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Die zweite Revolution in der Plattentektonik

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 26.01.2017 13:58

Die Theorie der Plattentektonik hat sich vor gerade einmal 50 Jahren durchgesetzt. War Alfred Wegener noch zu Beginn des 20. Jahrhunderts für seine Idee von der Kontinentaldrift höhnisch verlacht worden, setzte sich die Sicht von der beweglichen Erdkruste gegen Ende der 60er-Jahre durch und revolutionierte das Verständnis, wie die Erde funktioniert. Jetzt glauben Geowissenschaftler, dass eine zweite Revolution in der Tektonik ansteht: Das Bild der Bewegungen an der Oberfläche wird ergänzt durch das vom Verbleib der an den Subduktionszonen in den Erdmantel abgetauchten Krustenplatten.

Die Erde aus dem Weltraum erblickt. (Bild: ESA)Für ihre 4,56 Milliarden Jahre hat sich die Erde ein ausgesprochen jugendliches Äußeres bewahrt. Plattentektonik und Verwitterung sorgen für ein stetiges Recycling der Oberfläche: So sind die meisten Meereskrustenplatten maximal 150 Millionen Jahre alt. So lange dauert es selbst in den größten Ozeanbecken von Pazifik und Atlantik, bis die an mittelozeanischen Rücken gebildete Kruste am anderen Ende der Konvektionszelle in einer Subduktionszone wieder im Erdinneren versinkt. Nur in der Levante soll sich durch die Besonderheiten der Tektonik dort Meereskruste erhalten haben, die auf 340 Millionen Jahre geschätzt wird.

Langes Leben im Erdmantel


Damit allerdings ist die Geschichte der Meereskrustenplatten noch lange nicht beendet. „Es dauert etwa 250 bis 300 Millionen Jahre, bis die Platten vollständig verschwinden“, sagt Douwe van Hinsbergen, Professor am Institut für Geowissenschaften der Universität Utrecht. Sie sinken ganz allmählich durch den Erdmantel bis sie in rund 2900 Kilometer Tiefe in Nähe der Kern-Mantel-Grenze zum Halten kommen. „Sie können nicht tiefer sinken, weil der Kern viel dichter ist. Also lagern sie sich dort ab, und es wird für uns sehr schwierig, sie voneinander zu unterscheiden“, so van Hinsbergen. Er gehört zu einer wachsenden Gruppe von Geophysikern, die versuchen, das Verhalten der Platten bis tief in den Mantel, ja sogar bis an die Grenzzone zum Kern hinein zu verfolgen.

Alter der ozeanischen Krustenplatten an der Erdoberfläche (in Millionen Jahren, Bild: NOAA)Sie stützen sich auf die sogenannte seismische Tomographie, die Durchleuchtung des Erdkörpers mit Hilfe von Erdbebenwellen, die in den vergangenen Jahren gewaltige Fortschritte gemacht hat. Mittlerweile gibt es rund 20 Computermodelle, die aus den seismographischen Daten Bilder vom Inneren der Erde errechnen, auf denen man die absinkende ehemalige Meereskruste erkennen kann. Eine wahre Datenflut aus den modernen Seismometer-Netzwerken und rasante Fortschritte in Datenverarbeitung und Modellierung haben dazu geführt, dass aus den undeutlichen Bildern der frühen seismischen Tomogramme in den heutigen Modellen ziemlich klare Strukturen geworden sind. Bei ihnen kann der Fachmann sogar ziemlich genau sehen, in welcher Neigung sie in die Tiefe vordringen. „Es ist eine ähnliche Revolution für unser Verständnis wie sie die Theorie der Plattentektonik in den 60er und 70er Jahren war“, sagt John Suppe, Geologie-Professor an der Universität Houston. „Ich war schon damals dabei, und es ist wahnsinnig interessant zu sehen, wie diese zweite Umwälzung beginnt“, sagt der heute 74jährige Wissenschaftler, der gerade an der texanischen Universität ein Erdtomographie-Zentrum aufbaut.

„Atlas der Unterwelt“ wird vorbereitet


Derzeit sortieren die neuen Revolutionäre erst einmal die Fakten. An der Universität Utrecht haben Douwe van Hinsbergen und Kollegen vom Lehrstuhl für Manteldynamik und theoretische Geophysik eine Liste der bisher bekannten abgetauchten ozeanischen Krustenstücke aufgestellt. Sie werden als „Slabs“ bezeichnet, einem Begriff englischsprachiger Bergsteiger für Felsplatten, die in mehr oder weniger spitzem Winkel geneigt sind. John Suppe redet daher von „slab tectonics“, sobald die horizontalen Krustenplatten der Erdoberfläche ins Planeteninnere absinken. Auf den Seismogrammen machen sie sich bemerkbar, weil in ihnen die Erdbebenwellen schneller sind als im umgebenden Mantelgestein. „Seismische Wellen sind in kaltem Material schneller als in heißem, und die Ursache für eine kältere Zone ist in der Regel eine ozeanische Krustenplatte, die durch den Mantel taucht“, sagt Douwe von Hinsbergen.

Schematische Darstellung der Krustenplatten auf der Erdoberfläche. (Bild: USGS)Der Utrechter Katalog wurde auf der Herbsttagung der US-amerikanischen Geophysikalischen Union in San Francisco vorgestellt und soll in ein paar Monaten veröffentlicht werden. „Wir nennen ihn Atlas der Unterwelt“, sagt Douwe van der Meer, der dem Projekt seine Doktorarbeit gewidmet hat. Rund 100 untergetauchte Krustenstücke haben die Niederländer identifiziert, manche davon in fast 2000 Kilometer Tiefe, die anderen knapp unterhalb der Erdkruste. Die Forscher haben die verfügbaren Daten in ein an der Universität Utrecht entwickeltes Tomographie-Modell der Erde eingespeist und so die derzeitige Position der 100 „verlorenen“ Krustenstücke bestimmt.

„Wenn man die Position dieser ganzen isolierten slabs im Erdmantel bestimmt hat, weiß man aber immer noch nicht, woher sie eigentlich stammen“, beschreibt Douwe van der Meer das größte Problem, vor dem er und seine Kollegen standen. Der Geophysiker nahm sich daher einen Slab nach dem anderen vor und suchte an der Oberfläche nach Subduktionszonen, an denen die ozeanische Kruste hätte abtauchen können. „Wir starteten an der Oberfläche, weil da die Subduktion noch läuft und sind immer tiefer in den Erdmantel und damit in die Erdgeschichte zurückgegangen“, so van der Meer. Für den Niederländer hieß das vor allem, sich durch Hunderte bis Tausende Fachaufsätze über bestehende und frühere Subduktionszonen und ihre Spuren auf den heutigen Kontinenten zu wühlen.

Reggane-Slab taucht tief und wandert weit


Der Reggane-Slab nach dem Utrechter Tomographie-Modell. (Bild: Douwe van Hinsbergen et al.)Zum Beispiel im Fall des Reggane-Slabs. Er wurde nach einer Stadt im Süden Algeriens benannt, unter der das Krustenstück nach den Berechnungen des Utrechter Tomographie-Modells in einer Tiefe von 1600 bis 1800 Kilometern liegt. In Zeit umgerechnet heißt das, dass das untere Ende vor rund 123 Millionen Jahren abtauchte, bevor vor 103 Millionen Jahren der gesamte Slab verschwunden war. Mit einem Tektonik-Modell von der Universität Sydney drehten van der Meer und seine Kollegen praktisch die Erdgeschichte in die fragliche Zeit zurück, um zu sehen, welche der damaligen Subduktionszonen als Ort des Geschehens in Frage kommen konnten: „Es war relativ eindeutig“, so van der Meer, „damals waren Europa und Afrika weiter im Süden als heute, und es gibt Anzeichen für eine Subduktionsphase während der Kreidezeit, die in der Region der heutigen Pyrenäen liegt.“ Für den südalgerischen Krustenrest wird daher im „Atlas der Unterwelt“ als Herkunftsort die Proto-Pyrenäen stehen, denn das heutige französisch-spanische Grenzgebirge selbst ist viel jünger. Möglicherweise ist der Reggane-Slab der Rest einer inzwischen völlig untergegangenen Meereskrustenplatte, die zur Kreidezeit in der Nähe der Iberischen Halbinsel und des heutigen Frankreichs lag.

Das Beispiel verdeutlicht allerdings, dass die „Slab-Tektoniker“ um ein ordentliches Maß Hypothese nicht herum kommen. „Der Atlas ist im Grunde eine kombinierte Interpretation der Informationen über Tiefe, Zeit und Raumkoordinaten“, so van der Meer. Und damit dürfte das letzte Wort über etliche der 100 Plattenreste noch nicht gesprochen sein, die van der Meer und seine Kollegen demnächst der Öffentlichkeit präsentieren werden. „Man darf nicht allen Anomalien trauen, die man auf einer globalen Tomographie sieht“, betont Bernd Schurr, Wissenschaftler am Deutschen GeoForschungszentrum GFZ in Potsdam, es gibt sehr viele Strukturen, die nicht wirklich durch Daten belegt sind, die in einem Modell auftreten, im anderen nicht.“ Bester Schutz gegen „Geisterplatten“ ist die genaue Kenntnis von den Stärken und Schwächen des eigenen Modells und eine gesunde Skepsis gegenüber den Ergebnissen.

Die Erdtomographie ist dabei noch nicht soweit wie etwa die Klimaforschung, die mehrere Modelle parallel laufen lässt, um so zu robusteren Ergebnissen zu kommen. „Allerdings gibt es schon Metastudien, die verschiedene Modelle nehmen und schauen welche Strukturen tauchen inunterschiedlichen Modellen auf und welche nicht“, erklärt Schurr. Etwa zur selben, zu der der Utrechter Atlas erscheint, wird von der Universität Oslo ein solcher Vergleich von immerhin 14 Tomographie-Modellen erscheinen. Gut möglich, dass einige der 100 Utrechter Krustenstücke diesem Vergleich zum Opfer fallen werden.

„Krustenvorhang“ im Erdinneren


Tomographie des Erdmantels unter den westlichen Staaten der USA. (Bild: NSF/Richard Allen, UC Berkeley)Die neuen Tomographie-Möglichkeiten liefern den Wissenschaftlern ungemein deutliche Einsichten in die Vorgänge in unzugänglicher Tiefe. So ist das Tauchverhalten der Krustenstücke ziemlich unterschiedlich. Die schnellste Platte, die Pazifische, sinkt am Tonga-Graben mit elf Zentimetern im Jahr, die langsamsten Platten gibt es im Mittelmeer, sie schaffen nur rund einen Zentimeter. Doch die Geschwindigkeitsunterschiede gibt es nur im oberen Mantel. Sobald die Krustenstücke die Übergangszone in maximal 660 Kilometer Tiefe durchstoßen haben, werden sie alle offenbar auf eine einheitliche Geschwindigkeit abgebremst. „Wir können jetzt zum ersten Mal erkennen, dass sie unterhalb dieser Zone mit einer Rate von etwas mehr als einem Zentimeter sinken“, sagt van Hinsbergen. Damit brauchen die Platten im unteren Mantel rund 100 Millionen Jahre um eine Tiefe von rund 1000 Kilometer zu durchsinken.

„Slabs sinken grundsätzlich ziemlich steil in die Tiefe, wenn sie erst einmal im Mantel eingetaucht sind“, erklärt John Suppe, „so ist es zum Beispiel mit der Nazca-Platte, die vom Pazifik her unter Südamerika absinkt.“ Die Nazca-Platte ist eine der kleineren Einheiten der Plattentektonik und wird von der riesigen Pazifischen Meereskrustenplatte und dem südamerikanischen Kontinent in die Zange genommen. Seit 80 Millionen Jahren taucht sie unterhalb der Anden in die Tiefe und ist dabei an ihrem tiefsten Punkt 1400 Kilometern eingetaucht. Die östlichste Spitze des Slabs liegt dabei unter dem zentralen Amazonas, nur rund 2000 Kilometer von der südamerikanischen Ostküste entfernt.

Dass die Nazca-Platte wie ein Vorhang unter Südamerika im Erdmantel hängt, liegt nach Angaben des Tektonik-Spezialisten aus Houston an der besonderen Situation: „Südamerika hat sich in diesen 80 Millionen Jahren kaum bewegt, an anderen Stellen, wo sich die Subduktionszone sehr stark bewegt, tauchen die subduzierenden Platten viel flacher ab.“ Ein Beispiel ist etwa die Philippinische See zwischen dem gleichnamigen Archipel, Japan und Neuguinea. „Die Region galt lange als derart komplizierter Flickenteppich aus verschiedenen Kleinplatten, dass ihn niemand mehr würde zusammensetzen können“, sagt John Suppe. Der Blick in den Mantel unterhalb der Region vereinfachte die Tektonik schlagartig. „Wir haben die Verhältnisse rekonstruiert, wie sie vor 52 Millionen Jahren gewesen sein müssen“, so Suppe, „und dabei eine bislang unbekannte Platte entdeckt, die Ostasiatische Meereskrustenplatte.“ Die war vor rund 50 Millionen Jahren ein wahrer Riese, 8000 Kilometer lang und 3000 Kilometer breit. Vor 20 Millionen Jahren war sie bis auf kleine Reste abgetaucht, ihre Position hatte die heutige Philippinische Platte eingenommen.

Verschollene Platte in Südostasien gefunden

Schematische Darstellung der Philippinischen Platte in Südostasien. (Bild: Alataristarion, CC-BY-SA 4.0)Doch auf den Tomogrammen des tektonischen Flickenteppichs in Südostasien ist die Ostasiatische Platte weiterhin präsent. Unterhalb der Philippinen ist in rund 600 Kilometer Tiefe eine horizontale Zone aus vergleichsweise kaltem Material zu sehen, die sich der Inselgruppe entlang nach Westen unter die Philippinische See zieht. „Die Platte wurde von Südosten von der Philippinischen Ozeanplatte geradezu überfahren und von Süden von der Australischen Krustenplatte“, erklärt Suppe, „die beiden haben sich so schnell bewegt, dass die Ostasiatische Platte keine Zeit hatte, steil abzusinken, sondern ziemlich horizontal im Erdmantel liegt.“

Die Bewegungen der Krustenreste im Erdmantel werden vor allem als Korrektiv für die derzeitigen Modelle der Plattentektonik gesehen. „Fast überall dort, wo wir die Slabs genauer unter die Lupe nehmen“, sagt John Suppe, „stellen wir fest, dass das, was wir im Mantel finden, nicht wirklich von den derzeitigen Modellen vorhergesagt wurde.“ Die Revolution wird daher vor allem eine Evolution der Computermodelle nach sich ziehen. „Wir wissen durch diese Slabs, wo sich eine Subduktionszone in Bezug auf den darunter liegenden Mantel befand, und das wird die Rekonstruktionen der Plattentektonik verbessern“, sekundiert Douwe van Hinsbergen. „Die Tomographie ist, ich würde sagen, das mächtigste Verfahren, um am überhaupt Erdstruktur oder tiefe Erdstruktur abzubilden und was über das Erdinnere zu lernen“, betont auch Bernd Schurr vom GFZ. Die bislang unbekannte Ostasiatische Meereskrustenplatte ist ein Beispiel dafür.