Geologie

Wie bildet die Erde ozeanische Kruste an MORs?

Ozeanische Kruste bildet sich ständig an mittelozeanischen Rücken, den Nahtstellen tektonischer Platten mitten im Ozean, den so genannten divergenten Plattengrenzen. Wenn Magma, das an diesen Suturen an die Erdoberfläche aufsteigt, abkühlt, wird es zu junger ozeanischer Kruste. Das Alter, die Dichte und die Bedeckung der ozeanischen Kruste mit Sedimenten nehmen mit der Entfernung von den mittelozeanischen Rücken zu. Die ozeanische Kruste besteht in erster Linie aus mafischen Gesteinen, die reich an Eisen und Magnesium sind, wobei Kissenbasalte die oberste Schicht von einigen hundert Metern Dicke bilden.

Wie verändert sich der Basalt im Laufe der Zeit (von der Rückenachse über die Flanke bis zum tieferen Ozean)?

Wenn Magma entlang der mittelozeanischen Spreizungsachsen aus dem Erdmantel aufsteigt, kühlt es ab und erstarrt, wenn der Druck abnimmt. Die Menge der produzierten Schmelze hängt nur von der Temperatur des aufsteigenden Mantelmaterials ab, so dass die meisten ozeanischen Krusten die gleiche Dicke aufweisen (6-8 km). Sehr langsame Spreizungsrücken (<1 cm pro Jahr Spreizungsrate) erzeugen dünnere Kruste (4-5 km dick), da der Mantel die Möglichkeit hat, sich beim Aufsteigen abzukühlen, so dass er den Solidus überquert und in geringerer Tiefe schmilzt, wodurch weniger Schmelze und dünnere Kruste entsteht (z. B. Gakkel-Rücken, Arktischer Ozean). Eine überdurchschnittlich dicke Kruste findet sich über den sog. Mantel-Plumes, da der Mantel heißer ist und das Magma daher den Solidus durchquert und in größerer Tiefe schmilzt, wodurch mehr Schmelze und eine dickere Kruste entsteht (z. B. Island, ~20 km dicke Kruste).

Die Abkühlung des Magmas beim Erreichen des Meeresbodens ist sehr effizient, und Basalte sind die produktivsten Aquifere aller vulkanischen Gesteinsarten. Angesichts der riesigen Fläche des Meeresbodens auf der Erde stellt die obere (bis 500m) Basaltkruste das bei weitem größte Grundwassersystem dar. Die Durchlässigkeit von Basaltgestein ist sehr unterschiedlich und hängt weitgehend von der Abkühlungsgeschwindigkeit und der Dicke des basaltischen Lavastroms ab.

An den jungen Flanken des Spreizungsrückens ist die Abkühlung extrem wirksam, da die isolierende Sedimentdecke fehlt oder sehr dünn ist. Der Flüssigkeitsstrom in der veränderten oberen Ozeankruste kann mit mäßiger Geschwindigkeit von der Achse des Rückens weggeleitet werden. Eine solche Fluidbewegung kann die Dispersion CO₂-angereicherter Fluide fördern, um Mineralisierungsreaktionen (d.h. die Ausfällung von Karbonatmineralen) zu unterstützen.

Was ist das Besondere an Basalten im Hinblick auf CCS?

Basaltgestein ist hochreaktiv und enthält die Metalle, die für die dauerhafte Immobilisierung von CO₂ durch die Bildung von Karbonatmineralien erforderlich sind. Sie sind oft zerklüftet und porös und enthalten Speicherraum für das mineralisierte CO₂. Außerdem ist Basalt die häufigste Gesteinsart auf der Erdoberfläche und bedeckt ~5 % der Kontinente und den größten Teil des Meeresbodens.

Man schätzt, dass die aktive Riftzone in Island über 400 Gt CO₂ (400 Milliarden Tonnen CO₂) speichern könnte. Die theoretische Speicherkapazität der Ozeanrücken ist deutlich größer als die geschätzten 18 500 Gt CO₂, die aus der Verbrennung aller fossilen Brennstoffe auf der Erde stammen. Es bleibt die Frage, wie viel von dieser theoretischen Speicherkapazität für die mineralische Speicherung von CO₂ genutzt werden kann. Das soll u.a. in AIMS³ untersucht werden.

Der Porenraum, die chemische Zusammensetzung und die weite Verbreitung von Basalten machen sie zu perfekten Kandidaten für die Entwicklung des sog. Carbfix-Verfahrens. Aber auch andere reaktive Gesteine wie Andesite, Peridotite, Brekzien und sedimentäre Formationen, die kalzium-, magnesium- und eisenreiche Silikatminerale enthalten, können diese Aufgabe übernehmen. Studien zu diesem Thema werden im Rahmen von Carbfix2 (www.carbfix.com) und dem damit verbundenen GECO-Projekt (https://geco-h2020.eu) durchgeführt.