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  5. 7.2 – Plattentektonik und Gebirgsbildung

7.2 – Plattentektonik und Gebirgsbildung

Vor hundert Jahren entdeckte Alfred Wegener die Kontinentaldrift, und vor 40 Jahren wurde die Plattentektonik entwickelt. Dadurch änderte sich das Verständnis von Gebirgsbildungsprozessen maßgeblich. Die plattentektonische Hypothese ermöglicht es, die Bewegung und die Geschwindigkeit der großen Lithosphärenplatten genau vorherzusagen. Vor etwa 20 Jahren erfuhr die Plattentektonik eine revolutionäre Bestätigung. Damals gelang es zum ersten Mal, die Bewegung der europäischen Platte relativ zur nordamerikanischen Platte mit Satellitenmessungen zu bestimmen.

Bis heute ist allerdings die Frage nicht gelöst, welche Kräfte Plattentektonik und Gebirgsbildung antreiben. Heute wird die Lithosphäre als wichtigste Grenzschicht zwischen dem Erdinneren und der Atmosphäre angesehen. Die Kräfte, die die Oberfläche unseres Planeten geformt haben, kann man erst wirklich verstehen, wenn man die Plattentektonik mit Modellen der Mantelkonvektion und der Klimaänderung kombiniert. Daher braucht man komplexe Modelle, die die Entwicklung der Lithosphäre mit den Prozessen im Erdinneren einerseits und den Prozessen der Atmosphäre und der Hydrosphäre andererseits auf längeren Zeitskalen verknüpfen. Die Herausforderung besteht somit darin, Modelle zu erstellen, die alle drei Sphären verbinden.

Alfred Wegener

Alfred Wegener 1907. Reproduktion einer Zeichnung des Künstlers Johannes Achton Friis

In den letzten Jahren haben sich die Methoden zur Vermessung der Erdoberfläche mit Hilfe von Satelliten so drastisch verbessert, dass vertikale und horizontale Bewegungen der Oberfläche extrem genau erfasst werden können. Auch Massenverlagerungen tief im Mantel hinterlassen einen messbaren Abdruck an der Erdoberfläche. Neue Datierungsmethoden erlauben es, die Abtragungs- und Exhumierungsraten von Gebirgen genau zu bestimmen. Damit lassen sich geodynamische Modelle teilweise in Echtzeit testen. Allerdings brauchen die Bewegungen der Erdoberfläche, die während eines kurzen Zeitfensters beobachtet werden, nicht unbedingt repräsentativ für die langfristige tektonische Entwicklung der Erdkruste zu sein. Es ist nach wie vor eine große Herausforderung, die Zeitskalen zu überbrücken.

Lage der Grenze zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre (LAB) unter Mitteleuropa

Lage der Grenze zwischen Lithosphäre und Asthenosphäre (LAB) unter Mitteleuropa. a) Seismische Sta­tionen und Lage zweier Profile, Seismisches Profil mit Lage der Moho-Diskontinuität entlang des b) Profils A, c) Profils B, d) 3-D Darstellung der LAB in Mitteleuropa, EEC-Osteuropäischer Kraton, KARP-Karpaten, PB-Pannonisches Becken, BM-Böhmisches Massiv, OR-Oberrheingraben, TTZ-Tornquist-Teisseyre Zone, MD-Mitteldeutschland (Quelle: Forough Sodoudi, Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungs Zentrum (GFZ))

Geodynamische Modelle und geologische Beobachtungen zeigen, dass sich unter der Lithosphäre wahrscheinlich eine Schicht niedriger Viskosität befinden muss, die so genannte Asthenosphäre, damit Plattentektonik möglich ist. Der Übergang von der starren Lithosphäre zu der duktilen Asthenosphäre wurde lange Zeit als eine diffuse, rein thermisch bedingte Grenze betrachtet. Neue seismische Untersuchungen zeigen jedoch, dass diese Grenzfläche oft sehr scharf und nur wenige Kilometer dick ist. Eine derartig scharfe Grenze kann nur existieren, wenn sich dort der Phasenbestand ändert. In der Tat gibt es Hinweise darauf, dass sich in der Asthenosphäre geringe Anteile von Schmelzen bilden. Dabei spielt die Gegenwart geringer Spuren von Wasser wahrscheinlich eine entscheidende Rolle.

Das mechanische Verhalten der Lithosphäre unterscheidet sich vom darunter liegenden, plastisch fließenden Mantel dadurch, dass sich die Verformung in der Lithosphäre oft auf kleine, lokale Bereiche konzentriert. Weite Bereiche der Lithosphäre verhalten sich starr, nur wenige Störungen verformen sich. Die physikalischen Mechanismen dieser Scherlokalisierung sind noch wenig verstanden. Wenn die Festigkeit des Gesteins stark von der Temperatur und der Verformungsrate abhängt, kann diese Scherlokalisierung auftreten. So können Störungszonen an Stellen auftreten, an denen sich durch lokale Reibungswärme Schmelze bildet oder an denen wässrige Fluide vorhanden sind. Untersuchungen in der San Andreas-Störung haben gezeigt, dass ein Teil der aktiven Störungszone das Mineral Talk enthält, das durch hydrothermale Lösungen gebildet wurde. Talk ist extrem weich und ein hervorragendes Schmiermittel. Das tiefere Verständnis der Scherlokalisierung ist nicht nur von rein akademischer Bedeutung. Es könnte auch ein Schlüssel dazu sein, Erdbeben womöglich einmal vorhersagen zu können.

Wissenschaftliche Herausforderungen

In den letzten Jahren hat sich die Vorstellung darüber drastisch geändert, wie klimatische Prozesse mit der Plattentektonik gekoppelt sind. So ist heute klar, dass sich die Meereszirkulation grundlegend verändern kann, wenn sich große Ozeanbecken wie der Atlantische Ozean öffnen oder wenn sich kleine Meeresengen wie in Panama oder Gibraltar schließen. Diese Veränderungen der globalen Wasserzirkulation wirken sich drastisch auf Temperatur und Niederschlagsverteilung aus, die wiederum die Erosion der Gebirge steuern. Entlang konvergenter Plattengrenzen bilden sich dagegen neue Gebirge, weil dort Gesteinspakete übereinander geschoben werden. Wenn ein Gebirge in die Höhe wächst, bildet es eine Barriere für den Niederschlag. Also entwickeln sich häufig niederschlagsarme Regionen im Inneren der Gebirge, was die Erosion verringert. Dadurch hebt sich das Gebirge weiter an, bis sich Hochplateaus wie in Tibet ausbilden. Auf der Erde können Gebirge aufgrund der ­Festigkeit der Gesteine nur eine bestimmte Höhe erreichen. Wenn sich das Gebirge weiter verformt, bilden sich an einer konvergenten Plattengrenze entweder große Störungssysteme aus oder der mittlere wasserreiche Bereich der Lithosphäre beginnt, plastisch zu fließen. Welche Mechanismen dieses Verhalten auslösen, ist allerdings nur in Grundzügen bekannt. Die Topographie der Lithosphäre entsteht somit durch ein dynamisches Wechselspiel zwischen internen und externen Kräften. Sie ist daher ein erstrangiger Indikator für die gekoppelten Prozesse im System Erde.

Lithosphärendynamik, Manteldynamik und Klimadynamik

San Andreas Zone in Kalifornien
Eine stark deformiere Scherzone in einem Quarzdiorit

Scherlokalisierung im Gelände. Links: San Andreas Zone in Kalifornien ; Rechts: Eine stark deformiere Scherzone in einem Quarzdiorit (Quelle: links: National Aeronautics and Space Administration (NASA) / Jet Propulsion Laboratory, Caltech, Pasadena(JPL) / NIMA; rechts: Bayerisches Geoinstitut (BGI), Bayreuth)

Die Prozesse, die Verwerfungen in der Kruste erzeugen und vergrößern, sind generell wenig verstanden. Experimentelle Untersuchungen, bei denen das Deformationsverhalten von Gesteinen mit komplexer mineralischer Zusammensetzung gemessen wird, können Hinweise auf diese Vorgänge geben. Allerdings ist es schwierig, die hohen Verformungsraten im Experiment zu den sehr viel niedrigeren Deformationsraten in der Natur zu extrapolieren. Dieses Problem kann nur durch verbesserte theoretische Modelle gelöst werden. Deren Ergebnisse müssen anschließend mit Geländebeobachtungen verglichen werden. Möglicherweise werden sich quantenmechanische Modelle in den kommenden Jahren so stark verbessern, dass man das Deformationsverhalten von Gesteinen rein theoretisch vorhersagen kann. Die Struktur von Störungen und das Material in der Störungszone können Hinweise auf Verformungsmechanismen liefern. Damit lassen sich theoretische Modelle der Scherlokalisierung testen. Die Vorhersage von Erdbeben ist ein Fernziel dieser Untersuchungen.

Scherlokalisierung in der Kruste

Es ist nach wie vor nicht geklärt, wie groß die relative Festigkeit der oberen Kruste, der unteren Kruste und des lithosphärischen Mantels ist. Das liegt daran, dass sich das Gestein in der Tiefe verformt, umwandelt und eventuell auch partiell schmilzt. Deforma­tion kann Reaktionen zwischen Mineralen drastisch beschleunigen. Wenn sich der Mineralbestand verändert und eine Vorzugsorientierung ausbildet, verändert sich wiederum die Festigkeit des Gesteins. Partielle Schmelzbildung ist wahrscheinlich ein verbreitetes Phänomen in der Unterkruste. Schmelzbildung kann die Festigkeit eines Gesteins drastisch reduzieren. Sie hängt jedoch, wie viele andere Parameter, sehr stark von der Aktivität des Wassers ab. Diese Frage lässt sich nur klären, wenn man verschiedene Methoden kombiniert. Dabei kommen Laborexperimente, Untersuchungen im Gelände, numerische Modellierung, direkte Beobachtung von Deformation an der Erdoberfläche mit Satelliten und die Untersuchung der Struktur der Lithosphäre mit hochauflösenden seismischen Methoden in Frage.

Festigkeit von Kruste und Mantel

Ein dichtes Netz aus mobilen seismischen und satellitengeodätischen Stationen kann die Struktur der Lithosphäre und die aktive Verformung in bisher unerreichbarer Auflösung abbilden. Frühere seismische Experimente hatten meist nur die Kruste zum Ziel. Ein Experiment wie das USArray-Projekt könnte völlig neue Einblicke in die Struktur und die tektonische Entwicklung des europäischen Kontinentes liefern. USArray nutzt 400 mobile seismische Sta­tionen, die nach und nach über den ganzen amerikanischen Kontinent bewegt werden. Ein ähnliches Experiment in Europa wäre nützlich, um bisher unbekannte oder wenig untersuchte Störungszonen oder Magmenkammern zu lokalisieren. Damit könnte man seismische und vulkanische Risiken besser abschätzen.

Europäische Lithosphäre

Satellitengestützte geodätische Messungen beschränken sich bisher auf wenige kleine, nicht miteinander verknüpfte Netzwerke. Sie messen meist nur die lokale Verformung der Erdoberfläche. In der Zukunft wäre es von grundlegender Bedeutung, ein GPS-Netzwerk wie das nordamerikanische Plate Boundary Observatory (PBO) einzurichten. Das PBO und USArray sind Teile des von der National Science Foundation getragenen Großprojektes EarthScope, bei dem die nordamerikanische Lithosphäre mit mehreren Methoden durchleuchtet wird. Eine ähnliche Initiative gibt es zurzeit mit EPOS und TOPO Europe im Rahmen der europäischen Zusammenarbeit.

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