Tiefe Zeit, verborgene Hinweise: Wie Gesteine die mächtigsten Prozesse der Erde dokumentieren
Die Erde ist ein dynamischer Planet, der ständig durch dramatische Kollisionen zwischen tektonischen Platten umgestaltet wird, was zu schweren Erdbeben und anderen Naturkatastrophen führt, die sich direkt auf das Leben der Menschen auswirken. Ein Großteil der dramatischsten Aktivitäten der Erde findet jedoch weit unter unseren Füßen statt, an Orten, die wir niemals direkt beobachten können. Eine der dynamischsten Umgebungen der Erde ist eine Subduktionszone – dort, wo eine tektonische Platte unter einer anderen in den Mantel abtaucht. Die Gesteine, die Hinweise darauf liefern, was dort geschieht, werden jedoch erst sichtbar, wenn Teile dieser tiefen Zonen Millionen von Jahren später wieder an die Oberfläche gelangen.
Meine Forschung konzentriert sich darauf, zu verstehen, wie Flüssigkeiten und chemische Reaktionen Gesteine umformen, wenn sie tief in Subduktionszonen gezogen und später wieder freigelegt werden. Diese Reaktionen können die Gesteine entlang der Plattengrenzen schwächen oder stärken und so beeinflussen, wo große Erdbeben auftreten. Auf den griechischen Kykladen sind heute Teile alter Subduktionszonen an der Oberfläche freigelegt und bieten ein seltenes Archiv dessen, was 40 bis 60 km unter der Erde geschieht. Ich untersuche Mineralien, die während dieser Reise entstanden sind, mit besonderem Schwerpunkt auf einer Gruppe von Mineralien namens Epidote, um herauszufinden, wann Flüssigkeiten durch diese Gesteine flossen und woher diese Flüssigkeiten kamen – wichtige Informationen für die Rekonstruktion der mechanischen Entwicklung von Subduktionszonen.
Zusammen wirft diese Arbeit ein neues Licht darauf, wie Gesteine das verborgene Leben von Subduktionszonen dokumentieren – von ihrer tiefen Vergrabenheit bis zu ihrer Rückkehr an die Oberfläche – und erweitert die Grenzen dessen, wie Mineralien genutzt werden können, um die Geschichte der Erde zu lesen. Über dieses Projekt hinaus bin ich auch an mehreren internationalen Projekten beteiligt, die sich mit der Chemie und Entwicklung von Gesteinen und Mineralien in einer Vielzahl von geologischen Umgebungen befassen.
Geochronologie der Epidot-Supergruppe
Ein Großteil meiner Doktorarbeit konzentriert sich auf eine bemerkenswerte Familie von Mineralien, die sogenannte Epidot-Supergruppe. Epidote wachsen in einer Vielzahl von metamorphen, magmatischen und hydrothermalen Umgebungen und kommen in der Natur häufig vor. Sie können Uran und Thorium in ihre Kristallstrukturen einbauen, was sie zu natürlichen Zeitkapseln macht: Durch die Messung der winzigen Mengen an Blei, die durch den radioaktiven Zerfall von U und Th entstehen, können wir berechnen, wann sich das Mineral gebildet hat. Trotz ihrer Häufigkeit in der Natur wurden nur wenige Epidotmineralien routinemäßig für die Geochronologie verwendet.
Mithilfe einer Kombination aus hochauflösender Bildgebung und Massenspektrometrie untersuche ich seltene Epidotmineralien aus über 20 Ländern weltweit – von denen einige, wie wir hoffen, völlig neue Mineralarten darstellen könnten. Diese Ergebnisse werden es uns ermöglichen, das Alter geologischer Prozesse und Formationen zu bestimmen, deren Datierung bisher sehr schwierig war. Dieses Projekt wird durch einen Geoanalytical Research and Networking Grant der IAG (International Association of Geoanalysts) unterstützt und in Zusammenarbeit mit dem Schwedischen Naturkundemuseum sowie mehreren anderen internationalen Partnern durchgeführt. Damit hoffe ich, unser Verständnis der Geochronologie von Epidotmineralien zu erweitern und eine Datenbank zur Zusammensetzung von Epidot für die breitere geowissenschaftliche Gemeinschaft aufzubauen.
Pegmatit-Petrogenese
Pegmatite sind bemerkenswerte grobkörnige magmatische Gesteine, in denen viele der für die moderne Gesellschaft wichtigen Materialien wie Lithium, Zinn, Tantal, Niob und Seltenerdelemente konzentriert sind. Diese Gesteine entstehen in den letzten, wasserreichen Phasen der Magmakühlung, wenn Elemente, die sich nicht leicht in gewöhnliche gesteinsbildende Mineralien einfügen, hochkonzentriert werden. Für Geologen ist es unerlässlich zu verstehen, wie Pegmatite entstehen: Dies hilft uns dabei, vorherzusagen, wo neue Lagerstätten zu finden sein könnten, wie groß oder reichhaltig diese sein könnten und wie ihre Metalle innerhalb des Gesteins verteilt sind. Angesichts der stetig wachsenden Nachfrage nach Batterien, Elektronik und grünen Technologien trägt ein besseres Verständnis der Pegmatitbildung direkt zur Suche nach nachhaltigen, verantwortungsvollen Quellen für wichtige Rohstoffe bei. Darüber hinaus gehören Pegmatite zu den wichtigsten Quellen für Edelsteinmaterialien wie Turmaline, Aquamarine und Topase.
Um besser zu verstehen, wie Pegmatite entstehen, habe ich mich in meiner Masterarbeit auf eines ihrer häufigsten Mineralien konzentriert – Quarz – und dabei Werkzeuge wie LA-ICPMS und FTIR eingesetzt. Mit LA-ICPMS (Laserablations-Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektrometrie) können Forscher winzige Mengen von Spurenelementen im Quarz messen und so Hinweise auf die chemische Umgebung während des Kristallwachstums gewinnen. FTIR (Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie) hingegen erkennt verschiedene Formen von Wasser und wasserbedingte Defekte in Quarz. Zusammen helfen diese Methoden dabei, ein klareres Bild von den Temperaturen, Drücken und Flüssigkeitsbedingungen zu erstellen, die bei der Entstehung von Pegmatiten herrschten. Letztendlich helfen uns diese Methoden, besser zu verstehen, wie diese Pegmatite entstanden sind: Woher kamen die Metalle, wie wuchsen die Kristalle und warum sind bestimmte Pegmatite so ungewöhnlich reich an den Materialien, auf die wir heute angewiesen sind? Derzeit konzentriere ich mich auf Pegmatite von der italienischen Insel Elba und aus den Schweizer Alpen sowie aus einigen anderen Regionen wie Brasilien und Afghanistan.
Mineralentwicklung
Die Theorie der Mineralentwicklung betrachtet alle Mineralien auf der Erde und stellt eine überraschend einfache Frage: Gab es alle Mineralien schon immer auf unserem Planeten? Die Antwort lautet eindeutig „nein“. Die Mineralogie der Erde – und anderer Planeten und Monde – hat sich über Milliarden von Jahren verändert. Physikalische, chemische und sogar biologische Prozesse haben die Erdoberfläche verändert und im Laufe der Zeit die Bildung neuer Mineralien ermöglicht. In diesem Sinne hat sich die mineralische Vielfalt unseres Planeten ebenso wie das Leben weiterentwickelt.
Seit 2021 arbeite ich mit dem Carnegie Science Team unter der Leitung von Prof. Bob Hazen zusammen, um zu erforschen, was uns Mineralien über die Geschichte der Erde lehren können. Meine Forschung konzentriert sich darauf, wie sich die durchschnittlichen Eigenschaften von Mineralien – wie Härte oder Symmetrie – im Laufe der geologischen Zeit verändert haben. Wir haben festgestellt, dass sowohl die Härte als auch die Symmetrie mit der Zeit tendenziell abnehmen, da die Strukturen und die chemische Zusammensetzung von Mineralien immer komplexer werden. Ich habe auch zur Entwicklung eines neuen evolutionären Systems der Mineralogie beigetragen, das die Klassifizierung von Mineralien über die Chemie und Kristallstruktur hinaus erweitert. Dieses neue System berücksichtigt auch die Prozesse und Umgebungen, in denen Mineralien entstehen, sodass wir echte natürliche „Arten” von Mineralien unterscheiden können, die ihre Herkunft und Geschichte widerspiegeln.
Mein oberstes Ziel bei der Erforschung der Mineralentwicklung ist es, dazu beizutragen, die Kluft zwischen der Mineralogie und anderen geowissenschaftlichen Disziplinen zu überbrücken. Ich möchte hervorheben, wie viel wir lernen können, wenn wir die Mineralien der Erde als informationsreiche Zeitkapseln untersuchen. Mein Ziel ist es, eine einheitlichere Herangehensweise zu fördern, um zu verstehen, wie Materialien auf der Erde entstehen, sich verändern und miteinander interagieren.
