Der Yellowstone-Nationalpark in den USA ist für seine Geysire und heißen Quellen bekannt. Unter Forschern aber sorgt er auch aus anderem Grund für Faszination: Hier dringt Heliumgas aus dem Untergrund, dessen Isotopenzusammensetzung ungewöhnlich und für diese Gegend rätselhaft ist. US-Forscher haben nun herausgefunden, woher das seltsame Gas stammt: Uraltes Gestein hielt das Helium für zwei Milliarden Jahre im Untergrund gefangen. Erst das in jüngerer Zeit aus tieferen Erdschichten aufsteigende Magma befreite das Urzeitgas und lässt es nun aus den Spalten und Schloten dringen.
Es brodelt und zischt, Fontänen aus heißem Wasser und Dampf steigen auf: Im Yellowstone-Nationalpark gibt es reichlich Anzeichen für eine aktive und anhaltende vulkanische Aktivität im Untergrund. Verursacht wird sie durch die Lage des Parks über einem Hotspot – einem Ort, an dem besonders heißes Magma aus dem Erdmantel nach oben steigt und sich im Laufe der Erdgeschichte immer wieder durch die Erdkruste schmilzt. Dicke Lavaschichten und drei große, sich überlappende Senken zeugen von vergangenen Ausbrüchen dieses Supervulkans.
In den letzten zwei Millionen Jahren schleuderte er drei Mal enorme Mengen Lava und Asche über halb Nordamerika, zuletzt vor rund 640.000 Jahren. Theoretisch wäre inzwischen ein weiterer Ausbruch längst überfällig, unter anderem deshalb wird die Aktivität der Geysire, der Gasemissionen und anderer vulkanischer Erscheinungen seit Jahrzehnten überwacht.
Rätselhaftes Helium
Vor allem in der Caldera des letzten großen Ausbruchs setzen unzählige Löcher und Spalten auch heute noch große Mengen vulkanischer Gase frei. „Dieses Gebiet ist das Zentrum anhaltender Zyklen von Hebungen und Senkungen des Untergrunds“, erklären Jacob Lowenstern vom US Geological Survey in Menlo Park und seine Kollegen. Ver-mutlich werden sie dadurch ausgelöst, dass immer wieder geschmolzenes Basaltgestein aus dem Erdmantel nach oben steigt und mit dem Krustengestein reagiert.
Wie die Forscher berichten, enthüllen Gasmessungen in diesem Gebiet Überraschendes: Das hier ausgestoßene Heliumgas enthält ungewöhnlich große Mengen des Isotops Helium-4 – bis zu 16-mal mehr als es den heutigen atmosphärischen Verhältnissen entspricht und sogar bis zu hundertfach mehr, als das Krustengestein an dieser Stelle eigentlich produzieren dürfte. Denn Helium-4 entsteht vor allem aus dem Zerfall der radioaktiven Elemente Thorium und Uran. Weil diese Zerfallsreaktion in älteren Gestein länger ablaufen konnte, enthalten sie normalerweise auch mehr Helium-4 als junge Gesteinsformationen.
In einem vulkanisch so aktiven Gebiet wie dem Yellowstone sind die Gesteine nahe der Oberfläche aber durch Jahrmillionen der wiederkehrenden Ausbrüche meist eher jung und mehrfach umgewandelt. Woher trotzdem so viele Helium-4 kommt, war daher bisher ein Rätsel.
Gefangen im uralten Gestein
Lowenstern und seine Kollegen haben anhand von geologischen Modellen und Proben näher untersucht, woher dieses zusätzliche Helium-4 stammen könnte. Ihr Verdacht richtete sich dabei nicht auf die oberen Bereiche der Kruste, sondern auf eine darunter-liegende Schicht sehr viel älteren Gesteins. „Yellowstone sitzt rittlings auf dem Wyoming-Kraton, einer Gesteinsformation, die schon vor 2,8 Milliarden Jahren entstand und die sich seitdem tektonisch kaum verändert hat“, erklären die Forscher. Und dieses uralte Kraton ist ihrer Ansicht nach die Quelle des zusätzlichen Helium-4.
Normalerweise wird dieses Isotop aus Zirkon- und Titanitkristallen freigesetzt, wenn die Temperaturen auf über 200 Grad Celsius steigen. Aber im Falle der Yellowstone-Caldera war dem Gas der Weg nach oben versperrt. „Das Helium blieb in den tektonisch nahezu unveränderten Gesteinen der unteren und mittleren Kruste gefangen“, so Lowenstern und seine Kollegen.
Das änderte sich erst in den letzten zwei Millionen Jahren, als sich das heiße Magma des Yellowstone-Hotspots vom Erdmantel aus durch die Kruste brannte. Das nach oben strömende Magma löste nicht nur drei gewaltige Eruptionen aus, es brach auch die Reservoire des urzeitlichen Heliumgases im alten Krustengestein auf, wie die Forscher berichten. Erst dadurch wurde das rund zwei Milliarden Jahre lang im Untergrund gefangene Gas wieder frei. Erst vor kurzem hatten Forscher ähnlich altes Heliumgas in einer Mine in Ontario entdeckt.
Das Gas war dort in urzeitlichem Porenwasser gelöst und ebenfalls mehr als eine Milliarde Jahre lang konserviert. „Noch niemals zuvor aber hat es ein so klares Beispiel für eine verzögerte Freisetzung von Helium aus radioaktivem Zerfall gegeben wie hier im Yellowstone“, schließen Lowenstern und seine Kollegen.
Video: Dokumentation – Yellowstone National Park & the Caldera Super Volcano
Quelle: wissenschaft.de vom 19.02.2014
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Wenn das Ding hochgeht, dann und Tschüß USA.
Hoffentlich bald.