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1. Die Landschaftsökologischen Zonen der Erde
1.1 Die Erdoberfläche – ein Mosaik in Bewegung
1.1.1 Der Aufbau der Erde
Wie ein Kind, das ein ungeöffnetes Geschenk schüttelt, um den Inhalt zu erkennen,
müssen auch wir Menschen auf die Klänge und Erschütterungen unserer Erde
achten, um etwas über ihr Inneres zu entdecken.
Genau dies leistet die Seismologie, die wichtigste Methode zum Studium des
Erdinneren.
Seismos (griech.): Stoß, Schlag; gewaltsam bewegt
Die Seismologie beschäftigt sich mit dem Studium der Vibrationen, die von
Erdbeben, dem Einschlag eines Meteoriten oder künstlichen Erschütterungen wie
Explosionen ausgeht. Bei solchen Gelegenheiten wird ein Seismograph verwendet,
um die tatsächlichen Bewegungen und Vibrationen in der Erde und am Boden zu
messen und aufzuzeichnen.
Wie diese Erschütterungen mit
den verschiedenen Schichten
der Erde interferieren, kann
Aufschluss über den Aufbau
der Erde geben.
Die seismische Wellen werden
in vier Arten eingeteilt, die sich
mit Geschwindigkeiten von 3
bis 15 Kilometern pro Sekunde
ausdehnen.
Zwei dieser Wellenarten
verlaufen in rollenden Wogen
über die Erdoberfläche. Die
anderen beiden, primäre (P)
oder Kompressionswellen und
sekundäre (S) oder
Schnittwellen, dringen in das
Erdinnere ein.
Primäre Wellen komprimieren
und entspannen die Materie,
durch die sie wandern (sowohl
Gestein wie auch
Flüssigkeiten), ähnlich den Schallwellen. Sie können sich auch doppelt so schnell wie
S-Wellen bewegen.
Sekundäre Wellen breiten sich durch Felsen aus, können aber keine Flüssigkeiten
durchdringen.
Sowohl P- wie auch S-Wellen werden an Punkten, an denen Schichten mit
unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften an einanderstoßen, gebrochen und
reflektiert. Beide verlangsamen sich, wenn sie sich durch heißere Materie
fortpflanzen. Diese Veränderungen sind die wichtigsten Anhaltspunkte zur örtlichen
Bestimmung dieser Übergänge.
Der innere
Aufbau
Die Erde ist sehr grob in
zwei mächtige Schalen
gegliedert, den Erdkern
(gelb) und den Erdmantel
(rot).
Die Erdkruste, auf der wir
leben, umspannt den
Mantel als hauchdünne
Außenhaut.
Abbildung 1: Der Schalenbau
der Erde. (Nach Beatty, 1990)
Merke: r = 6370 km, D = 12740 km
Kurz nach der Entstehung der Erde vor etwa 4,5 Milliarden Jahren sanken die
schweren Elemente wie zum Beispiel Eisen und Nickel ins Zentrum der Erde und
bildeten den Kern. Die leichte Elemente wie zum Beispiel Silizium, Magnesium,
Aluminium und Natrium, trieben auf und reicherten sich in einer Schale um den
Erdkern – den Mantel – an. Dieser chemische Trennungsvorgang wird
Differentation genannt und ist ein Grund für den Schalenbau der Erde.
1.1.1.1 Der Erdkern
Aus seismischen Untersuchungen weiß man, dass der Erdkern weiter in eine innere,
feste und eine äußere, zähflüssige Schale unterteilt ist. Man vermutet, dass das
Erdmagnetfeld im äußeren Kern erzeugt wird. Es ist nicht klar, weshalb der innere
Kern fest und der äußere flüssig ist. Der Kern besitzt einen Radius von etwa 3500
Kilometern. Dabei entfallen auf den inneren Kern ca. 1400 Kilometer und auf den
äußeren ca. 2100 Kilometer.
Der Erdkern wird vom Erdmantel durch eine etwa 100 Kilometer mächtige,
thermische Grenzschicht, die so genannte D’’-Schicht, getrennt.
1.1.1.2 Der Erdmantel.
Der untere, etwa 2100 Kilometer mächtige Mantel besteht überwiegend aus dem
Silikat Perowskit. Der untere Mantel ist vom oberen durch eine knapp 250 Kilometer
dicke Übergangszone getrennt. An den Grenzflächen der Übergangszone zum
unteren und oberen Mantel finden Mineralreaktionen statt. Dabei entstehen mit
zunehmender Tiefe Minerale mit größerer Dichte und kleinerem Volumen. Diese
Grenzflächen, an denen Mineralreaktionen stattfinden, sind ein zweiter Grund neben
der Differentation für den Schalenbau der Erde.
Der etwa 300 Kilometer mächtige obere Mantel und die Übergangszone bestehen
überwiegend aus den Silikaten Olivin, Pyroxen und Granat.
Die Kruste
Kontinentale oder
ozeanische Kruste
Tiefe: 10 -30 km (kontinental), 6 10 km (ozeanisch)
P-Wellen Geschwindigkeit: <5,6 7,4 km/s
Dichte: 2,7 -3,0 g/cm3
Die Mohorovicic-Diskontinuität
grenzt die Kruste nach unten hin
zum Mantel ab
Der Mantel
Der Kern
Oberer Mantel
Tiefe: bis 400km
P-Wellen Geschwindigkeit: 8,0 8,3 km/s im Bereich von 60 km
bis 250 km liegt eine Zone mit
geringerer Geschwindigkeit
(Gutenberg-Zone) , unterhalb
dieser Zone nimmt die
Geschwindigkeit wieder bis auf
8,5 km/s zu
Dichte: 3,3 g/cm3
Mittlerer Mantel
Tiefe: bis 900km
P-Wellen Geschwindigkeit: bis 11
km/s
Dichte: 4,6 g/cm3
Unterer Mantel
Tiefe: bis 2900 km
P-Wellen Geschwindigkeit: bis
13,6 km/s
Dichte: 5,7 g/cm3
Die Wiechert-GutenbergDiskontinuität stellt die untere
Grenze des Mantels dar
Äußerer Kern
Tiefe: bis 5100 km
P-Wellen Geschwindigkeit: von
8,1 km/s (W.G.-Disk.) bis 9,4 km/s
Dichte : 9,4 g/cm3
Innerer Kern
Tiefe: bis 6370 km
P-Wellen Geschwindigkeit:11,3
km/s
Dichte: 11-13,5 g/cm3
1.1.2 Plattentektonik und die Oberfläche
Die Erdkruste ist in mehrere Schollen segmentiert, die sich gegeneinander bewegen.
Dabei tauchen Platten untereinander ab, wie zum Beispiel die pazifische unter die
amerikanische. An anderer Stelle reißen Platten auseinander, wie beispielsweise im
Ost-Afrika-Rift oder entlang des Mittelozeanischen Rückens. Anderswo prallen
Platten aufeinander und türmen dabei Kilometer hohe Gebirge auf, wie den Himalaja,
der durch die Kollision der indischen mit der asiatischen Platte immer noch im
Entstehen ist. Die treibenden Kräfte für die Plattentektonik sind gigantische Walzen
zähplastischen Gesteins im Erdmantel. Auf diesen Walzen treiben die
Plattenschollen . Vereinfacht kann man sich die Platten als Styroporstücke vorstellen,
die auf kochendem Wasser schwimmen. Auch diese werden durch
Konvektionswalzen im Wasser hin und her getrieben.
An den Grenzen zweier Platten ist die Erdkruste so dünn und brüchig, dass heißes
Mantelmaterial nach oben dringen kann und Vulkane bildet. Weit über 90% aller
Vulkane sind an Plattengrenzen zu finden. Daneben gibt es die Exoten wie Hawai’i.
Dort dringt Material aus großen Tiefen
empor und durchschweißt die
Erdkruste punktuell an irgendeiner
Stelle. Deshalb wird diese Art
Vulkanismus „Hot-Spot“ genannt.
Die Großeinheiten der Erdoberfläche
sind eindeutig durch die Plattentektonik
geprägt.
Quelle: USGS copyright: USGS
Jedoch sind etwa 70% der festen Erdoberfläche unter Wasser verborgen. Die
restlichen knapp 30% Festlandanteil sind dem ständigen Werden und Vergehen
durch Witterungseinflüsse unterworfen. In Bergen erodiert Wind, Wasser, Frost und
Sonne die Gipfel und schwemmt das verwitterte Material durch Flüsse in die Täler,
wo es in Flussbetten sedimentiert. In Flachmeeren und in Schelfbereichen von
Kontinenten wird Kalk aus dem Wasser gefällt und bildet riesige
Karbonatplattformen. Dabei sedimentieren auch die Schalen und Häuser
von Meerestieren. Nach einer Weile werden die Schalen von immer neuen
Kalkschichten bedeckt und versteinern. Viel später können diese fossilführenden
Kalkschichten als Teil einer Platte mit einer anderen kollidieren. Führt diese Kollision
zu einem Gebirge, können die Fossilien sogar die Spitze dieses Gebirges bilden. So
wandern Fossilien vom Grund eines Meeres in die höchsten Höhen eines Gebirges.
Vergleiche: die Plattengrenzen
Und die Erdbebenherde
U r s a c h e f ü r d i e P la t t e n t e kt o n i k is t d ie M a n te l k o n ve k t i o n . U n t e r
g e g e b e n e n D ru c k - u n d T e m p e r a t u rb e d in g u n g e n ka n n d e r E r d m a n t e l
m i t c a . 1 0 - 1 2 c m/ a f l i e ße n . E s wi r d a n ge n o m m e n , d a ß d e r M a n t e l
d u r ch K o n ve k t i o n b e st r e b t i st , d ie T e m p e ra t u r d if f e re n z z wi s c h e n
E r d ke r n u n d E r d o b e rf lä ch e a u s zu g l e i c h e n . K o n ve k t i o n s b e we g u n g e n
t r e t e n i n f l i e ßf ä h i g e m M a t e r i a l a u f , we n n e s a n d e r U n t e r s e i t e e r h it zt
wi r d u n d a u f d e r O b e r se i t e a b kü h lt . D a n n st e i g t h e i ße s M a t e r i a l, d a s
we n i g e r d i ch t i st a l s d a s Ma t e r ia l d a rü b e r , vo m B o d e n a u f , u n d
k ü h le r e s u n d d a m it d i ch t e r e s M a t e r ia l s in k t vo n d e r O b e rf lä ch e n a c h
u n t e n . Du r c h d ie S u b d u kt i o n s zo n e n si n d d i e a b t a u c h e n d e n
K o n ve k t i o n sä s t e kl a r m a r k ie r t . D i e a u f s t e i g e n d e n s i n d zu m e in e n d i e
G e b ie t e u n t e r d e n d i ve r g e n t e n P la t t e n g r e n ze n ( M O R M i t t e lo ze a n is c h e R ü c k e n / m i d o ce a n r i d g e ) u n d zu m a n d e re n d ie
M a n t e l d ia p i re (m a n t l e p lu m e s ).
E s g i b t d re i T yp e n vo n P la t t e n g r e n ze n :
• An d i v e r g e n te P l a t t e n gr e n ze n t r e n n e n s i c h d ie P l a t t e n u n d
b e we g e n s i c h vo n e i n a n d e r we g . D ie s P l a t t e n g r e n ze i st d u r c h e in e
ze n t r a le G ra b e n st ru k t u r g e ke n ze i ch n e t , d u r c h e in so g e n a n n t e s R if t ,
e i n e A rt B r u ch l i n ie , d ie t yp i s c h e r we i s e a u f d e m K a m m vo n
G e b i r g s ke t t e n im M e e r ( M O R - M i t t e l o ze a n i sc h e Rü c ke n / m id o c e a n
r i d g e ) a u f t r i t t . D i e s e Rü c k e n s i n d i n n a h e zu a l l e n W e lt m e e r e n
vo r h a n d e n . B e d in g t d a d u rc h , d a ß d e r s t ä n d i g e n t st e h e n d e R a u m
z wi s c h e n d e n a u se i n a n d e r we i c h e n d e n P l a t t e n m i t Ma g m a g e f ü l lt
wi r d , d a s a u s d e m o b e r e n Ma n t e l a u f s t e i g t , i st d i e d i ve r g e n t e
P l a t t e n g r e n ze du rc h V u l k a n i s m us u n d E r d be be n t ä t i g k e i t
g e k e n n ze i c h n e t . Du r c h A k ku m u la t io n d i e s e s f r i s ch e n G e s t e i n s
we r d e n d i e L it h o sp h ä r e n p la t t e n , we n n s i e s i c h t r e n n e n , st e t i g
g r ö ß e r . I m L a u f e d e r Z e it e n t s t e h t d u r c h d ie T re n n u n g d e r P l a t t e n
e i n n e u e r O ze a n . D a b e i d i e se m V o rg a n g n e u e r O ze a n b o d e n
e n t s t e h t , wi r d e r a l s S e a f lo o r -S p re a d i n g b e ze i c h n e t . E in B e i sp i e l f ü r
d i e se n P la t t e n g r e n ze n t yp i st d e r M it t e l a t l a n t i s ch e R ü ck e n , d e r a u f
I s l a n d a u c h o b e rh a l b d e r W a s se r o b e rf l ä ch e s i ch t b a r wi r d .
• An k o n v e r ge n t e P l a t t e n g re n ze n st o ße n d ie P la t t e n
g e g e n e in a n d e r .
• T r a ns f o r mp l a t te n g r e n ze n s in d g e g e b e n , we n n zwe i P l a t t e n
a n e i n a n d e r vo r b e ig l e i t e n . D ie G le i t b e we g u n g e rf o l g t n ic h t
k o n t i n u i e r l i ch , s o n d e r n e h e r r u c ka r t ig . P l ö t zl i c h e G l e it b e we g u n g e n
e r ze u g e n E rd b e b e n . E i n B e i s p ie l f ü r e i n e T r a n sf o rm p la t t e n g r e n ze is t
d i e S a n - A n d re a s - S t ö ru n g in K a l if o rn i e n .
Alfred Wegeners Kontinentaldrift
Schon vor der Entdeckung der mittelozeanischen Rücken und dem
Durchbruch der Theorie der Plattentektonik war die Idee aufgetaucht, daß
die Kontinente in ihrer heutigen Form das Produkt von Prozessen sein
müssen, die im Laufe der geologischen Zeitalter zur Vereinigung und
erneuten Trennung der kontinentalen Massen geführt haben. Alfred
Wegener war es, der im Jahre 1910 die verschiedenen in diese Richtung
gehenden Ansätze zur Theorie der Kontinentalverschiebung
zusammenfaßte. Diese Theorie, die immer wieder modifiziert wurde,
ermöglicht eine recht detaillierte Rekonstruktion der Erdoberfläche und
ihrer Entwicklung bis etwa 200 Millionen Jahre zurück, als die Kontinente
noch eine einheitliche Landmasse bildeten. Dieser "Superkontinent"
Pangäa war von einem einzigen riesigen Ozean, Panthalassa genannt,
umgeben; entstanden war er vor rund 250 Millionen Jahre aus der
Verschmelzung der damaligen Großkontinente Gondwana und Laurasia.