5 Fragen an Planet Erde - wissenschaft.de
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5 Fragen an Planet Erde

Die Plattentektonik taugt nur fürs Grobe. Berstende Kontinente – Meeresboden, der tief im Innern der Erde verschwindet – exotische Trümmer der Erdkruste, die Tausende Kilometer weit reisen: alles Phänomene, bei denen die Plattentektonik bis heute keine einfache Erklärung weiß.

Anfang des Jahrhunderts hatte der Geowissenschaftler Alfred Wegener die zündende Idee: Alle Kontinente waren vor Jahrmillionen in einer einzigen Landmasse vereint, denn die meisten Küstenlinien passen wie riesige Puzzlesteine ineinander. Die Kontinente sollten über den glutflüssigen Untergrund „schwimmen“ – Kontinentaldrift nannte Wegener das. Noch Anfang der sechziger Jahre – Wegener war längst tot – verspottete mancher Geologe diese These. Doch heute weiß es jeder Abiturient besser: Auf der scheinbar starren Erde ist alles in Bewegung. Aufsteigende Hitze wälzt das heiße Gestein im Erdinnern ständig um, und die Glutströme schleifen die starre Erddecke – die sogenannte Lithosphäre – mit. Zwar treiben die Kontinente nicht losgelöst von den Ozeanen umher – wie Wegener vermutete -, sondern bilden zusammen mit Teilen des Meeresbodens ein Mosaik „tektonischer Platten“, die sich gegeneinander verschieben. Geodäten können inzwischen mit Hilfe von Satellitenbeobachtungen die Wanderungen der Kontinente, die bis zu 17 Zentimeter pro Jahr zurücklegen, millimetergenau messen. Aus der schlichten Theorie der Kontinentaldrift ist die Plattentektonik geworden, die erstmals sämtliche geologischen Phänomene auf der Erde erklären kann – ein alltägliches Handwerkszeug für die Geowissenschaftler. Es gibt kaum noch eine Geoforschung, in der nicht die Dynamik der Erde eine Rolle spielt – und damit die Plattentektonik. Und doch sind entscheidende Fragen bis heute nicht geklärt.

Warum brechen Kontinente überhaupt auseinander? Vor 180 Millionen Jahren waren alle Kontinente in der riesigen Landmasse Pangäa vereinigt – das steht inzwischen fest. Dann brach der Koloß auseinander, die einzelnen Splitter drifteten weg, Atlantik und Indischer Ozean öffneten sich. Aber warum kam es zum Bruch? War der Superkontinent ein Opfer seiner Größe? Der Planet, so vermuten manche Experten, bekam durch die einseitige Erhebung eine Unwucht und eierte wie ein angeschlagener Autoreifen. Irgendwann sollen diese Kräfte die spröde Lithosphäre zersplittert haben.

So anschaulich die These klingt, favorisieren doch immer mehr Wissenschaftler heute ein anderes Szenario: Ein Strom heißen Gesteins tief aus dem Erdinnern soll die kontinentale Gesteinskruste aufgeweicht haben. Solche hitzigen Wallungen, sogenannte Plumes (vom englischen „plume“, Rauchfahne), gibt es auch heute noch. Der bekannteste schuf die Inselkette Hawaii, indem er wie ein Schneidbrenner die Kruste aufschweißte, die über ihn hinwegfuhr. Obwohl Hawaiis Vulkane mächtig spucken und brodeln, ging es auf der Erde manchmal noch viel hitziger zu. Experten fanden kilometerdicke Decken aus Basalt – erstarrter Lava -, größer als Skandinavien, die jeweils innerhalb weniger Jahrmillionen entstanden sind. Zu diesen Zeiten müssen gigantische Eruptionen gewütet haben, die Klima und Leben weltweit veränderten. Ursache waren vermutlich „Superplumes“, Aufströme von gewaltiger Größe und Kraft.

Superplumes könnten infolge von Hitzestaus entstehen. Denn die kontinentale Kruste, 30 bis 70 Kilometer dick, isoliert recht gut – viel besser jedenfalls als die dünne ozeanische Kruste, die es gerade auf 5 bis 10 Kilometer bringt. Der glutflüssige Erdkern und radioaktiver Zerfall liefern genügend Wärme, um dem Gesteinsdeckel tüchtig einzuheizen. Wenn eine Landmasse, so die These, zu einer kritischen Größe angewachsen ist, staut sich unter ihr so viel Wärme, daß das darunterliegende Mantelgestein zu wallen beginnt wie der Griesbrei auf der Herdplatte – eine Konvektion kommt in Gang: Heißes Gestein, das keinen Weg nach oben findet, fließt zur Seite ab, und neues heißes Material aus der Tiefe strömt nach – die Geburtsstunde eines Superplumes. Dieser heiße Strom schmilzt dann die Gesteinskruste teilweise auf. Mehr noch: Die horizontalen Konvektionsäste, die radial vom Plume fortströmen, zerren am geschwächten Kontinent, bis sie ihn schließlich auseinanderreißen.

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Die These schlägt zwei Fliegen mit einer Klappe: Sie erklärt nicht nur, warum Kontinente auseinanderbrechen, sondern auch, warum Konvektionsströme bestimmte Richtungen einschlagen. Wenn sie zutrifft, müßte jeweils beim Zerbrechen einer Platte ein heftiger Vulkanismus gewütet haben. Tatsächlich gibt es an den Atlantikküsten von Afrika, Europa und Südamerika große Basaltfelder, die aus der Zeit stammen, als sich die Kontinente getrennt haben. Insgesamt ist die Beweiskette allerdings noch zu schwach, um aus der These mehr als eine plausible Vermutung zu machen.

Warum wird Afrika nicht im Schraubstock der Platten zerquetscht? Längs durch die Ozeane verlaufen Gebirgsketten, die „mittelozeanischen Rükken“, an denen ein ständiger Vulkanismus köchelt. Es handelt sich um Nähte, an denen die Gesteinskruste aufreißt und die Platten auseinanderdriften. Aufquellendes Magma schließt die Wunden, indem es eine neue Gesteinskruste bildet. Nach dem klassischen Modell der Plattentektonik steigt hier ein Strom heißen Gesteins tief aus dem Erdinnern auf, teilt sich und fließt dann beidseits von der Naht fort. Der junge Ozeanboden, der mitgeschleppt wird, wandert entsprechend mit. Er wird beim Auskühlen dicker, bis er an einen Kontinentalrand stößt und – an einer sogenannten Subduktionszone – wieder ins Erdinnere abtaucht. Im Erdmantel fließt ein heißer Gesteinsstrom zu den mittelozeanischen Rücken zurück, so daß sich der Kreislauf schließt. Experten sprechen von Konvektionszellen.

Wenn das Modell stimmt, müßten zu jedem mittelozeanischen Rücken zwei Subduktionszonen gehören, eine auf jeder Seite. Doch ein Blick auf Afrika macht stutzig: Der Kontinent ist von platzenden Nähten umgeben, Gebiete also, in denen sich neue Gesteinskruste bildet – aber keine Spur einer Subduktionszone, wo die Kruste wieder verschwindet. Von allen Seiten scheint Ozeanboden gegen den Schwarzen Kontinent zu drücken und ihn in die Zange zu nehmen. Statt aber im irdischen Schraubstock zu ächzen, passiert das Gegenteil: Afrika macht sich breit und beginnt sich entlang der ostafrikanischen Gräben zu teilen. Im Osten lösen sich entlang mehrerer Bruchzonen große Kontinentsplitter ab.

Der Widerspruch läßt sich zunächst recht einfach auflösen: Die mittelozeanischen Rücken sind nicht ortsfest, sondern wandern von Afrika fort. Afrika wird also immer größer – wenn auch nur untermeerisch. Daß nicht nur die Platten in Bewegung sind, sondern auch die Nähte, zeigt der Blick auf einige kontinentale Bruchstücke im Westen der USA.

Diese Miniplatten, sogenannte Terrane, befanden sich vor 180 Millionen Jahren Tausende von Kilometern vor der Küste im offenen Pazifik. Sie scheinen also auf ihrer Reise den mittelozeanischen Rücken überquert zu haben – doch das ist unmöglich, da Terrane von der ozeanischen Kruste mitgeschleppt werden. Die einzig denkbare Erklärung: Der Rücken selbst muß in Richtung Amerika gewandert sein.

Wenn aber die Nähte mobil sind, stimmt auch das plattentektonische Standardmodell der Konvektionswalzen nicht: Unmöglich, daß an den mittelozeanischen Rücken ein Konvektionsstrom aufsteigt und nach beiden Seiten abströmt. Der Züricher Geophysiker Nazario Pavoni kam zu dem Schluß, daß es weltweit nur zwei Aufstromgebiete gibt: unter Afrika und unter dem Pazifik. Diese heißen Zonen sollen jeweils eine halbe Erdkugel im Griff haben. Unter den mittelozeanischen Rücken soll das Mantelgestein dagegen einfach horizontal vorbeiströmen, wie ein Fluß an einem Deichbruch.

Doch Pavonis These hat einen Haken: Afrika fällt nicht gerade durch einen besonders warmen Untergrund auf. Auch dreidimensionale seismische Untersuchungen widersprechen Pavoni. Sie zeigen, daß es im Erdinnern viel chaotischer zugeht, als einfache Theorien weismachen.

Warum gibt es Erdbeben innerhalb von Platten? Die Plattentektonik hat vor allem die Plattenränder im Visier. An den Nahtstellen der Erdkruste, wo sich die Schollen reiben, spielt die Musik: Hier toben Erdbeben, wüten Vulkane und türmen sich Gebirgsketten. Die Plattentektonik kann all diese Phänomene wunderbar erklären. Nur: Auch die Platten selbst sind kein Ort himmlischer Ruhe. Im Innern der Kontinente bebt die Erde und rumort das Gestein. Die Platten sind längst nicht so starr, wie es die Theorie fordert. Geologen haben zwar inzwischen das dynamische Modell auf das Platteninnere ausgeweitet, doch diese „Intraplattentektonik“ macht noch Probleme. Sie kann zum Beispiel nicht erklären, warum die pazifische Platte um fünf Millimeter pro Jahr schrumpft, zumal sich unter dem Ozean kein Gebirge auffaltet. Vor allem aber machen Erdbeben innerhalb der Platten den Forschern zu schaffen. Natürlich sind Platten weder starr noch homogen, sondern vielfach strukturiert, von Schwächezonen durchsetzt und mit verschweißten Nähten und Bruchflächen gespickt. Kein Wunder, daß es dort hin und wieder kracht.

Doch Ingenieure, die Staudämme und Wolkenkratzer bauen, wollen es genauer wissen. Etwa: Mit welcher Wahrscheinlichkeit ist innerhalb der nächsten 100 Jahre mit einem Beben der Stärke 7, das katastrophale Ausmaße haben könnte, zu rechnen? Solche Fragen lassen sich an den typischen Erdbebengebieten wie der San-Andreas-Verwerfung leicht beantworten. Die Erde schüttelt sich dort oft genug, um einen gewissen Rhythmus herauslesen zu können. Zudem markieren die Plattengrenzen exakt die Gefahrenzonen. Starke Intraplattenbeben sind dagegen so selten, pro Jahrtausend ereignet sich etwa eines, daß man nicht einmal den Ort künftigen Unheils kennt. Keines der starken Beben während der letzten Jahrhunderte – darunter des verheerende Baselbeben von 1356 – hatte einen bekannten Vorgänger.

„Wir brauchen unbedingt eine Weltkarte der Deformationen“, fordert deshalb der Heidelberger Geophysiker Prof. Karl Fuchs. Doch die Bewegungen innerhalb der Platten sind zu klein, um sie problemlos messen zu können. Selbst mit moderner Satellitenbeobachtung würde es viele Jahre dauern, um halbwegs vernünftige Ergebnisse zu bekommen. Die Mühe würde sich lohnen. Fuchs: „Man könnte die Stellen der stärksten Deformationen finden – und damit die gefährlichen Erdbebengebiete.“

Wie sah die Erde in ihrer Jugend aus? Der Meeresboden ist für Geowissenschaftler wie ein verschneites Gelände für Jäger: ein Terrain voller verräterischer Fährten. Die Spuren im Gestein des Meeresbodens zeigen die Driftgeschwindigkeit und den Weg, den die Platte genommen hat. Allerdings ist die älteste ozeanische Kruste gerade 200 Millionen Jahre alt, ein Klacks im Vergleich zu den 4,5 Milliarden Jahren der Erde. Ältere Geo-Fährten sind längst im Erdinneren versunken. Deshalb können Experten zwar unsere heutigen Kontinente wieder zum Superkontinent Pangäa zusammenfügen, aber was davor geschah, „ist ein Buch mit sieben Siegeln“, wie der Tübinger Geologe Prof. Jörg Loeschke meint. Mit vagen Indizien und detektivischem Gespür versuchen Forscher, ins Dunkel des Erdaltertums vorzustoßen. Sie untersuchen die Ausrichtung magnetischer Minerale – so erhalten sie Hinweise, auf welcher geographischen Breite ein Gestein lag, als es magnetisiert wurde. Sie nehmen eingeschlossene Fossilien unter die Lupe, die Aufschluß über die damalige Klimazone liefern. Und sie suchen nach ähnlichen Gesteinsformationen, die vielleicht einmal zusammengehörten – selbst wenn sie heute Tausende Kilometer voneinander entfernt sind. Alle Hinweise verlieren aber mit zunehmendem Alter an Schlagkraft. Die Fossilgeschichte endet schon vor 550 Millionen Jahren fast vollständig. Davor finden sich keinerlei Reste von Landlebewesen.

Das junge Gesicht der Erde ist ein Feld für Spekulanten. Geowissenschaftler wie der Amerikaner Brendan Murphey vermuten, daß sich die Kontinente alle 500 Millionen Jahre zu einem Koloß wie Pangäa vereint haben. Denn in diesem Rhythmus sind die großen Gebirgsketten entstanden, die sich bei der Kollision von Kontinenten aufwölben. Allerdings ist nicht einmal bekannt, seit wann Platten überhaupt nach den heute geltenden Regeln über die Erde driften. Die ältesten Zeugnisse plattentektonischer Aktivität sind gerade 1,8 Milliarden Jahre alt. Sie finden sich in Gebieten von Finnland und Kanada, die eindeutig auf Grund von Subduktion und Kollision entstanden sind. Doch vor mehr als zwei Milliarden Jahren könnten auf der Erde ganz andere Gesetze geherrscht haben – zumal auch alte Hochdruckmetamorphite fehlen. Die entstehen, wenn relativ kaltes Gestein unter hohen Druck gerät. Sie sind typisch für Subduktionszonen, denn nur Gestein, das rasch abtaucht, bleibt kalt genug für die Hochdruckumwandlung.

Prof. Wolfgang Frisch vom Geologischen Institut der Universität Tübingen vermutet, daß zwar schon auf der jugendlichen Erde Gestein nach dem Muster heutiger Plattentektonik umgewälzt wurde, aber gewissermaßen im Turbo-Gang. Während das Erdinnere heute bestenfalls köchelt, muß es damals regelrecht gebrodelt haben. Der noch heiße Planet schwitzte im Zeitraffer neue Kruste aus, die rasch wieder versank. Bei jedem Recycling-Durchgang blieb ein wenig Gestein, das zu leicht zum Abtauchen war, an der Oberfläche. Der rasche Umsatz führte schließlich dazu, daß die Kontinente entstanden und aufschwammen. Tatsächlich ist der größte Teil der kontinentalen Kruste dabei entstanden.

Wohin verschwindet der alte Meeresboden? Der Ozeanboden ist – erdgeschichtlich gesehen – ein Jungspund. Während die Erde rund 4,5 Milliarden Jahre auf dem Buckel hat, zählt der älteste Tiefseeboden gerade mal 200 Millionen Jahre. Die dünne Gesteinskruste unter den Weltmeeren spielt im Getriebe der Platten nur die Rolle eines Lückenbüßers: Sie kittet die Spalten, die sich auftun, wenn robuste Kontinente auseinanderbrechen. Und sie verschwindet in der Unterwelt, wenn Kontinente auf Kollisionskurs gehen. Noch in den fünfziger Jahren schien es undenkbar, daß der kilometerdicke Ozeanboden auf der irdischen Bühne nur ein kurzes Gastspiel gibt und dann einfach ins Erdinnere abtaucht. Inzwischen haben Geowissenschaftler jedoch die Existenz der Subduktionszonen vielfach nachgewiesen.

Nur: Wohin führt die Reise? Die Frage hat unter Experten einen wahren Glaubenskrieg entfacht. Seismologische Untersuchungen schienen zunächst zu belegen, daß die Platten in 670 Kilometer Tiefe in die Waagrechte abknicken, als stießen sie gegen eine massive Wand. Doch Prof. Ulrich Christensen von der Universität Göttingen hat mit Computersimulationen gezeigt, daß die abtauchenden, relativ kalten Gesteinszungen möglicherweise zunächst gestoppt werden, nach einiger Zeit aber lawinenartig in größere Tiefen absacken.

Auch die seismische Tomographie liefert Belege, daß zumindest ein Teil des Materials die Mauer durchbricht. Manche Wissenschaftler spekulieren, daß der einstige Ozeanboden bis zur Kern-Mantel-Grenze in 2900 Kilometern Tiefe absinkt Dort gibt es eine seltsame, 200 bis 400 Kilometer mächtige Schicht, die nur stellenweise existiert. Konvektionsströme scheinen den Bodensatz zu Inseln zusammengeschwemmt zu haben. „Friedhof der Platten“ heißt die Schicht unter Experten, denn das abgetauchte Gestein bleibt hier möglicherweise Jahrmilliarden liegen. Irgendwann aber stört ein aufsteigender Konvektionsstrom die Friedhofsruhe und reißt die Trümmer mit sich nach oben.

Ob der radioaktive Müll, den die Atommächte in der Tiefsee versenkt haben, den Höllentrip mitmacht und huckepack bis zum Erdkern fährt, weiß niemand. Vielleicht wird er bereits beim Abtauchen vom Untergrund abgeschabt und bleibt am Kontinent haften.

Reise ins Innere der Erde

Verborgen vor unseren Blicken arbeitet im Inneren der Erde eine gewaltige Maschinerie: Tausende von Grad heißes Gestein wird in riesigen Wirbeln umgetrieben. Dabei schwimmen die Platten der starren Lithosphäre auf der erhitzten und aufgeweichten Asthenosphäre. An Subduktionszonen tauchen sie tief ins Erdinnere ab, und Brocken stürzen lawinenartig bis zum Äußeren Erdkern. Dort bilden sie 200 bis 400 Kilometer mächtige Inseln. Möglicherweise bleiben die Trümmer hier Milliarden von Jahren liegen, bis sie ein Aufstrom wieder nach oben reißt. Der Äußere Erdkern besteht aus einer dünnflüssigen Metallschmelze, die ständig in Bewegung ist und das Magnetfeld der Erde erzeugt. Im Herzen unseres Planeten ist das Metall zu einer festen Kugel zusammen-gepreßt.

Klaus Jacob

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