem Aluminiumgehalt, die natürlichem, kimberlitähnlichem Material stark ähnelt. Das deutet darauf hin, dass jede feste Mantelaufwölbung, egal wie heiß oder breit, zunächst weitgehend ähnliche karbonatierte, kimberlitartige Schmelzen erzeugt, sobald sie die Redox-Grenze überschreitet.

Wie ein Schmelztyp zu vielen Vulkanstilen wird

Sobald diese ersten Tropfen kohlenstoffreicher Schmelze entstehen, steigen sie nicht unverändert auf. Die Schmelzen perkolieren durch das umgebende Peridotitgestein, lösen einige Minerale auf und verlieren einen Teil ihres CO₂, wenn der Druck abnimmt. Dieser Prozess, genannt reaktive poröse Strömung, erhöht stetig die Gesamtmenge an Schmelze und verschiebt ihre Zusammensetzung hin zu höherem Siliziumgehalt und geringerem Gehalt an flüchtigen Bestandteilen. Unter sehr dicken, alten kontinentalen Wurzeln kann die Schmelze nahe ihrer Geburt angerissen werden und als klassische Kimberlite ausbrechen, reich an CO₂ und inkompatiblen Elementen. Unter Ozeaninseln mit mäßig dicker Lithosphäre kann dieselbe anfängliche Schmelze zu stark alkalischen, siliziumuntergesättigten Laven heranreifen. Dort, wo die darüber liegende Platte dünn ist und das Schmelzen bis in flachere Bereiche weitergeht, wird die ursprüngliche kimberlitartige Signatur nahezu vollständig von größeren Mengen trockenerer, siliziumreicherer Basalte überprägt, wie sie an mittelozeanischen Rücken typisch sind.

Hinweise aus Spurenelementen und seismischen Wellen

Chemische Fingerabdrücke in Laven stützen diese gemeinsame Abstammung. Isotope von Elementen wie Strontium, Neodym, Hafnium und Blei zeigen, dass Kimberlite, Ozeaninseln-Basalte und mittelozeanische Rücken-Basalte ähnliche tiefe Mantelreservoire anzapfen, wenn auch bei unterschiedlichen Schmelzgraden und Mischungsverhältnissen. Spurenelementmuster lassen sich dadurch erklären, dass man mit sehr kleinen Schmelzfraktionen beginnt (wie bei Kimberliten) und die Schmelzmenge bis zu den höheren Werten erhöht, die unter Rücken beobachtet werden. Die Seismologie liefert eine unabhängige Evidenzlinie: Eine globale Zone mit niedriger Geschwindigkeit, meist interpretiert als Bereich mit einer kleinen Menge Schmelze, liegt nahe 200–250 Kilometern Tiefe unter Ozeanbecken. Dieser Tiefenbereich stimmt mit der Redox-Grenze überein, an der kohlenstoffinduzierte Schmelzen beginnen sollten, und deutet darauf hin, dass derselbe Prozess weltweit wirkt.

Ein einfaches Gesamtbild unter komplexen Vulkanen

Für Nichtfachleute lautet die zentrale Botschaft, dass die vielfältigsten Laventypen der Erde — von diamantenführenden Kimberliten über Inselketten wie Hawaii bis hin zu den Basalten, die unsere Ozeanböden bilden — möglicherweise alle im Wesentlichen von derselben Art tiefer, kohlenstoffreicher Schmelze ausgehen. Die Unterschiede, die wir an der Oberfläche sehen, entstehen hauptsächlich durch die Strecke, die diese Schmelzen zurücklegen, wie stark sie unterwegs zunehmen, und wie dick die darüber liegende tektonische Platte ist. In dieser Sicht ist Kohlenstoff im tiefen Mantel nicht nur eine Nebenkomponente: Er ist der Schalter, der feste Aufwölbungen in schmelzführende Plumes verwandelt und einen einheitlichen, planetenweiten Rahmen dafür bietet, wie Schmelzen im Inneren der Erde beginnen.

Zitation: Schmidt, M.W., Paneva, N. & Giuliani, A. A universal concept for melting in mantle upwellings. Nature 650, 903–908 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-025-10065-3

Schlüsselwörter: Mantelschmelze, Kimberlit, Kohlenstoffdioxid im Mantel, Ozeaninseln-Basalte, Mittelozeanischer Rücken-Basalte