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Wie begann die Plattentektonik auf der Erde? 2015
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Wie begann die Plattentektonik auf der Erde?

Die Erde ist der einzige Planet im Sonnensystem, der Plattentektonik aufweist. Ihre Oberfläche ist im ständigen Wandel, tektonische Platten mitsamt den Kontinenten verschieben sich ständig, kollidieren miteinander oder tauchen in den Erdmantel ab. Bis heute ist es allerdings ungeklärt, wie die Plattenbewegungen begannen und wie die Tektonik der Erde vorher aussah. Ein internationales Forscherteam mit Modellierungsexperten von der ETH Zürich, dem Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ sowie Geologen von der Universität von Texas und Korea University in Seoul schlägt in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature eine Lösung vor.

Basierend auf innovativer und hochauflösender numerischer Modellierung und geologischen Beobachtungen zeigen sie, dass eine aus dem tiefen Erdmantel aufgestiegene, mächtige und heisse Gesteinsblase die Lithosphäre der frühen Erde aufbrach. Dieser so genannte Mantelplume setzte damit das erste Abtauchen der Lithosphärenplatte, genannt Subduktion, in Gang.

Die äussere harte Schale der Erde, also die Erdkruste und der oberen Erdmantel bilden die Lithosphäre. Unsere heutige Erde unterteilt sich an ihrer Oberfläche in mehrere Lithosphärenplatten, die aneinander reiben oder miteinander kollidieren. An den Plattengrenzen sinken einige der Platten, wenn sie ausreichend kalt und schwer sind, in den tiefen Erdmantel. Dieser Prozess, die Subduktion, ist ein Schlüsselprozess der Plattentektonik. Er ermöglicht das Zurückkehren von den Gesteinen der Erdkruste in den tiefen Erdmantel und ist ausserdem für die effiziente Kühlung des Erdinneren verantwortlich.

Allerdings gab es Subduktion und Plattentektonik nicht immer auf der Erde. Bei einem Gesamtalter unseres Planeten von 4,5 Milliarden Jahren war in den ersten ein bis zwei Milliarden Jahre der Erdgeschichte der tektonischen Prozess ganz anders, wahrscheinlich ähnlich wie auf der heutigen Venus, wo bis heute die Lithosphäre nicht in Platten gebrochen ist und keine Subduktion stattfindet.

Nehmen wir also eine frühe Erde mit einer mehr oder weniger gleichmässigen harten Schale an. Warum also entwickelte die Erde Subduktion und Plattentektonik? "Drei Bedingungen müssen erfüllt gewesen sein, damit der Mantelplume die ersten langlebige Subduktion und damit die Plattentektonik starten konnte", sagt der Leiter der GFZ-Sektion für geodynamische Modellierung und Professor für Geodynamik an der Universität Potsdam, Stephan Sobolev. "Der Mantelplume musste gross und sehr heiss sein, um viel Gesteinsschmelze zu erzeugen. Diese Schmelzen drangen in die Lithosphäre ein und weichten diese auf, so dass der Plume sich bis zur Erdkruste an der Oberfläche durchschweissen konnte." Zudem musste die umgebende Lithosphäre kalt und schwer genug sein, um in den Mantel zu sinken. Das nötige Gewicht erhielt die Lithosphäre durch den Gesteinsauswurf durch den Plume selbst, der sich auf die umgebende Lithosphäre legte. Bei ausreichend akkumuliertem Gewicht beginnt die Lithosphärerund um den Plume abzusinken und zieht weitere Teile der Lithosphäre mit sich. "Schliesslich musste es zudem flüssiges Wasser an der Erdoberfläche gegeben haben, quasi als Schmiermittel, um das Absinkenden der Lithosphäre zu erleichtern", ergänzt Geoforscher Sobolev, "Dieses Abtauchen der Lithosphäre kann bis in den tiefen Erdmantel reichen."

Alle diese Bedingungen wurden irgendwann in der frühen Geschichte der Erde erfüllt, aber nie für die anderen Planeten des Sonnensystems. Auf der Venus, die der Erde am ähnlichsten ist, sind heisse Mantelplumes wahrscheinlich häufig, aber die Lithosphäre ist zu heiss und leicht und es gibt kein flüssiges Wasser auf der heissen Venusoberfläche.

Wahrscheinlich, so Sobolev, war es nicht ein einzelner Mantelplume, der den Prozess der Plattentektonik in Gang setzte, sondern das Zusammenwirken vieler solcher aufsteigender heisser Mantelströmungen. Das brodelnde Innenleben unseres einzigartigen Planeten führte dazu, dass sich einige dieser plattentektonischen Fenster vereinigten und der Vorgang sich zur globalen Plattentektonik entwickelte.

Originalarbeit

T.V. Gerya , R.J. Stern, M. Baes, S.V. Sobolev and S.A. Whattam, Plate tectonics on the Earth triggered by plume-induced subduction initiation, Nature, 12.11.2015, DOI: 10.1038/nature15752

Quelle: Text Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ , November 2015
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