Dynamische Erde: Aufbau, Plattentektonik und Prozesse

Dynamische Erde

Dynamische Erde: Die Erde ist keine statische Hülle aus Gestein, die den Planeten umgibt, sondern befindet sich in ständigem Wandel. A)

A) Die Erdkruste

Die kontinentale Kruste hat eine Dicke von etwa 35–40 km und besteht aus einer mineralreichen, äußeren Schicht, die meist granitisch bis basaltschichtig zusammengesetzt ist. Die tieferen Teile der Kontinente reichen nicht nur an der Küste zu Ende, sondern erstrecken sich hunderte von Kilometern unter die Ozeane im sogenannten Festlandsockel und enden schließlich in der ozeanischen Kruste.

Die ozeanische Kruste hat eine Dicke von etwa 7 km, besteht überwiegend aus jungem basaltischem Gestein und ist relativ homogen in ihrer Zusammensetzung. Die ozeanische Kruste nimmt mehr als 60 % der Erdoberfläche ein.

Die Kruste bildet die Schicht aus festen mineralischen Gesteinen an der Planetenoberfläche. Ihre Erforschung schreitet langsam voran, weil es an Methoden und Instrumenten für direkte Messungen mangelt; die ersten Daten waren daher meist indirekt. Die inneren Schichten der Erde wurden durch das Studium seismischer Wellen und deren Ausbreitung erschlossen.

Frühe Theorien

Frühe Theorien: Wissenschaftler des späten 19. Jahrhunderts unterstützten die Kontraktionshypothese: Als der Planet abkühlte, zog er sich zusammen und das verursachte Brüche und Faltungen der Oberfläche (z. B. Gebirgsbildung). Eine andere Hypothese schrieb die Entstehung der Kontinente der Konvektion des Erdmantels zu: heißes Material steigt auf, kühlt an der Kruste ab und sinkt wieder, wodurch vertikale Bewegungen stattfanden, die als Ursache für die Kontinentformung angesehen wurden.

Biologische und paläontologische Rätsel

Biologische, paläontologische Rätsel: Tiere, die heute über weite Entfernungen isoliert leben, haben gemeinsame Vorfahren. Beispiele sind bestimmte Laufvögel wie Strauße und Kasuare, die gemeinsame Vorfahren teilen.

Geographische und geologische Rätsel

Geographische und geologische Rätsel: Verschiedene geologische und geographische Befunde konnten mit den frühen Hypothesen nicht vollständig erklärt werden.

B) Kontinentaldrift

B) Kontinental-Drift-Hypothese: Im Jahr 1915 stellte Alfred Wegener die Hypothese auf, dass alle Kontinente einst Teil einer großen zusammenhängenden Landmasse namens Pangaea waren. Seine Theorie erklärte viele Übereinstimmungen der Küstenlinien, geologische Strukturen und Fossilienverbreitungen. Wegener verteidigte seine Idee bis zu seinem Tod; erst in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurden zusätzliche Beweise gefunden, die seine Hypothese stützten.

Paläomagnetische Tests und ozeanographische Befunde

Nach dem Zweiten Weltkrieg zeigten ozeanographische Untersuchungen ein zusammenhängendes System von ozeanischen Rücken: lange Unterwassergebirge mit einer zentralen Spalte (Rift Valley), in denen intensive submarine Vulkanaktivität auftritt. Diese Erkenntnisse führten zur Hypothese der Ozeanbodenspreizung.

Hypothese der Ozeanbodenspreizung

In den 1960er und 1970er Jahren schlug Harry Hess u. a. die Idee vor, dass Konvektionsströme im Mantel dafür sorgen, dass Krustenmaterial an den Mittelozeanischen Rücken aufsteigt. Magma tritt am Rücken aus und bildet neue ozeanische Kruste, die sich seitlich wegbewegt. Alte Kruste wird an Subduktionszonen wieder vernichtet. Damit entsteht ein ständiger Kreislauf von Erneuerung der ozeanischen Kruste.

Ein entscheidender Nachweis war der Paläomagnetismus: die Entdeckung von magnetischen Anomalien parallel zu den Rücken, die symmetrische Streifen mit normaler und umgekehrter Polarität zeigten. Diese Muster belegen regelmäßige Umpolungen des Erdmagnetfeldes und die Bildung neuer Kruste an den Rücken.

D) Plattentektonik

D) Plattentektonik: Die in den 1960er Jahren entwickelte Theorie besagt, dass die Lithosphäre der Erde in feste, variabel dicke Platten (typischerweise 50–150 km) unterteilt ist, die sich horizontal über der Asthenosphäre bewegen und an ihren Rändern miteinander interagieren. Die Plattentektonik ersetzt die Kontinentalverschiebung als Erklärungsmodell, da sie zusätzlich viele Beobachtungen erklärt:

• Existenz von Gebirgsketten auf dem Meeresboden
• geringer Sedimentaufbau an bestimmten Meeresbodenbereichen
• Bänder magnetischer Anomalien auf dem Meeresboden
• Verteilung von Erdbeben und aktiven Vulkanen
• Entstehung von Gebirgen und die Veränderung der Tiefe von Erdbebenhypozentren

(Isostasie: Mechanismus zur Erklärung vertikaler Bewegungen der Kruste.)

Ursachen der Plattenbewegung

1. Konvektionsströme: In der Asthenosphäre existieren Konvektionsströme: wärmeres, weniger dichtes Material steigt auf, kommt mit der Kruste in Kontakt, wird dort gezwungen, horizontal zu fließen und zieht so Platten mit sich, bis es abkühlt, dichter wird und wieder in tiefere Schichten absinkt.
2. Slab pull (Ziehen der Platte): Die neu gebildete ozeanische Kruste an Rücken ist zunächst heißer und weniger dicht; beim Wegbewegen vom Rücken kühlt sie allmählich ab, ihre Dichte nimmt zu, und beim Erreichen der Subduktionszone sinkt sie in die Tiefe und zieht so die Platte hinter sich her.
3. Ridge push (Schub vom Rücken): Ozeanische Kruste, die an Rücken entsteht, bildet erhöhte Bereiche des Meeresbodens; die Schwerkraft bewirkt, dass das Material hangabwärts gedrückt wird, wodurch ein seitlicher Schub auf die Platte ausgeübt wird.

Plattentypen und Größen

Stabile, starre Blöcke der Erdkruste werden als Platten bezeichnet. Es gibt verschiedene Typen:

• Ozeanische Platten: z. B. Pazifische Platte, Philippinische Platte
• Gemischte Platten (kontinental & ozeanisch): z. B. eurasische oder indo-australische Platten
• Kontinentale Platten: z. B. die iranische Platte (regional betrachtet)

Größenangaben (als grobe Orientierung):

• Große Platten: (ca. 100–150 km in Ausdehnung) wie die nord- und südamerikanischen Bereiche
• Mittlere Platten: (ca. 20–60 km) z. B. eurasische oder afrikanische Bereiche
• Kleine Platten: (ca. 10 km) z. B. arabische Mikroplatten

Divergente Grenzen (aufbauend)

Divergente oder konstruktive Grenzen: Hier entstehen Mittelozeanische Rücken, die folgende Eigenschaften aufweisen: sie sind ausgedehnte Unterwassergebirge (Breite etwa 1 000–4 000 km, Höhe bis ~3 km, Länge weltweit ca. 64 000 km). Sie bestehen aus vulkanischem Gestein und zeigen intermittierende vulkanische und seismische Aktivität. In ihrer Mitte befindet sich der Riss (ein tiefes Tal), in dem die Platten auseinanderdriften. Zwischen zwei Platten können Transformstörungen auftreten.

Konvergente Grenzen (destruktiv)

Konvergente oder destruktive Grenzen: Sie sind durch Subduktion gekennzeichnet: eine Platte taucht unter eine andere ab. Die Subduktionszonen sind häufig die größten tektonischen Strukturen. In diesen Bereichen bildet sich die sogenannte Benioff-Zone, in der Erdbeben bis in große Tiefen auftreten können.

Arten von Konvergenz:

• Kontinent–Ozean: Die dichtere ozeanische Platte subduziert unter die kontinentale Platte und bildet einen Tiefseegraben (z. B. vor den Anden). Merkmale sind tiefe, lange, schmale Gräben mit variabler Breite; Sedimente werden durch die Kompression deformiert und bilden ein Akkretionsprisma. Starke seismische Aktivität und intensiver Vulkanismus entstehen entlang magmatischer Bögen.
• Ozean–Ozean: Eine ozeanische Platte subduziert unter eine andere und erzeugt ebenfalls einen Tiefseegraben sowie einen Inselbogen aus Vulkaninseln (z. B. japanische Inselbögen).
• Kontinent–Kontinent: Treffen zwei kontinentale Platten mit ähnlicher Dichte aufeinander, kommt es meist nicht zu tiefer Subduktion; statt dessen kollidieren die kontinentalen Massen und bilden umfangreiche Gebirgsketten (z. B. Himalaya).

In Subduktionszonen werden Gesteine in größere Tiefen transportiert, wo unter hohem Druck und hoher Temperatur Schmelzen entstehen können. Diese Schmelzen steigen auf und erzeugen vulkanische Bögen an der Oberplatte.

Transformstörungen (konservativ)

Transform- oder konservative Grenzen: An diesen Grenzen werden keine lithosphärischen Platten erzeugt oder vernichtet. Die Platten bewegen sich seitlich aneinander vorbei, entweder in gleicher oder entgegengesetzter Richtung entlang einer Transformstörung. Diese seitlichen Bewegungen erzeugen Reibung in der Lithosphäre und führen häufig zu seismischer Aktivität und häufigen Erdbeben.