Flutbasalt

Impaktinduzierter Vulkanismus?

Kontinentale Flutbasalte mit Volumina von ≥106 km3 sind die größten bekannten Ausbrüche basaltischen Magmas, und neuere Studien deuten darauf hin, dass es sich bei den Eruptionen um plötzliche, kurzlebige Ereignisse handelt, bei denen das gesamte Lavavolumen in einer Reihe riesiger Ströme über einen Zeitraum von einigen hunderttausend bis vielleicht ein paar Millionen Jahren ausgebrochen ist. Obwohl die Konvergenz der Beweise darauf hindeutet, dass einige (und möglicherweise alle) bedeutenden Aussterbeereignisse mit extraterrestrischen Einschlägen korreliert sind, zeigten die von Rampino und Stothers (1988) zusammengestellten K-Ar- und anderen Altersdaten eine Korrelation zwischen den Massenaussterben und den Zeiten der kontinentalen Flutbasaltausbrüche in den letzten 250 Ma.

Stratigraphische Studien in Indien platzieren die Dekkan-Ausbrüche jetzt nahe der paläontologisch definierten K/T-Grenze, und die Eruptionen könnten nur ∼250.000 Jahre gedauert haben (Courtillot et al., 1986). Die jüngste direkte Untersuchung der Deccan-Laven im Zusammenhang mit foraminiferalen Veränderungen an der K/T-Grenze in Indien (Jaiprakash et al., 1993) deutet darauf hin, dass die ersten Ströme zu Beginn der Faunenveränderungen an der Grenze ausgebrochen sind; die ersten Intertrappean enthalten foraminiferalen Zonen, die bis zu ∼350.000 Jahre oberhalb der kanonischen K/T-Grenze beginnen, während die früheste tertiäre Zone zu fehlen scheint; und die letzten Ströme scheinen etwa 500.000 Jahre nach der Grenze aufgetreten zu sein. Jaiprakash et al. (1993) stellen fest, dass innerhalb der stratigraphischen Auflösung der Studie alle kreidezeitlichen planktonischen Foraminiferen vor oder innerhalb des K/T-Übergangsintervalls, das durch die ersten Ströme markiert wird, ausgestorben sind.

Einschläge, die groß genug sind, um Krater mit einem Durchmesser von ≥100 km zu bilden, Flutbasaltausbrüche und Aussterben sind geologische Ereignisse erster Ordnung, die offenbar einmal alle paar zehn Millionen Jahre auftreten. Der wiederkehrende enge zeitliche Zusammenhang dieser Großereignisse zumindest während der letzten 250 Mio. Jahre lässt vermuten, dass sie miteinander in Beziehung stehen (Rampino und Stothers, 1988), und neuere statistische Tests der Korrelation zeigen eine statistische Signifikanz von > 98 % (Stothers, 1993).

Einschläge von Asteroiden oder Kometen mit einem Durchmesser von 10 km erzeugen schätzungsweise Erdbeben der Richter-Magnitude ∼12, mit Bodenwellen großer Amplitude, die Tausende von Kilometern vom Einschlagsort entfernt sind und die Lithosphäre und den oberen Erdmantel tief zerbrechen und stören können. Rampino (1987) wies auf einen möglichen Mechanismus zur Auslösung von Flutbasalteruptionen an oder in der Nähe von Orten großer Einschläge hin, die durch Brüche in der Lithosphäre und druckentlastendes Schmelzen im oberen Erdmantel ausgelöst werden. Berechnungen deuten darauf hin, dass große Einschläge (Impaktoren mit einem Durchmesser von ≥10 km) anfängliche transiente Hohlräume ausheben könnten, die tief genug sind, um ein Dekompressionsschmelzen im oberen Mantel zu bewirken, mit anschließendem Flutbasaltvulkanismus entlang tiefer, durch den Einschlag verursachter Brüche, die die Lithosphäre durchdrungen haben.

White und McKenzie (1988) erhoben Einwände gegen das Modell des Impaktvulkanismus und verwiesen auf theoretische Studien, die nahe legten, dass große Mengen basaltischer Schmelze nur durch Dekompressionsschmelzen eines anomal warmen Mantels entstehen können (McKenzie und Bickle, 1988), wie sie vor allem in den 2.000 km durchmessenden Regionen der vermuteten Hotspot-Wellen über den vorgeschlagenen Mantelplume-Köpfen vermutet wurden. Daher, so schlussfolgerten sie, müssten Einschläge bevorzugt diese Gebiete treffen, um Flutbasaltvulkanismus auszulösen, was sie für sehr unwahrscheinlich hielten. Berechnungen ergaben jedoch, dass die Hotspot-Wellen mit einem Durchmesser von 2.000 km, die mit den geschätzten 40 bis ∼100 gegenwärtigen Hotspots zusammenhängen, einen beträchtlichen Teil der Erde abdecken würden (50 ± 25 %), was einen Einschlag in den anomal warmen Erdmantel überraschend wahrscheinlich machte, und man kam zu dem Schluss, dass Einschläge großer Asteroiden oder Kometen sehr wohl für den Beginn oder die Auslösung von Flutbasaltvulkanismus und vielleicht auch von Hotspot-Ausbrüchen verantwortlich sein könnten, auch wenn dies derzeit noch als sehr spekulativ angesehen werden muss (Rampino und Stothers, 1988). Außerdem könnte der Vulkanismus durch lithosphärische Brüche an den Antipoden der großen Einschlagstellen ausgelöst worden sein, und die Eruptionen auf dem Dekkan und in Sibirien könnten in der Nähe der rekonstruierten Antipoden der Chicxulub- bzw. der vorgeschlagenen Falkland-Einschlagstellen stattgefunden haben (Rampino und Caldeira, 1992).

Seismische tomographische Beweise deuten jetzt darauf hin, dass ∼50% des globalen oberen Mantels warm ist (möglicherweise durch breite Mantelauftriebsgebiete, Erwärmung innerhalb des Mantels oder durch Isolierung des oberen Mantels durch ehemalige kontinentale Lithosphäre) (Anderson et al, 1992), was Temperaturbedingungen schafft, unter denen große Einschläge zu erheblichem Dekompressionsschmelzen führen können. In einem impaktinduzierten Hotspot-Modell könnte anhaltende Aktivität das Ergebnis einer Kombination aus Impakterhitzung und lang anhaltender Störung der Mantelgeothermie sein.

Beispiele für möglichen impaktbedingten Vulkanismus finden sich in der früheren Erdgeschichte, z. B. im Vredefort Dome und im Bushveld-Komplex in Südafrika, die als große Impaktbecken (∼400 km Durchmesser) interpretiert wurden, die vor etwa 2 Milliarden Jahren entstanden (Elston und Twist, 1990). Im Bushveld treten mafische Gesteine in sich überlagernden Ringkomplexen um die zentrale Erhebung des Beckens auf (geschichtete mafische Gesteine sind im zentralen Teil des Komplexes offenbar nicht vorhanden). Elston und Twist (1990) interpretieren diese als Mantelschmelzen, die durch tiefe Ringbrüche im Zusammenhang mit der Impaktstruktur entstanden sind.

Die Mackenzie-Ereignisse in Kanada stellen eine der am weitesten verbreiteten Episoden von mafischem Magmatismus auf den Kontinenten dar. Die mafischen Gesteine bestehen aus den Coppermine River- und Ekalulia-Flutbasalten (>140.000 km3), der geschichteten Muskox-Intrusion und dem spektakulären Mackenzie-Gesteinsschwarm, der sich vom Coronation Gulf über den Nordwesten Kanadas auf eine Entfernung von mehr als 2.400 km erstreckt. Die Muskox-Intrusion und die Mackenzie-Dykes wurden mit der U-Pb-Methode unter Verwendung von Spuren von Zirkon oder Baddeleyit (ZrO2) mit einem Alter von 1270 ± 4 bzw. 1267 ± 2 Ma BP datiert (LeCheminant und Heaman, 1989). Die zeitgleichen Flutbasalte treten im südlichen Teil einer großen kreisförmigen Erscheinung von mehr als 500 km Durchmesser auf, wobei ein Teil ihres Umfangs den Coronation Gulf selbst umreißt. Sears und Alt (1992) schlugen kürzlich vor, dass ein solcher proterozoischer mafischer Magmatismus und geschichtete Intrusionen auf einen Einschlag hindeuten. Die Assoziation von schnell ausgebrochenen Flutbasalten, einer geschichteten Intrusion, die von Granophyre (geschmolzenes Krustengestein?) überdeckt wird, und ausstrahlenden Erzgängen mit einer großen kreisförmigen Struktur unterstützt die Idee, dass der Magmatismus durch einen großen Einschlag im mittleren Proterozoikum entstanden sein könnte (D. Hyndman, persönliche Mitteilung). Trotz dieser angedeuteten Zusammenhänge lässt sich der geologische Konsens am besten in der jüngsten Aussage von Melosh (1989) zusammenfassen: „Bis heute gibt es keine eindeutigen Beweise dafür, dass Einschläge Vulkanismus auslösen können.“