THEMA_Nr_5105_Plattentektonik

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Von der Kontinentaldrift zur Plattentektonik: Geben Sie einen
Abriss der Verteilung endogener und exogener Kräfte im Kontext
der Subduktionszonen (inkl. Skizzen).
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 Kollissionen 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 enteckte man seine langgestreckte Form und Größe:
15.000 km von nördlich von Grönland bis südlich von Afrika. Und auffallenderweise
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 sagar 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.
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 Konzentrationè
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
3.
Ablagerung
a.
b.
c.
d.
Abtransport durch
Abtransport durch
Abtransport durch
Abtransport durch
und Solifluktion)
Wasser : Abhängig von der Fließgeschwindigkeit
Eis : "Förderband" z.B. Findlinge in Norddeutschland
Wind : Feinmaterial
Schwerkraft : nur in kalten Klimazonen (Permafrost
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 zB durch Orogenese
eine Reliefenergie entstanden ist.