Frage08_Plattentektonik

UNTERLAGEN
Bis vor etwa 280 Mrd. a waren alle Kontinente in einem einzigen Riesenkontinent (Pangäa) vereint.
Dieser Kontinent wurde vom Urozean Panthalassa umgeben.
Der Zerfall Pangäas wurde durch den Einbruch des Thetismeeres eingeleitet. Heute sind etwa 6
größere und viele kleine Teile bekannt, die sich unterschiedlich über die Erde bewegen und auch
Kollisionen durchmach(t)en – die sich in Gebirgsbildungen (Himalaja, Anden, Alpen) niederschlugen.
Dieses Schulbuchwissen ist aber Teil eines Wissenschaftskrimis, ja fast Paradigmenwechsels. Wie
kam es zu dem Theoriengebäude der Plattentektonik und welche Beweise stützen unsere
Überzeugung?
Der deutsche Meteorologe Alfred Wegener veröffentlichte 1915 "Die Ursprünge der Kontinente und
Ozeane", und beschrieb darin erstmals das rätselhafte Zusammenpassen der Ausbuchtung Brasiliens
mit der Einbuchtung Südwestafrikas. Er argumentierte, dass die zwei Kontinente einmal verbunden
gewesen waren und später auseinandertrieben. Als Beweis für eine kontinentale Verschiebung
("Drift") wies Wegener auf Fossilien des Mesosaurus hin, eines 270-Million-Jahre-alten Reptils, die
nur im Osten Südamerikas und dem Westen Afrikas gefunden werden – deren Einheit Wegener mit
Pangäa bezeichnete. Dieses Argument wurde damals mit einer verloren gegangenen Landbrücke vom
Tisch gewischt.
"Earth: Past and Present" von Graham R. Thompson, Jonathan Turk, und Harold L. Levin, 1995,
Harcourt, Inc.
Als Ursache der Drift vermutete Wegener ein Zusammenspiel von Zentrifugalkraft und
Gravitationsdruck von Sonne und Mond.
Ein Anhänger der Theorie, Arthur Holmes aus England, schlug 1929 vor, den Konvektionsstrom
aufgeheizten Gesteines im Mantel unter der Erdkruste als ursächlich ausreichend anzusehen. Die
Worte hört´ man wohl, allein es fehlte an Glauben und Konsensualität.
Erst in den 50-er Jahren konnten Beobachtungen als Beweise der Kontinentaldrift dienen: Patrick M.
S. Blackett (Nobelpreis 1948), Stanley Keith Runcorn und Edward Bullard konnten anhand von
Messungen der „eingefrorenen“ Magnetisierungsrichtung in Erstarrungsgestein finden, dass sich
entweder das Magnetfeld der Erde oder aber die verschiedenen untersuchten Gesteine seit ihrer
Bildung verschoben hatten. Noch in den 70-er Jahren erschienen Bücher, die die Polsprungtheorie
favorisierten – aber schlussendlich konnte eine Rekonstruktion unter Hinzunahme von
Altersbestimmungen Wege der Kontinente rekonstruieren, die mit den Vorstellungen Wegeners
zusammenfielen. Und so nebenbei erfuhr man, dass das Erdmagnetfeld sich laufend umpolt.
Ein Zufall wollte es, dass Harry Hess, ein Geologe der Princeton-Universität während des 2.
Weltkriegs als Kommandant eines Angriffstransporters über das damals stärkste Echolot verfügte,
und seinem Forschungsdrang nebenbei nachgab, indem er den Pazifik entlang seiner Einsatzrouten
mit dem Echolot kartierte.
Der mittelatlantische Rücken, ein Unterwassergebirgszug, war seit 1870 punktweise bekannt. Erst in
den 50-er Jahren entdeckte man seine langgestreckte Form und Größe: 15.000 km von nördlich von
Grönland bis südlich von Afrika. Und auffallender weise waren die innersten Bereiche, die von einem
2000 m tiefen und wenige km breite Tal durchzogen sind, frei von Sedimentauflage. Bodenproben
zeigten dann auch das junge Alter dieser Bereiche.
Eine Karte des Nordatlantiks, die die Umrisse des Gebirgszuges
zeigt, wurde 1959 von Bruce Heezen, Marie Tharp, und Maurice
Ewing, Forschern von Lamont, veröffentlicht.
Hess veröffentlichte seine Idee, dass die Erde an den
mittelozeanischen Rücken auseinanderdriftet 1962. "Die
Entstehung der Ozeanbecken" lieferte eine neue Interpretation der
Geologie der gesamten Erde: Die Kruste bestünde aus eisenarmem
Gestein, das zur Oberfläche gestiegen war als radioaktiver Verfall
im Inneren des neu verdichteten Planeten das Gestein erhitzte und
schmolz. Diese Kruste hatte einmal eine einzige kontinentale Landmasse gebildet. Die Präsenz
kontinuierlicher Aufheizung im Inneren des Planeten würde eine Konvektions-"schleife" mit sich
hebendem und sinkendem Material im Mantel bilden, genau wie Arthur Holmes 1929 vorgeschlagen
hatte. Die mittelozeanischen Rücken und die Hot Spots (Hawaii) seien die Orte des Austrittes der
Konvektionszentren, an denen neue ozeanische Kruste gebildet wird, und wo Material wieder
absinke, bilden sich die tiefen Ozeangräben.
Arthur Raff und Ronald Mason vom Scripps
Institut für Ozeanographie bemerkten 1961
magnetische Anomalien im Muster von Streifen
auf dem Meeresboden vor der Küste des Staates
Washington. Ein Jahr später bemerkte der
Geophysiker Drummond Matthews von der
Cambridge Universität, der magnetische
Vermessungen eines Unterwassergrates im
Indischen Ozean unternommen hatte, ein
ausgeprägtes und merkwürdiges Muster von
Magnetstreifen mit stärkeren und schwächeren magnetischen Signalen, die in parallelen Bändern auf
beiden Seiten der Grathaube auftraten. Gemeinsam mit Fred Vine von der Cambridge Universität,
stellte er die Hypothese auf, dass der Meeresgrund die Orientierung des Erdmagnetfeldes zum
Zeitpunkt des Austritts von frisch geschmolzenem Gestein festgehalten hatte. Falls eine
Verschiebung des Meeresbodens stattfand, wie Harry Hess vorgeschlagen hatte, dann würden diese
Blöcke von abwechselnd normalem und umgekehrt magnetisiertem Material parallel von beiden
Seiten des Grates weggetragen werden.
1965 trafen sich Fred Vine auf Harry Hess, der einen Forschungsurlaub in Cambridge verbrachte, und
J. Tuzo Wilson von der Universität in Cambridge. Die fruchtbaren gemeinsamen Arbeiten führten zu
der Zusammenführung von Konvektionsströmen und Umpolungen zu einem stimmigen Bild. Nun
wurden weitere Beweise gefunden: z.B. die Proben von Ozeansedimenten, die Neil Opdyke von
Lamont analysiert hatte. Die Proben stammten von fünf bis 13 Meter langen senkrechten Kernen, die
vom Meeresboden des Südpazifiks entnommen worden waren. Der Zeitablauf und das Muster der
magnetischen Umpolungen in Opdykes Kernproben stimmten genau mit jenen der oberirdischen
Lavaströme und den Magnetbändern am Meeresboden überein.
Die Studien von Erdbeben lieferten auch einen entscheidenden Hinweispunkt für unser Verständnis
von Verwerfungszonen. Kiyoo Wadati aus Japan und Hugo Benioff vom Kalifornischen
Technologischen Institut hatten bereits in den 40iger Jahren bemerkt, dass die Zentren starker
Erdbeben sich auf einer Ebene befanden, die unter den Meeresboden eintaucht und sich in Gebieten
um die Ränder der Ozeane in der Nähe von Vulkanen an Land konzentrierten.
Studien in den 50iger Jahren zeigten, dass diese Ozeangebiete auch die Standorte tiefer Gräben
waren auf die sich Harry Hess in seinem Modell von einer Verschiebung des Meeresbodens berufen
hatte. Die tiefen Gräben und die Beben, die mit ihnen assoziiert waren, hatten die Seismologen
verblüfft. Einige dieser Erdbeben fanden tief im Mantel statt, wo das Gestein wegen der hohen
Temperaturen viskos sein sollte. Man wusste eben damals noch nicht, dass das abtauchende Gestein
einer Subduktionszone erst nach vielen Jahren ausreichend erwärmt wird…
Jack Oliver, Bryan Isacks, und Lynn Sykes von Lamont bewiesen 1964 nahe der Insel Tonga anhand
der seismischen Daten, dass die ozeanische Kruste sich abbiegt, in ca. 45 Grad in die Erde eintaucht
und hart genug ist, um Erdbeben hervorzurufen. Die erstaunliche Dicke von 100 km dieser
abtauchenden Masse erlaubte die Verwendung des Begriffes „Platte“ von Wilson.
Tuzo Wilson erklärte 1967, dass die Verschiebung des Meeresbodens und Plattentektonik genauso
wichtig für die Geologie sein könnten, wie Harveys Entdeckung des Blutkreislaufes für die Physiologie
… war".
Nun sind wir so weit, um in groben Zügen ein Abbild der Vorgänge zu skizzieren:
Geschmolzenes Gestein, das durch die Schichten des Erdmantels aufsteigt und sich von den krustigen
Spalten mittatlantischer Grate nach außen hin
verteilt, bildet neuen Meeresboden.
Der alte Meeresboden sinkt an tiefen Gräben,
die an der Grenzfläche zweier tektonischer
Platten auftreten, Regionen mit häufigen
Erdbeben, nach unten in den Erdmantel
zurück. Senkrecht zu den mittatlantischen Graten, an Stellen an denen die Meereskruste aufgrund
der Bewegung der tektonischen Platten aufreißt, befinden sich Bruchstellen, die auch
Transformationsfalten genannt werden. (Abbildung nach "Earth: Past and Present" von Graham R.
Thompson, Jonathan Turk, und Harold L. Levin, Harcourt, Inc. 1995).
Heute wissen wir, wo Erdbeben mit großer Sicherheit
auftreten werden, und dass diese Katastrophen keine
Strafe Gottes oder Zufall einer blinden Welt sind, sondern
prozessual verstanden werden können. Davon profitiert
nicht nur das Katastrophenmanagement und die
Schadensprophylaxe, sondern sogar so entfernte
Sachgebiete, wie die Prospektion von Erdöllagern anhand
der fossilen Geographie.
Abb.: Erdbeben vom 18. April 1906 in San Francisco (Quelle: Museum der Stadt San Francisco)
Zur Maturafrage:
Subduktion
Absinken einer Lithosphären-Platte unter eine andere.
Endogene Kräfte
Kräfte, die aus dem Inneren der Erde heraus auf die Erdkruste einwirken. Angetrieben durch
Wärmeenergie, führen diese Kräfte zur Bildung der Lithosphären-Platten und ihrer ständigen
Bewegungen. Auswirkungen dieser Kräfte sind Vulkanausbrüche und Erdbeben, aber auch
Hebungen und Senkungen der Erdoberfläche bis zur Bildung von Gebirgen und Tiefseegräben. Nett
wäre auch der Hinweis auf den Tsunami vom 26.12.2005 oder 11.03.2012.
Exogene Kräfte
Kräfte, die von außen her auf die Erdkruste einwirken. Wichtigste exogene Kraftquelle ist die Sonne,
die durch ihre Strahlung die Luftbewegungen und den Wasserkreislauf antreibt. Die Folgen sind
Verwitterung, Abtragung und Ablagerung der Verwitterungsprodukte und schließlich die Bildung
neuer Sedimentgesteine. Zu den exogenen Kräften zählen auch die Gezeiten. Die exogenen Prozesse
bilden eine Trias von Zerstörung – Transport – Ablagerung, die durch den Einfluss von Wind, Wasser,
Strahlung und Eis gegliedert werden können.
1. Prozesse der Zerstörung
a. Chemische Verwitterung
i. Lösung ( Kochsalz NaCL )
ii. Kalklösung oder Verkarstung (erhöhte CO2 Konzentration erhöhtes
Lösungsvermögen) CaCO3+H2O+CO2=Ca(HCO3)2
iii. Hydrolyse (Tonminerale)
b. Physikalische Verwitterung
i. Frostsprengung
ii. Erosion = linienhafte Abtragung durch Wasser
iii. Denudation = flächenhafte Abtragung (eher Eis)
iv. Äolische Verwitterung (Wind)
v. Zerstörung durch Strahlung (Zersetzung, Wüstenlackbildung, Insolation)
2. Transport
a. Abtransport durch Wasser : Abhängig von der Fließgeschwindigkeit
b. Abtransport durch Eis : "Förderband" z.B. Findlinge in Norddeutschland
c. Abtransport durch Wind : Feinmaterial
d. Abtransport durch Schwerkraft : nur in kalten Klimazonen (Permafrost und
Solifluktion)
3. Ablagerung
a. fluvial >> Flussterassen (horizontal, glattes Geschiebe)
b. glazial >> Moränen (ungeschichtet, mattes Geschiebe)
c. fluvio-glazial >> Sander , fächerförmige Sand- und Schotterflächen, die von den
Schmelzwässern im Vorfeld der Gletscher bzw. Inlandeismassen abgelagert wurden.
d. äolisch >> Sanddünen, Löß (Staub der Kältewüsten) (horizontal, matt)
Hier wäre ich der KandidatIn sehr dankbar, wenn Sie erkennen würde, dass die endogenen
Kräfte (Erdbeben, Vulkanismus, Hebung..) im Vordergrund stehen und die exogenen erst dann
modulierend eingreifen, wenn z.B. durch Orogenese eine Reliefenergie entstanden ist.