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7.1 – Entstehung der kontinentalen Lithosphäre

Das von Charles Lyell aufgestellte geologische Grundprinzip des Aktualismus gilt auch heute noch: Geologische Vorgänge, die heute zu beobachten sind, haben ebenso in der Vergangenheit gewirkt.

Exhumierte alte Gesteine sind die einzigen Zeugen des Experiments „Erde“. Vorhersagen zum mechanischen Verhalten und zur Entwicklung der Erde bauen auf diesen Zeugen der Vergangenheit auf. Vom Prinzip des Aktualismus ist möglicherweise nur der früheste Abschnitt ausgenommen. Erst als die Erde soweit abgekühlt war, dass Lithosphärenprozesse einsetzten, die mit der heutigen Plattentektonik vergleichbar waren, und als der Wasserkreislauf mit Erosion und Sedimenttransport entstand, liefen die geologischen Prozesse so ab wie heute. Die ältesten Überreste der kontinentalen Erdkruste sind mehr als 4 Milliarden Jahre alte Zirkone aus Australien. Zirkon ist ein Mineral, das aufgrund seines hohen Gehalts an Uran und Thorium eine präzise Altersdatierung erlaubt. Die Zirkone belegen, dass die ersten Kontinente fast so alt sind wie die Erde selbst. Die früheste kontinentale Kruste, die vor mehr als 2,5 Milliarden Jahren entstand, unterscheidet sich jedoch geochemisch wesentlich von später gebildeten Gesteinen. Offensichtlich liefen die frühen plattentektonischen Prozesse schneller und anders ab als heute. Das lag daran, dass die Temperaturen im Erdmantel und in den subduzierten Platten damals noch deutlich höher waren als heute. Das führte dazu, dass die frühe Ozeankruste nicht so einfach in den Erdmantel zurück sinken konnte und sich übereinander stapelte. Da sie mit Ozeanwasser durchsetzt war, schmolz die aufgestapelte, basaltische Kruste an ihrer Basis. Die an Silizium, Aluminium und anderen leichten Elementen reichen Schmelzen bildeten die ältesten Kontinentkerne.

Als der Planet sich immer weiter abkühlte, konnten die ozeanischen Platten in den Erdmantel zurücksinken. Als diese immer noch heißen, mit Wasser angereicherten Ozeanbasalte in die Tiefe sanken, schmolzen sie auf. Auch hier bildeten sich siliziumreiche Schmelzen, die nach oben stiegen und die Ur-Kontinente weiter wachsen ließen. Durch ihre geringere Dichte konnten diese frühen Krustengesteine nicht wieder in den Mantel subduziert werden. Sie blieben an der Erdoberfläche. Auf diese Weise vergrößerten sich das Volumen und die Fläche der Kontinente im Laufe der frühen Erdgeschichte. Die frühe kontinentale Kruste hat einen spezifischen Fingerabdruck von Spurenelementen, der sie von der später gebildeten Kontinentkruste erkennbar unterscheidet.

Der größte Teil der Kontinente bildete sich in mehreren Phasen zwischen 3,5 und 2 Milliarden Jahren. Zu diesem Zeitpunkt trat erstmals auch ein anderer Krustenbildungsprozess auf: Weil die radioaktiven Elemente im Erdinneren nicht mehr so viel Wärme produzierten, kühlte der Planet ab. Auch die subduzierte Ozeankruste wurde zu kalt, um bei der Subduktion aufzuschmelzen. Die am Ozeanboden entstandenen wasserhaltigen Minerale wurden nun in große Tiefen subduziert, wo sie sich langsam aufheizten und instabil wurden. Schließlich gaben sie ihr Wasser an den darüber liegenden heißeren Erdmantel ab. Dort erniedrigte sich der Schmelzpunkt, und das Gestein schmolz auf. Die Basaltschmelzen stiegen auf, kühlten ab und differenzierten zu siliziumreicheren Magmen und Gesteinen. Die magnesium- und eisenreichen Rückstände der Differentiation wurden bei der nächsten Gebirgsbildung wieder in den Mantel zurückgeführt. Diese Prozesse liefen bis vor etwa zwei Milliarden Jahren besonders effektiv ab. Dadurch wuchs das ­Krustenvolumen stark an. Bis heute lassen die gleichen Vorgänge die Kontinente an den Plattenrändern weiter wachsen. Ohne Ozeane können daher keine Kontinente auf einem Planeten entstehen.

Ohne Ozeane keine Kontinente

Altersverteilung der ozeanischen Lithosphäre

Altersverteilung der ozeanischen Lithosphäre. Deutlich sind die unterschiedlich breiten Zeitscheiben zu sehen, die ein propagierendes Wachstum von großen Störungssystemen andeuten und Veränderlichkeiten der mittelozeanischen Spreizungsraten aufzeigen (Quelle: Elliot Lim, CIRES & National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) / NGDC, Daten: Muller et. al., doi:10.1029/2007GC001743)

Weder auf der Venus noch auf dem Mars gibt es Plattentektonik. Die Wechselwirkung zwischen den Kontinenten und Ozeanen spielt in der langfristigen Entwicklung der Erdoberflächentemperatur eine wesentliche Rolle. Im Flachmeer und auf den Kontinentalschelfen wurden im Verlauf der Erdgeschichte Karbonatgesteine gebildet. Dabei verbanden sich Calcium und Hydrogenkarbonat, die bei der Gesteinsverwitterung freigesetzt wurden, mit riesigen Mengen an CO2 aus der Atmosphäre. Ohne Ozeane und Kontinente wäre unsere Atmosphäre so reich an CO2 wie die der Venus. Somit spielen die Kontinente eine zentrale Rolle dafür, dass sich auf der Erde lebensfreundliche Bedingungen entwickelten und bestehen blieben.

Wissenschaftliche Herausforderungen

Die Plattentektonik existiert auf der Erde seit mindestens zwei Milliarden Jahren. Möglicherweise gab es sie noch viel früher. Wann genau sich erstmals mobile Platten an der Erdoberfläche bildeten, ist jedoch unklar. Wenn man die Struktur der noch erhaltenen Teile der archaischen Kruste untersucht und nach geochemischen Spuren von Prozessen in Subduktionszonen sucht, könnte man klären, ob es auf der frühen Erde eine andere Art von globaler Tektonik gegeben hat als wir sie heute beobachten. Durch stark verbesserte Untersuchungsmethoden, Datenassimilation und Modellierungen ergeben sich seit kurzem ganz neue Möglichkeiten zur Erforschung der Lithosphäre.

Wie weit reicht die Plattentektonik zurück?

Die Geochemie erforscht, wie chemische Elemente innerhalb der Lithosphäre im Verlauf der Erdgeschichte transportiert und umgelagert werden. Isotopengeochemische Analysen spielen dabei eine immer größere Rolle. Sie erlauben es zum einen, Gesteine und Minerale der Erdkruste zu datieren, zum anderen ermöglichen sie es, chemische Veränderungen im Erdmantel und in der Kruste im Verlauf der Erdgeschichte zu bestimmen. Eine der spannendsten offenen Fragen ist die, wie hoch die Raten der Krustenneubildung und des Recyclings waren. Moderne, ortsauflösende Methoden, mit denen sich Spurenelemente und Isotopenzusammensetzungen in zonierten Einzelmineralen bestimmen lassen, sind für diese Arbeiten unerlässlich. Sie müssen für die Arbeitsgruppen an den Universitäten verfügbar gemacht werden.

Neue geochemische Analysenmethoden

Die Geophysik bildet die Strukturen der Erdkruste mit tomographischen und reflexionsseismischen Methoden mit immer höherer Ortsauflösung ab. Sie liefert damit die entscheidenden Daten, um den Aufbau der Lithosphäre bestimmen zu können. An jetzt herausgehobenen, früher aktiven Kontinentalrändern lassen sich magmatische und metamorphe Prozesse in tieferen Krustenniveaus untersuchen. Diese Prozesse erlauben neue Einblicke in die Bildung der Kontinente. Sie müssen interdisziplinär, gegebenenfalls im Rahmen von internationalen Tiefbohrprogrammen vertieft untersucht werden. Da sich einzelne geochemische, petrologische oder tektonische Prozesse mit unterschiedlicher Geschwindigkeit verändern, sollten die wichtigsten Parameter in der Zeitdimension erfasst werden. Dies ist eine der wichtigsten Forderungen an die entsprechenden Datenbanken, digitalen Archive und 3-D Visualisierung von Geodaten als Modellierungsgrundlage.

Die Lithosphäre in 4-D

Die Gesteine der Kontinente sind einem ständigen Kreislauf unterworfen. Durch die Kollision von Lithosphärenplatten, durch Gebirgsbildung, Hebung, Erosion und Sedimentation werden die Gesteine immer wieder abgetragen, versenkt und wieder emporgehoben. Nur gelegentlich wird kontinentales Material, zum Beispiel in Form von Sedimenten oder tektonisch „abgehobelten“ Krustenspänen, an der Subduktionszone eines aktiven Plattenrandes tief in den Mantel versenkt. Einen Teil dieses Krustenmaterials erkennen wir anhand seines geochemischen Fingerabdrucks in den vulkanischen Gesteinen, die an den aktiven Plattenrändern wieder an die Oberfläche kommen. Ein anderer Teil dieses Fingerabdrucks der Kontinente verschwindet im tiefen Erdmantel und erscheint Milliarden Jahre später als chemische Anreicherung in manchen ozeanischen Basalten, zum Beispiel in Hawaii. Weil sich viele Elemente im Laufe der Erdgeschichte in den Kontinenten angereichert haben, verarmten diese Elemente im Erdmantel, aus dem die kontinentale Kruste entsteht. Verarmung im Mantel, Anreicherung in den Kontinenten und Recycling von Krustenmaterial an den Subduktionszonen sind die wichtigsten geochemischen Transportprozesse zwischen Mantel und Kruste.

Abtauchen kontinentaler Kruste in den Mantel

zuletzt geändert am 2014-08-26 11:05:04 durch Jana Stone | Impressum