Tiefe Kohlendioxidspeicher im Erdmantel verursachen den hohen CO2-Austoß des Ätna

Der Transport von Kohlendioxid, das 50 bis 150 Kilometer tief im Erdmantel unter der Hybleanischen Hochebene in Süditalien lagert, ist für die erstaunlich hohen CO₂-Emissionen des Ätna verantwortlich. Zu diesem Ergebnis kommt ein internationales Team von Geologen, dem Forschende der Universitäten Florenz (Italien) und Köln (Deutschland) sowie des Istituto di Geologia Ambientale e Geoingegneria des Nationalen Forschungsrats Italiens (CNR) angehören. Das Ergebnis beruht auf der Bestimmung des Verhältnisses der seltenen Spurenelemente Niob und Tantal in den von Vulkanen ausgestoßenen Magmen mithilfe moderner, hochpräziser Messmethoden. Der Artikel „A carbon-rich lithospheric mantle as a source for the large CO₂ emissions of Etna volcano (Italy)“ ist in der Fachzeitschrift Geology erschienen.

Im Laufe der Erdgeschichte – vor dem Auftauchen des Menschen – waren in erster Linie vulkanische Emissionen für Schwankungen im CO₂-Gehalt der Atmosphäre verantwortlich. Wie hoch der Beitrag der Vulkane tatsächlich ist, lässt sich jedoch nur schwer abschätzen, da er nicht direkt mit dem Gesamtvolumen des Magmas zusammenhängt, das sie ausstoßen. Tatsächlich weisen einige Vulkane außergewöhnlich hohe CO₂-Emissionen auf – im Vergleich zu der Menge an Kohlendioxid, das in ihrem Magma gelöst werden kann. Der Ätna ist vielleicht das auffälligste Beispiel, denn er trägt mit 9.000 Tonnen pro Tag zu 10 Prozent des aktuell weltweiten vulkanischen CO₂-Ausstoßes bei. Das ist dreimal mehr CO₂ als beispielsweise der Kilauea auf Hawaii, der viermal mehr Magma ausstößt.

Das Team untersuchte die Magmen von vier Vulkanen in der Region (Ätna, Monte Vulture, Stromboli und Pantelleria). Dabei machten sich die Forscher die Eigenschaften der seltenen Elemente Niob (Nb) und Tantal (Ta) zunutze, deren Vorkommen sie in den Magmen der Vulkane maßen. Das Nb/Ta Verhältnis ist in magmatischen Gesteinen zumeist sehr konstant, da es nur durch wenige geologische Prozesse verändert werden kann, etwa durch kohlenstoffreiche Schmelzen im Erdmantel. Die Studie zeigte, dass die Magmen des Ätna und des Monte Vulture extrem hohe Nb/Ta Verhältnisse aufweisen – höher als jeder andere aktive Intraplattenvulkan. Die Zusammensetzung des Magmas deutet darauf hin, dass unter Süditalien Areale des Erdmantels vorhanden sind, die extrem mit Kohlenstoff angereichert sind. Dieses Kohlenstoffreservoir wird beim Aufschmelzen der Magmen „angezapft“.

Dieser Prozess steht in direktem Zusammenhang mit den komplexen geodynamischen Bedingungen der Region: Die kohlenstoffreichen lithosphärischen Erdmantel-Areale befinden sich unter der Hybleanischen Hochebene im Süden Siziliens. Diese Bereiche werden durch plattentektonische Aktivitäten, insbesondere durch die Rückwärtsbewegung der abtauchenden Platte im Ionischen Meer, bis unter den Ätna transportiert. Ein ähnlicher Prozess findet wahrscheinlich auf der anderen Seite der abtauchenden Platte statt, unter dem Monte Vulture.

„Die Daten erlauben auch Rückschlüsse auf den erdgeschichtlichen Beitrag dieser kohlenstoffreichen Areale im Erdmantel zum CO₂-Haushalt der Atmosphäre. Manches deutet darauf hin, dass der CO₂-Ausstoß des Ätna früher noch höher gewesen sein könnte als heute“, sagt Koautor Professor Dr. Carsten Münker vom Institut für Geologie und Mineralogie der Universität zu Köln. Er und sein Team waren im Rahmen der Studie für die geochemischen Analysen verantwortlich, insbesondere für die Hochpräzisionsmessungen der Elemente Niob und Tantal.

Erstautor Dr. Alessandro Bragagni, ehemals Postdoc in Köln und nun an der Universität Florenz, fügt hinzu: „Vergleichbare kohlenstoffreiche Areale könnten auch unter anderen Vulkanen weltweit verborgen liegen und zu deren CO₂-Emissionen beitragen. Der in dieser Studie verwendete Ansatz der Messung bestimmter Elemente wie Niob und Tantal ist vielversprechend, um den Beitrag der kohlenstoffreichen tiefen Lithosphäre zum Gesamtausstoß von Kohlendioxid durch Vulkane besser zu verstehen – heute wie in der Vergangenheit. Diese vulkanischen Prozesse haben womöglich einen wichtigen Beitrag zur Veränderung des Klimas auf unserem Planeten über geologische Zeitskalen geleistet.“