einblicke in die struktur der erde
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EINBLICKE IN DIE STRUKTUR DER ERDE 1. Ein Blick ins Erdinnere Wie die Schale eines Apfels – so dünn ist die feste Erdkruste im Vergleich zum heißen und flüssigen Erdinneren. Doch woher weiß man vom Aufbau der Erde? Es war doch noch niemand dort unten! Abb. 18.1: Die Ausbreitung der Erdbebenwellen ermöglicht Rückschlüsse auf den Aufbau des Erdinneren. ������� 1 ���������� ������ ��������� ����� �������� ����� ������� ������� ������� ������������ ������ ��������� ������������ Geo-Basics: Kruste, Mantel, Kern Erdkruste: dünne Gesteinsschale an der Oberfläche der Erde (im Mittel 35 km dick). Erdmantel: zähflüssiger Bereich des Erdinneren zwischen Kruste und Kern, etwa 3 000 km mächtig. Erdkern: innerste Schicht rund um den Erdmittelpunkt mit hoher Dichte. Zu 2: A 1: Wie wirken sich die Konvektionsströmungen im Mantel auf der Erdkruste aus? Warum sind diese Auswirkungen auf bestimmte Zonen konzentriert? 2 Die virtuelle Reise zum Mittelpunkt der Erde Unsere Kenntnisse vom Aufbau des Erdinneren stammen nur zum geringsten Teil aus direkter Beobachtung. Denn das tiefste Bohrloch befindet sich auf der Halbinsel Kola (Russland) und wurde gerade bis 13 km Tiefe vorgetrieben. Im Verhältnis zu den beinahe 6 400 km bis zum Erdmittelpunkt ist das nur ein kleiner Kratzer. Die meisten Erkenntnisse über den Aufbau des Erdinneren kommen aus der Erdbebenforschung. Denn Erdbebenwellen breiten sich nicht nur an der Erdoberfläche aus, sondern durchdringen auch das Erdinnere. Dabei ändert sich in bestimmten Tiefen die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen – oder sie werden aus bestimmten Tiefen wieder an die Erdoberfläche zurückgeworfen. Daraus kann man schließen, dass sich das Material im Erdinneren ändert und dass die Erde in mehreren Schalen aufgebaut ist. Wie die Schalen einer Zwiebel Im Aufbau des Erdinneren kann man folgende Schalen unterscheiden: • Die feste Erdkruste ist im Vergleich zum Durchmesser der Erde sehr dünn. Die Dicke der Kruste variiert sehr stark: Sie reicht von nur 5 km (unter den Ozeanen) bis zu über 100 km (unter Faltengebirgen wie Alpen und Himalaja). Im Mittel erreicht sie eine Mächtigkeit von etwa 35 km. • Unter der Kruste befindet sich der Erdmantel, eine zähplastische, heiße Gesteinsmasse, die bis in etwa 2 900 km Tiefe reicht. Sie wird durch ☞Konvektionsströmungen in Bewegung gehalten, die in der Lage sind, die darüber liegende Kruste zu bewegen. Die Temperatur steigt von 1 100 ºC (an der Grenze zur Kruste) auf 3 600 ºC an seiner inneren Grenze. • Die innerste Schicht bildet der Erdkern, in dem vermutlich Temperaturen von bis zu 4 000 ºC herrschen. Der äußere Kern ist flüssig, der innere Kern fest – wegen der hohen Dichte und des Gewichts der aufliegenden Schichten. Man nimmt an, dass die Zone um den Erdmittelpunkt aus reinem Eisen besteht, welches das Magnetfeld der Erde verursacht. Abb. 18.2: Aufbau des Erdinneren ���������������������� ���� ������ �������������������� ��������������������������� Überprüfen Sie Ihr Wissen: 1. Beschreiben Sie den Aufbau des Erdinneren; nennen Sie die einzelnen Schalen und deren Merkmale. 2. Woher weiß man über den Aufbau des Erdinneren Bescheid? 18 ���� �������� ��������� ������������� ������������� ������� ������������� ������������� ➲ S. 53 f.: Vulkane – Feuer aus der Tiefe ➲ S. 54 f.: Erdbeben – die Erschütterungen sind erst der Anfang �������������� Kapitel 2 2. Kräfte im Inneren der Erde Die Erde ist ein dynamischer Planet, der durch Kräfte aus seinem Inneren ständig verändert wird: Gebirgsbildung und Kontinentalverschiebung, aber auch die Entstehung von Bodenschätzen laufen so langsam ab, dass sie für uns kurzlebige Menschen nicht unmittelbar erlebbar sind. 1 Zu 1: Kontinente in Bewegung Bis vor etwa 100 Jahren war man der Ansicht, dass die Verteilung der Kontinente und Ozeane unveränderbar sei. Doch heute weiß man, dass die Erdoberfläche ein geodynamisches System darstellt, das sich ständig verändert. i Alfred Wegener und seine Theorie der Kontinentaldrift Als der Geophysiker und Polarforscher Alfred Wegener 1912 seine Theorie von der Kontinentalverschiebung vorlegte, stieß er in der Fachwelt auf einhellige Ablehnung. Aber seine Ansichten, wonach die heutige Verteilung der Kontinente und Ozeane durch das Zerbrechen eines Urkontinents und das Auseinanderdriften der Platten entstanden sei, wurden seit den Sechzigerjahren des 20. Jahrhunderts durch viele neue Informationen über den Meeresboden bestätigt, die schließlich zur heute gültigen Lehrmeinung der Plattentektonik führten. Schon Wegener legte Beweise vor, die zeigten, dass nicht nur die Formen der Kontinente wie die Teile eines Puzzles zueinander passen, sondern auch Bergketten, Flusstäler und Rohstoffvorkommen. A 1: Beschreiben Sie, wie sich die Lage der Kontinente in den letzten 250 Mio. Jahren verändert hat. Welche Veränderung wird in den nächsten 100 Mio. Jahren erwartet? Abb. 19.2: Kontinente und Ozeane in Vergangenheit und Zukunft �������������������������������� ��������������������� ������������������� ���������� ������ ����� ������������������� 2 ����� ������ ���� ��� � Plattentektonik Die Erdkruste besteht aus mehreren starren Platten, deren Grenzen in Bewegung sind. Dort treten häufig Vulkane und Erdbeben auf. Die Dynamik der Platten wird angetrieben durch Wärmeausgleichsströmungen im darunter liegenden Erdmantel: Platten wachsen, wenn an ihren Rändern neues Material aus dem Erdinneren aufsteigt. Die einander gegenüberliegenden Plattenkanten werden allmählich zerstört, weil sie entweder nach unten ins Erdinnere gedrückt oder zu einer Gebirgskette aufgefaltet werden. �������� ���� ������� ���� ������ ���������� ������ ��������� ��������� � ��������� ����� ���� ����� ����� �������� ������� Abb. 19.1: Die Platten der Erdkruste und ihre Grenzen ������������������������������ ������������������������ ������������������ ����� ������ ���� ��� �� � ������� �� �� �� ����������� ����� �� ������������� ����� ���� �� ���� �� ����� ����� ������ �� ��� ��������� ����� ��������� ��������� ��� ��� �� ��� �� � ��� ��������� ����� ���� �� �� ��� ����� � �� �������������� �� ������������ ������ © Ed. Hölzel ��� © Ed. Hölzel �� ���� ������ ���� ��� � ����� ��� � �� ��� � � � � � �� ��� ��� �� � � ��� �� � �� ��� ������������ ����� ��� ��� � � � � � �� � � � �� � �� � � � � � �� �� � 19 EINBLICKE IN DIE STRUKTUR DER ERDE In der Bewegung der einzelnen Platten zueinander lassen sich mehrere Grundmuster erkennen: ������������ • Die meisten Platten driften unter den Ozeanen auseinander. An diesen Dehnungszonen der Erdkruste entstehen Risse mit starker vulkanischer Tätigkeit. Bei jeder neuen ☞Eruption reißt der vorhandene Rücken auf, ausströmendes ☞Magma bildet einen neuen Meeresboden. In der Mitte der Ozeane haben sich so lange Gräben gebildet. Die Bewegungen erfolgen im Zeitlupentempo, im Mittel etwa 2 bis 5 cm pro Jahr. Sie werden von Seebeben begleitet, die auf den Kontinenten nur selten wahrgenommen werden. An einigen Stellen entstanden durch besonders heftige vulkanische Tätigkeit Inseln wie Island und die Azoren. ���������� ����������� ��������� ��������������� ������������ ����������� ���������� ����������� • Wo eine kontinentale Platte gegen eine ozeanische Platte geschoben wird, muss der Meeresboden unter den Kontinent abtauchen. An solchen Subduktionszonen entstehen Tiefseegräben, wie etwa am Rande des Pazifischen Ozeans. Dort liegen die meisten aktiven Vulkane der Erde. Die Bewegung wird von heftigen Erdbeben begleitet. ��������� ��������� ���������������� • Stoßen zwei kontinentale Platten zusammen, können sich ihre Ränder zu Gebirgen auffalten. An diesen Kollisionszonen liegen die bekanntesten Faltengebirge der Welt – so etwa die Alpen und der Himalaja. ������������ ����������� • Wenn sich zwei Platten entlang ihrer Grenze gegeneinander verschieben, entstehen Verwerfungszonen. An diesen horizontalen Bruchlinien treten die Krustenbewegungen immer ruckartig auf, was zu heftigen Erdbeben führt. Am bekanntesten ist die San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien. Die schweren Erdbeben von San Francisco und Los Angeles lassen sich auf sie zurückführen. ��������� ��������������� � �������������� ���������� ����������� Geo-Basics ������������ ����������� Plattentektonik: die Zusammensetzung der Erdkruste aus starren Platten, welche den Ozeanboden und die Kontinente bilden. An ihren Rändern kommt es zu Verschiebungen verschiedenster Art, die zum Auftreten von Vulkanen und Erdbeben führen. ��������� Abb. 20.1:Plattenverschiebungen Endogene Kräfte: innenbürtige Kräfte, die ihren Ursprung im Erdinneren haben. Dazu gehören die Vorgänge der Plattenverschiebung, Gebirgsbildung, Erdbeben und Vulkanismus. Zu 2: A 1: Suchen Sie im Atlas Beispiele für Dehnungszonen, Subduktionszonen, Kollisionszonen und Verwerfungszonen. Abb. 20.2: Der Himalaja, das höchste Gebirge der Welt – entstanden durch die Kollision der Eurasischen und der Indisch-australischen Platte Helmut Wagner, Mautern A 2: Nennen Sie Beispiele für Vulkane, die an Plattengrenzen liegen. 20 Kapitel 2 3 Gebirgsbildung • Faltengebirge entstehen, wo Erdplatten kollidieren. Dadurch kommen die Gesteinsschichten unter Druck und werden eingeengt, gefaltet und emporgehoben. Vor allem zwischen der Eurasischen Platte im Norden sowie der Afrikanischen und der Indisch-australischen Platte im Süden erstreckt sich eine ausgedehnte Zone von Faltengebirgen durch Mittelund Südeuropa, Südwest- und Zentralasien. • Vulkanische Gebirge bilden sich, wenn ☞Magma an die Erdoberfläche tritt. Solche vulkanischen Ergüsse können sich zu eigenständigen Gebirgsmassiven formieren (z.B. in Ostafrika), aber auch die Bildung von Faltengebirgen begleiten (z.B. in den Kordilleren in Nord-, Mittel- und Südamerika). Abb. 21.1: Gesteinsfalten als Zeugen der Gebirgsbildung (Alpen, Schweiz) Helmut Wagner, Mautern Die meisten großen Gebirgsketten entstanden als Folge von Bewegungen der Erdplatten, stehen also im Zusammenhang mit den Vorgängen der Plattentektonik. • Auch bereits vorhandene Gebirge können durch Spannungen in der Erdkruste verformt werden, sodass es zu Brüchen im Schichtgefüge kommt. Werden einzelnen Teile gehoben, entstehen Schollengebirge (z.B. Deutsche Mittelgebirge, Mittelsibirisches Bergland). Sinken Teile der Erdkruste an Verwerfungslinien ab, bilden sich Grabenbrüche (z.B. Oberrheingraben, Kalifornisches Längstal, Ostafrikanischer Graben). i 200 Millionen Jahre im Leben eines Gebirges Das „Leben“ eines Gebirges beginnt meistens im Meer: Denn dort bilden die Überreste abgestorbener Tiere und Pflanzen, vor allem aber große Korallenstöcke, mächtige Ablagerungen (Sedimente). Im Lauf der Zeit verfestigen sich diese zu Gesteinen – so genannten Sedimentgesteinen (z.B. Kalk, Sandstein). Das Gewicht dieser Ablagerungen drückt – wie der Boden eines Schlauchbootes – auf den Untergrund der Erdkruste; es entsteht ein Senkungsfeld. Irgendwann bekommt die Erdkruste Risse und es ergießen sich Ströme von Magma aus dem Erdinneren in die Sedimentschichten. Vulkanische Ergüsse können bis an die Erd- oder Meeresoberfläche vordringen. Außerdem können durch Druck und Hitze die Gesteine umgeformt werden; durch diese Metamorphose wird beispielsweise das Sedimentgestein Kalk zu Marmor und das Tiefengestein Granit zu Gneis. Meistens spielen sich diese Prozesse unter dem Meeresspiegel ab – gegenwärtig in großen Teilen des Pazifischen Ozeans vor der Küste Ost- und Südostasiens sowie im Mittelländischen Meer. Zu 3: A 1: Suchen Sie im Atlas Beispiele für Faltengebirge, vulkanische Gebirge, Schollengebirge und Grabenbrüche. A 2: Nennen Sie Beispiele für Hochund Mittelgebirge in Europa. A 3: Welche europäischen Gebirge liegen an einer Plattengrenze? Wo gibt es Vulkane? Abb. 21.2: „Geburt“ eines jungen Gebirges – das Emportauchen aus dem Meer (Island) Gleichzeitig mit diesen Prozessen findet schon die Druckentlastung statt: Die Gesteinspakete werden gehoben, der bereits gefaltete Gebirgskörper steigt – sozusagen aus der Tiefe des Meeres – in Höhen von mehreren Tausend Meter empor. Sobald das junge Gebirge aus dem Meer auftaucht, beginnt bereits die Alterung: Wasser, Wind und Eis setzen den Gesteinen zu, durch Verwitterung und Abtragung werden die Gesteine aufbereitet. Schotter und Sand werden ins Meer transportiert und dort beginnt der Prozess der Gebirgsbildung von neuem. Nur sind in der Zwischenzeit Hunderte Millionen von Jahren vergangen. Tab. 1: Gesteinsarten und ihre Entstehung Entstehung Ablagerung in Schichten Erstarrung in der Tiefe vulkanische Ergüsse an der Oberfläche Umwandlung unter Druck bei hoher Temperatur Beispiele Kalk, Sandstein Granit Basalt, Porphyr Helmut Wagner, Mautern Gesteinsart Sedimentgesteine Tiefengesteine vulkanische Gesteine metamorphe Gesteine Gneis (aus Granit) Marmor (aus Kalk) 21 EINBLICKE IN DIE STRUKTUR DER ERDE 4 Geo-Basics: Fossile Rohstoffe Bodenschätze – Reichtum aus den Tiefen der Erde Mit der ständig wachsenden Weltbevölkerung und dem technologischen Fortschritt steigt der Bedarf an Rohstoffen: Die Palette reicht vom Platinkatalysator im Auto bis zu Erdöl- und Erdgasprodukten, die als Energielieferanten dienen. Derzeit werden etwa 100 verschiedene Rohstoffe kommerziell genutzt; etwa 20 von ihnen sind für die Industrieländer besonders wichtig und werden deshalb als ☞strategische Rohstoffe bezeichnet. • Metallische Rohstoffe (Erze) kommen vor allem in alten Teilen der Erdkruste vor. Die großen Lagerstätten von Eisenerz, Gold, Mangan, Nickel, Zink liegen daher meist in alten Festlands- und Gebirgsmassiven, die schon vor etwa drei Mrd. Jahren – also in geologischer Frühzeit – entstanden sind. • Energierohstoffe wie Erdöl und Erdgas, Stein- und Braunkohle gehören zu den fossilen Energieträgern. Sie sind in küstennahen Meeresbecken entstanden, in denen die Lebensbedingungen für Tiere, Pflanzen und Mikroorganismen optimal waren. Zur Entstehung der heutigen Lagerstätten war es noch dazu erforderlich, dass sie rasch unter Luftabschluss gelangten, also von Sedimenten (Ton oder Sand) zugedeckt wurden. Die Entstehung solcher fossiler Rohstoffe hat Millionen von Jahren gedauert. Sie sind daher – bezogen auf den Zeithorizont menschlichen Lebens – nicht regenerierbar. ➲ S. 35: Globale Erwärmung Feste, flüssige oder gasförmige Rohstoffe (Kohle, Erdöl, Erdgas), die aus geologischer Vergangenheit stammen. Sie werden zur Energieerzeugung verwendet und sind nicht erneuerbar. McAllister/VBK Abb. 22.1: Offshore-Förderung von Erdöl in der Nordsee Abb. 22.2: Erzabbau im Tagbau schlägt große Wunden in die Landschaft. Zu 4: A 1: Wo liegen die Lagerstätten der wichtigsten mineralischen Rohstoffe (Atlas)? A 3: Wo liegen die größten Verbraucher von Erdölprodukten? Welche Haupttransportrouten ergeben sich daraus (Atlas)? A 4: Welche Umweltprobleme entstehen bei Gewinnung, Aufbereitung und Transport der Rohstoffe? Grete Stargl, Wien A 2: Wo liegen die größten Erdöl- und Erdgaslagerstätten (Atlas)? Rohstoffgewinnung zwischen Ökonomie und Ökologie Überprüfen Sie Ihr Wissen: 1. Erklären Sie die Ursachen und Vorgänge der Plattentektonik. 2. Welche Arten von Plattenbewegungen gibt es auf der Erdoberfläche? 3. Was sind endogene Kräfte? Geben Sie Beispiele an. 4. Welche Arten von Gebirgen gibt es? Nennen Sie Beispiele für die einzelnen Gebirgstypen. 5. Was sind fossile Rohstoffe? Beschreiben Sie ihre Bedeutung. 22 i Für die Industrieländer ist die gesicherte Versorgung mit Rohstoffen ein wichtiges Problem. Fürchtete man in den Siebzigerjahren des 20. Jahrhunderts noch, dass die Rohstofflagerstätten bald erschöpft sein würden, so gibt es heute bei fast allen Bergbaurohstoffen Angebotsüberschüsse. Die Ursachen dafür sind vielfältig: • Die Nachfrage nach mineralischen Rohstoffen hat ihren Höhepunkt bereits überschritten, weil durch die Wiederverwertung gebrauchter Materialien (Recycling) und Anwendung neuer Technologien Rohstoffe eingespart werden. • Dadurch kam es zu einem Sinken der Preise für die meisten mineralischen Rohstoffe. Ein ungelöstes Problem besteht aber nach wie vor darin, dass bei Gewinnung, Aufbereitung und Transport der Rohstoffe große ökologische Schäden entstehen, vor allem in Ländern ohne ausgeprägte Umweltgesetzgebung. Dazu gehören Luftverschmutzung durch Verbrennen von Energierohstoffen (z.B. das Abfackeln entweichenden Erdgases bei der Erdölförderung) sowie die Belastung der Böden und Abwässer mit Schwermetallen. Die dort lebende Bevölkerung kämpft daher oft mit großen gesundheitlichen Problemen.
