Ozeanplatten entsteigen ihren Gräbern

Alle paar Hundert Millionen Jahre verklumpen die Kontinente zu einer riesigen Landmasse. Die ozeanischen Platten dazwischen werden dabei ins Erdinnere gedrückt. Doch viele Millionen Jahre später tauchen sie wieder auf.

Vor etwa 300 Millionen Jahren stießen die Kontinente Europa und Asien zusammen. Dabei wurde das Uralgebirge aufgetürmt. Vor etwa 50 Millionen Jahren tauchten in der Eifel Vulkane auf. Es ist kaum vorstellbar, dass diese räumlich und zeitlich weit auseinanderliegenden Geschehnisse irgendetwas miteinander zu tun haben sollen. Und doch: Wissenschaftler finden im Erdinnern immer mehr Indizien, die für einen Zusammenhang sprechen. Und nicht nur bei Eifel und Uralgebirge, sondern an vielen Stellen der Welt. „ Große Gebirgsketten entstehen in der Regel bei der Kollision von Kontinenten", erklärt Wim Spakman von der Universität Utrecht. „ Doch bevor die Kontinente kollidieren, werden die Ozeanplatten zwischen ihnen ins Erdinnere gedrückt."

An der Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel – in einer Tiefe von etwa 2900 Kilometern – haben Forscher Strukturen entdeckt, die Spakman für versunkene Ozeanplatten hält. Mit Hilfe der bekannter Daten über die Verschiebungen der Kontinente hat Spakmans Forschergruppe nun rekonstruiert, welche der im Erdinnern gefundenen Reste ozeanischer Platten wann und bei welcher Gebirgsbildung im Erdinneren verschwanden. „Dabei fiel uns auf, dass viele Hotspot-Vulkane an der Erdoberfläche genau über den Rändern abgetauchter Ozeanplatten liegen", berichtet Wim Spakman.

Anders als gewöhnliche Vulkane befinden sich Hotspot-Vulkane in der Regel mitten auf einer tektonischen Platte, weit entfernt von der nächsten Plattengrenze an der Erdoberfläche. Ein mit heißer Materie gefüllter Kanal – ein „Plume" – verbindet diese Vulkane direkt mit der Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel, sind viele Forscher überzeugt. „Unsere Rekonstruktion hat ergeben, dass zwischen dem Abtauchen einer Ozeanplatte, das zeitgleich mit der Bildung des zugehörigen Gebirges geschieht, und dem Entstehen eines Hotspot-Vulkans an der Erdoberfläche etwa 250 Millionen Jahre vergehen", erläutert Spakman.

„Wir denken, dass die sinkenden Platten heiße Materie beiseite drängen, wenn sie auf die D''-Schicht treffen." – D''-Schicht (sprich: D-Zwei-Strich-Schicht) nennen Geophysiker den Grenzbereich zwischen Erdkern und Erdmantel. Die Bezeichnung ist von einer früheren Nomenklatur übrig geblieben, bei der dem gesamten unteren Erdmantel der Buchstabe D zugeordnet wurde.

Das verdrängte Material, ist Wim Spakman überzeugt, quillt dann an einem oder mehreren Rändern der abgesunkenen Platte hoch und steigt von dort als Plume zur Erdoberfläche auf. Warum die Eifel-Vulkane mehrere Tausend Kilometer westlich vom Ural liegen, aber auch der Island-Plume, dessen Existenz Spakmans Team ebenfalls mit der Entstehung des Uralgebirges verbindet, erklärt sich Spakmans Kollege Douwe van der Meer so: „Die tektonischen Platten ,wandern‘: Seit der Uralbildung sind Europa und Asien ein großes Stück nach Osten gerückt." Er vermutet, dass die beiden Kontinente etwa entlang der heutigen Linie Eifel-Island miteinander kollidiert sind. Das ist viel weiter westlich, als die Forscher bisher dachten.

RASANTE UMWÄLZUNG

Van der Meer macht auf einen weiteren Widerspruch aufmerksam: „ Man nimmt im Allgemeinen an, dass ein vollständiger Umwälzungszyklus im Erdmantel eine Milliarde Jahre dauert. Der von uns entdeckte Mechanismus ist viermal schneller." Eine plausible Erklärung ist, dass der von den Niederländern postulierte Prozess gar kein Teil des weltweiten tektonischen Umwälzungszyklus ist, der unter anderem für die periodische Entstehung und Zerstörung von Superkontinenten verantwortlich gemacht wird, sondern dass es sich um ein lokal begrenztes Phänomen handelt. Als „Superkontinent" bezeichnet man die Vereinigung der irdischen Landmassen zu einem großen Kontinent. Den Blick mehr auf das „große Ganze" gerichtet hat ein Team um Shigenori Maruyama vom Tokio-Institut für Technologie und M. Santosh von der Universität Kochi. Die Wissenschaftler aus Japan haben auf seismischen Tomographie-Bildern aus dem Erdinnern den gesamten Globus nach „Plattengräbern" durchforstet und die gesunkenen Ozeanplatten mit den Kontinentkollisionen der vergangenen 1000 Millionen Jahre in Beziehung gesetzt.

Solche dreidimensionalen Tomographie-Bilder werden aus Erdbebenwellen gewonnen, die das Erdinnere durchlaufen und an unterschiedlich dichten Strukturen verschieden stark gebrochen werden. Die heute aktivste „Begräbnisfabrik" für Ozeanplatten haben Maruyama und Santosh im Westpazifischen Raum ausfindig gemacht – in der sogenannten Westpazifischen Dreieckszone. Dort schiebt sich zum einen die Pazifische Platte mit einer Geschwindigkeit von 8 bis 11 Zentimetern pro Jahr von Osten her unter den asiatischen Kontinent. Zum anderen sinkt die Australische Platte mit fast der gleichen Geschwindigkeit in Richtung Norden unter Asien ab. Hier liegt an der Kern-Mantel-Grenze eine etwa 350 Kilometer mächtige Schicht, in der die beiden Forscher Plattengräber vermuten. Einige jüngere, maximal vor 20 Millionen Jahren mit dem Sinken begonnene Platten haben den Weg bis nach unten noch nicht geschafft und befinden sich zurzeit noch in etwa 500 Kilometer Tiefe in der Übergangszone zwischen oberem und unterem Erdmantel.

PLATTENGRÄBER SPEISEN SUPERPLUMES

Wie die Utrechter Forschergruppe um Wim Spakman gehen auch Maruyama und Santosh davon aus, dass es einen Zusammenhang gibt zwischen den Plattengräbern und den Plumes, die auf der Erdoberfläche für Vulkanismus sorgen. Doch die Forscher aus Japan interessieren sich nicht so sehr für die gewöhnlichen „kleinen" Plumes, die wie der Eifel- und der Island-Plume einen regional begrenzten Vulkanismus anregen. Sie suchen vielmehr nach einer Erklärung für die Entstehung der „Superplumes", die für das Auseinanderbrechen ganzer Kontinente verantwortlich sein sollen. In den erst seit wenigen Jahren in hinreichender Qualität existierenden Tomographie-Aufnahmen der Plattengräber scheinen Maruyama und Santosh nun fündig geworden zu sein.

Neben den relativ jungen Plattengräbern der Westpazifischen Dreieckszone fanden die Forscher an der Kern-Mantel-Grenze drei weitere Friedhöfe, die sie zwei Superkontinenten zuordnen konnten. Ein solcher Superkontinent existierte vor etwa 300 Millionen Jahren: Pangäa. Vor etwa 150 Millionen Jahren brach er wieder auseinander. Die Bildung von Laurasia – des nördlichen Teils von Pangäa –, das Nordamerika, Europa und Asien umfasste, war erst vor 200 Millionen Jahren vollständig abgeschlossen. Folglich sind die bei der Vereinigung von Laurasia ins Erdinnere gedrückten Ozeanplatten der jüngste dieser drei Friedhöfe. Gondwana, der südliche Teil von Pangäa, der im Wesentlichen aus Südamerika, Afrika, Indien, Australien und der Antarktis bestand, war bereits vor 500 Millionen Jahren fertig. Entsprechend alt sind die Gondwana zugeordneten Plattengräber. Der älteste Friedhof besteht aus den Ozeanplatten, die bei der Vereinigung des Superkontinents Rodinia, dem Vorgänger von Pangäa, vor etwa 1000 Millionen Jahren ins Erdinnere gedrückt wurden.

Maruyama und Santosh haben die Plattengräber in vier verschiedene Friedhöfe unterteilt. Und sie haben geprüft, welche Unterschiede es zwischen diesen Friedhöfen genau gibt. Denn die vier Friedhöfe könnten in Wirklichkeit vier Entwicklungsstadien ein und derselben Friedhofsart sein. Und tatsächlich: Sie weisen sowohl charakteristische Gemeinsamkeiten als auch Unterschiede auf, die auf eine zeitliche Entwicklung schließen lassen. Die beiden jüngeren Friedhöfe – die der Westpazifischen Dreieckszone und die von Laurasia – haben einiges gemeinsam: Beide bilden eine 350 Kilometer dicke Schicht oberhalb der Kern-Mantel-Grenze, die kälter ist als ihre Umgebung. Und von keinem der beiden Friedhöfe steigen Plumes hoch. Zwischen den beiden Friedhöfen gibt es bloß einen wesentlichen Unterschied: Während sich über den Gräbern der Westpazifischen Dreieckszone noch einige Platten im Erdmantel befinden, sind die bei der Entstehung von Laurasia abgesunkenen Ozeanplatten bereits bis zur Kern-Mantel-Grenze gesunken.

OSTAFRIKA WIRD GEWALTIG EINGEHEIZT

Deutliche Unterschiede gibt es dagegen zu den bei der Gondwana-Vereinigung entstandenen Plattengräbern. Aus ihnen steigen Plumes auf – darunter der Afrikanische Superplume, der für die Abspaltung der Arabischen Halbinsel vom Afrikanischen Kontinent verantwortlich gemacht wird. Maruyama vermutet, dass dieser Superplume einst Pangäa aufgebrochen hat. Derzeit heizt er dem Osten Afrikas ein und wird ihn durch seinen Vulkanismus vermutlich in einigen Millionen Jahren entlang des Ostafrikanischen Grabens vom restlichen Afrika abgespalten haben.

Ganz anders ist die Situation bei den Plattengräbern, die Maruyama und Santosh der Entstehung des Superkontinents Rodinia zuordnen. Inmitten dieses riesigen Friedhofs, der einen großen Teil des Pazifiks und von Asien einnimmt, sitzt der Pazifische Superplume mit einem Durchmesser von mehreren Tausend Kilometern. Für die Forscher aus Japan lassen all diese Indizien nur einen Schluss zu: Im Laufe von vielen Hundert Millionen Jahren verwandeln sich die Plattengräber in Plumes und – bei einem genügend großen Friedhof – in einen Superplume. Ein solcher Superplume kann durchaus den Superkontinent zerstören, bei dessen Bildung die Ozeanplatten einst ins Erdinnere gedrückt wurden. Den Pazifischen Superplume machen Maruyama und Santosh für das Auseinanderbrechen von Rodinia verantwortlich. Auch eine Erklärung für die Umwandlung der relativ kalten gesunkenen Ozeanplatten in heiße aufsteigende Superplumes haben die Forscher parat. Die abgesunkenen Ozeanplatten sollen die D''- Schicht an der Kern-Mantel-Grenze mit dem Mineral Post-Perowskit anreichern. „Aufgrund der Hitze aus dem Erdkern verwandelt sich das Post-Perowskit mit der Zeit in Perowskit", erklärt Santosh. „Bei diesem Phasenübergang wird Wärme freigesetzt, die für die Entstehung von kleinen Plumes sorgen könnte." Verschiedene kleine Plumes könnten sich dann mit der Zeit zu einem Superplume vereinigen.

Vorbehalte gegen die Theorie des japanischen Teams äußert Albrecht Hofmann vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz: „ Ich lese Maruyamas Arbeiten immer mit Interesse, weil er viel Fantasie hat und neue Ideen einbringt. Aber die Post-Perowskit-Hypothese enthält zurzeit noch enorm viel Spekulation, und das Freiwerden von genügend Wärme bei der Umwandlung stützt sich auf äußerst unsichere Daten." Vehement widerspricht Hofmann der Annahme von Santosh und Maruyama, dass die Umwandlung der Ozeanplatten und die Erzeugung von Plumes innerhalb der D''-Schicht geschehen soll: „Wir glauben, dass sich die D''-Schicht sehr früh in der Erdgeschichte gebildet hat und die Materie seitdem dort unten geblieben ist."

DER ERDKERN IST UNSCHULDIG

Hofmanns Hauptargument: Das Isotop Nd- 142 des chemischen Elements Neodym ist im Erdmantel im Vergleich zu Meteoriten überrepräsentiert. Da aber Erde und Meteoriten aus den gleichen „ Rohstoffen" entstanden sind, muss es in der Erde einen Bereich geben, in dem Nd-142 zum Ausgleich unterrepräsentiert ist. Den Erdkern muss man bei der Berechnung der Neodym-Gehalte außen vor lassen, da Neodym im flüssigen Eisen des Erdkerns nicht löslich ist. Infrage kommt deshalb nur die D''-Schicht zwischen Erdkern und Erdmantel. Würden Ozeanplatten in die D''-Schicht abtauchen und Plumes aus ihr aufsteigen, dann hätten sich die unterschiedlichen Nd-142-Gehalte längst ausgeglichen. Hofmann hält es aber für denkbar, dass die Ozeanplatten sich direkt oberhalb der D''-Schicht ablagern und dass von dort auch die Plumes aufsteigen.

Einen anderen Aspekt hat eine Forschergruppe um Ulrich Hansen von der Universität Münster untersucht. Hansens Team simuliert in Computermodellen das Fließverhalten von kaltem und heißem Material im Erdmantel. „Ein Mechanismus, den wir untersucht haben, ist der Einfluss von abtauchender Materie auf die Plumes", sagt Claudia Stein, eine Mitarbeiterin von Hansen. „In unseren Modellrechnungen taucht kaltes Material bis zur Kern-Mantel-Grenze ab und breitet sich dort zur Seite aus. Kleine Plumes, die an der Kern-Mantel-Grenze entstehen, werden vor der kalten Materie hergeschoben und zu einem größeren Plume gebündelt." Wie dem auch sei: Ob die Ozeanplatten selber als Plumes oder Superplumes aus ihren Gräbern auferstehen oder ob sie nur dafür sorgen, dass bereits existierende Plumes zu Superplumes vereinigt werden – Kontinente können sie allemal sprengen, wenn auch erst nach vielen Hundert Millionen Jahren. ■

AXEL TILLEMANS ist promovierter Physiker und arbeitet als freier Wissenschaftsjournalist im nordrhein-westfälischen Titz.

Axel Tillemans

Ohne Titel

· Am Erdkern sammeln sich die Reste versunkener Ozeanplatten.

· Aus diesen Gräbern steigt noch nach Jahrmillionen heiße Materie auf.

· Die Entstehung des Uralgebirges ist die Ursache für den Vulkanismus in der Eifel.

Ohne Titel

Die Geschwindigkeit von Erdbebenwellen ist ein Indiz für die Temperatur in der Tiefe. Das Bild zeigt die Schnelligkeit von Erdbebenwellen an der Kern-Mantel-Grenze. Eine erhöhte Geschwindigkeit (blau) deutet auf eine niedrigere Temperatur hin, eine verminderte Geschwindigkeit (rot) auf eine erhöhte Temperatur. In der Bildmitte liegt der Pazifische Superplume innerhalb eines „kalten Rings" aus abgesunkenen Ozeanplatten, aus denen er sich vermutlich entwickelt hat. Die schwarzen Dreiecke markieren sogenannte Hotspot-Vulkane auf der Erdoberfläche, die an der Kern-Mantel-Grenze wurzeln.

Ohne Titel

Erdbebenwellen lassen Geophysiker ins Erdinnere „sehen" – freilich erst, nachdem sie Informationen aus Erdbebenwellen in dreidimensionale Tomographie-Bilder umgerechnet haben. Die Computergrafik zeigt Strukturen an der Grenze zwischen Erdkern und Erdmantel in einer Tiefe von 2900 Kilometern. Die Geophysiker Shigenori Maruyama und M. Santosh aus Japan halten sie für versunkene Ozeanplatten, die vor der Kollision von Kontinenten ins Erdinnere gedrückt wurden. Mit Hilfe bekannter Daten über Plattenverschiebungen haben die beiden Forscher die „ Plattengräber" der Bildung verschiedener Superkontinente zugeordnet. Der größte Teil der jüngeren Plattengräber entstand demnach bei der Schrumpfung des Pazifiks. Die roten Strukturen sind Plumes und Superplumes. Der Pazifische Superplume soll sich aus den Plattengräbern entwickelt haben, die bei der Bildung von Rodinia entstanden sind, und der Afrikanische Superplume aus den Gondwana-Plattengräbern. Der Afrikanische Superplume zweigt bei seinem Aufstieg zur Erdoberfläche in Richtung Ostafrika ab.

Ohne Titel

Der Pazifische Superplume soll dafür verantwortlich sein, dass vor etwa 700 Millionen Jahren der Superkontinent Rodinia zerbrach. Die Grafik zeigt, wie er aus den heutigen Landmassen zusammengesetzt war. Der Superplume lag zwischen Australien, der Antarktis und Nordamerika, sind Geophysiker aus Japan überzeugt. Etwa gleichzeitig trennten sich Nordamerika, Südamerika und Afrika voneinander – vermutlich durch einen zweiten Superplume.

Ohne Titel

Im Innern der Erde geht es turbulent zu. Wie in einem Kochtopf gibt es Bereiche, in denen heiße Materie nach oben steigt und andere, in denen kalte Materie nach unten sinkt. Diese Wärmekonvektion im Erdinnern ist die Antriebskraft für die Bewegung der tektonischen Platten auf der Erdoberfläche. Derzeit wird der Atlantik durch Magma, das am Mittelatlantischen Rücken aufsteigt, vergrößert. Unter Island liegt außerdem ein sogenannter Plume, in dem heiße Materie großräumig nach oben quillt. Zurzeit entfernen sich Europa und Amerika um etwa zwei Zentimeter pro Jahr voneinander. Gleichzeitig schrumpft der Pazifik. Die Pazifische Platte taucht um acht bis elf Zentimeter pro Jahr unter den asiatischen Kontinent ab. Gleichzeitig schiebt sich die Indo-Australische Platte (in der Grafik nicht sichtbar) unter Asien ins Erdinnere (graugrüne Gebilde). Unter Asien haben Wissenschaftler an der Grenze zwischen Erdmantel und Erdkern Strukturen ausfindig gemacht, die sie als „Plattengräber" deuten. Neuen Theorien zufolge verwandeln sich solche Plattengräber während vieler Millionen Jahre in „Superplumes". Das sind Tausende von Kilometern große Regionen, in denen heiße Materie aus großer Erdtiefe aufsteigt. Sie sollen an der Grenze von Erdkern und Erdmantel wurzeln. Von ihnen gibt es zurzeit laut seismischen Untersuchungen zwei: den Pazifischen und den Afrikanischen Superplume.

COMMUNITY Lesen

Neue Beiträge zu Plattentektonik und Superplumes:

David A. Yuen u.a. (Hrsg.):

Superplumes

Springer, Heidelberg 2007

Don L. Anderson:

New Theory of the Earth

Cambridge University Press, Cambridge 2007

Internet

Aufbau der Erde, Plattentektonik und Mantelkonvektion:

earth.uni-muenster.de/dyn/ Einleitung.shtml

Animationen zur Plattentektonik:

www.learninggeoscience.net/free/00040/plate_tect.swf

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