Clusteranalyse zeigt zunehmenden brustkorbartigen Vulkanismus während fortschreitender Spreizung in Afar (Äthiopien)

Ein verborgener Motor unter einem auseinanderreißenden Kontinent

Im Nordosten Afrikas wird die Erdkruste so heftig auseinandergezogen, dass sich voraussichtlich ein neuer Ozean bilden wird. Die Afar-Senke in Äthiopien und Dschibuti ist einer der wenigen Orte an Land, an denen wir diesen Prozess direkt beobachten können. Diese Studie stellt eine auf den ersten Blick einfache, aber folgenreiche Frage: Wie verändert sich das geschmolzene Gestein, das die Vulkane speist, während ein Kontinent auseinanderbricht, und wie groß ist der Anteil dieses Magmas, der aus einer tiefen, heißen Mantelplume stammt statt aus gewöhnlicheren Teilen des Erdinneren?

Die Erdgeschichte aus erstarrter Lava lesen

Wenn Vulkane ausbrechen, verfestigt sich die Lava zu Gestein, das eine chemische Erinnerung an Herkunft und Bildungsbedingungen bewahrt. In Afar gab es Eruptionen über zig Millionen Jahre hinweg, von frühen, ausgedehnten Lavaschichten bis zu den jüngeren, schmalen Vulkangräben von heute. Die Autoren stellten eine umfangreiche Datenbank mit mehr als tausend Proben aus der gesamten Region zusammen. Jede Probe verfügte über detaillierte Messungen von Makroelementen, Spurenelementen und Isotopen — verschiedene chemische Fingerabdrücke, die zusammen Aufschluss über Schmelztiefe, die zurückgebliebenen Mineralarten und darüber geben können, ob die Magmen aus tiefen Mantelplumes, aus ausgezehrtem Mantel wie unter mittelozeanischen Rücken oder aus Bruchstücken alter kontinentaler Wurzeln stammen.

Die Daten selbst gruppieren lassen

Traditionell sortieren Geologen solche Daten visuell, indem sie zwei oder drei Variablen gleichzeitig darstellen und Gruppen nach Lage oder Alter zuweisen. Das Team verwendete hier stattdessen unüberwachtes maschinelles Lernen — Clusteranalyse — und ließ die Daten sich selbst ordnen. Sie wandten zwei Clustering-Methoden an, hierarchisches Clustering und K-Means, und verglichen deren Übereinstimmung mit einem statistischen Maß, dem Dice Similarity Coefficient, um zu entscheiden, wie viele wirklich unterschiedliche Gruppen vorhanden sind. Getrennte Tests wurden für Hauptelemente, für wichtige Spurenelementverhältnisse, die empfindlich auf Schmelzbedingungen reagieren, und für Isotopenverhältnisse, die lang andauernde Mantelreservoire verfolgen, durchgeführt. Dieser Ansatz reduzierte menschliche Verzerrung und machte es möglich, subtile, aber konsistente Muster im gesamten Rift zu erkennen.

Unterschiedliche Tiefen, unterschiedliche Magmakenzeichnungen

Die Clusteranalyse bestätigte, dass sich die meisten Afar-Magmen entlang eines gemeinsamen Pfades entwickeln, der von der allmählichen Kristallisation und Entfernung von Mineralen wie Olivin, Pyroxen und Feldspat beim Abkühlen des Magmas gesteuert wird. Die Spurenelement-Cluster zeigten jedoch mehr: Lava aus Zentral- und Süd-Afar fällt in zwei Hauptgruppen, die Veränderungen in der Tiefe widerspiegeln, in der das Schmelzen stattfindet. Ältere Laven schöpften aus tieferen Mantelbereichen, während jüngere „axiale“ Magmen, die die modernen Riftsegmente speisen, aus flacheren Niveaus stammen. Das passt zur Vorstellung, dass mit fortschreitender Spreizung und Ausdünnung der Kruste die Zone, in der Gesteine erstmals zu schmelzen beginnen, nach oben wandert.

Eine überraschende Zunahme des Plume-Einflusses

Nord-Afar erzählte jedoch eine andere Geschichte. Dort gruppierte die Clusteranalyse sowohl für Spurenelemente als auch für Isotope die Laven in eine deutliche Gruppe mit starken „plumenartigen“ Signaturen: höhere Verhältnisse bestimmter Bleiisotope und Spurenelementmuster, die denen von Ozeaninselnbasalten ähneln, welche typischerweise mit Mantelplumes in Verbindung gebracht werden. Die Chemie weist auf ausgedehnteres Schmelzen eines Mantels hin, der durch wasserführende Minerale wie Amphibol modifiziert ist, vermutlich eingebracht durch die Afar-Mantelplume. Anstatt gleichmäßig in Richtung der homogeneren, ausgezehrten Zusammensetzungen zu tendieren, die man bei mittelozeanischen Rücken sieht, werden die Magmen in diesem am stärksten gedehnten Teil des Rifts mit dem Annähern an die Aufspaltung zunehmend plumen-dominant.

Was das für die Entstehung eines neuen Ozeans bedeutet

Für Nicht-Spezialisten ist die wichtigste Erkenntnis: Die kontinentale Aufspaltung ist kein glatter, einseitiger Übergang von „plume-dominant“ zu „gewöhnlich ozeanisch“ Magmatismus. In Afar scheint die tiefe Mantelplume sich unter dem dünnsten Teil der kontinentalen Decke zu konzentrieren und ihren chemischen Einfluss gerade in den letzten Stadien vor der Bildung eines vollen Ozeanbeckens zu verstärken. Anders ausgedrückt: Während die Kruste dort auseinandergezogen und geschwächt wird, wird sie zu einem immer effizienteren Trichter, durch den heißes, von der Plume gespeistes Magma an die Oberfläche gelangt. Diese Befunde legen nahe, dass tiefe Plumes eine aktive, anhaltende Rolle beim Auseinanderreißen von Kontinenten spielen und die Chemie der neu entstehenden Ozeanböden prägen können.

Zitation: Tortelli, G., Crescenzi, P., Pagli, C. et al. Cluster analysis reveals increasing plume-like magmatism during progressive rifting in Afar (Ethiopia). Sci Rep 16, 6843 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35961-0

Schlüsselwörter: Afar-Rift, Mantelplume, kontinentale Spaltung, Magmachemie, Maschinelles Lernen Geologie