Erddynamik: Konvektion, Tektonik & Gebirgsbildung

Innere Dynamik der Erde

Die interne Aktivität der Erde beruht auf der großen Menge an thermischer Energie, die in ihrem Inneren angesammelt ist und sich in konvektiven Strömungen äußert.

Konvektion

Konvektion beschreibt Auf- und Abwärtsbewegungen innerhalb eines Fluids. Diese entstehen, wenn das Fluid instabil wird, weil sein oberer Teil dichter ist und dazu neigt abzusinken, während der untere Teil weniger dicht ist und dazu neigt aufzusteigen. Beim Erhitzen dehnt sich ein Fluid aus, seine Dichte nimmt ab und es neigt dazu aufzusteigen (Aufwinde). Gleichzeitig ist das darüberliegende Fluid kälter und dichter und drückt nach unten (Abwinde). Die Erde besitzt zwei Hauptphasen, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte nicht miteinander vermischt werden können: den metallischen Kern und den felsigen Mantel. Der metallische Kern ist dichter als der Gesteinsmantel, daher vermischen sie sich nicht, obwohl in beiden Konvektionsströme auftreten.

Manifestationen der Konvektion

Die Konvektion äußert sich in mehrfacher Hinsicht:

• Erdmagnetismus
• Bewegungen der Kontinente
• Vulkanismus
• Seismizität
• Dichtetrennung der Materialien

Subduktion

Subduktion bezeichnet das Abtauchen ozeanischer Lithosphäre, angetrieben durch absteigende konvektive Strömungen.

Merkmale von Subduktionszonen

1. Sie befinden sich in den Ozeanen, da stets eine ozeanische Platte subduziert.
2. Die Platte, unter die subduziert wird (auch als obere Platte oder „Reiterplatte“ bezeichnet), kann ozeanisch oder kontinental sein.
3. Im Bereich, wo die abtauchende Platte abknickt, bildet sich ein tiefer und langgestreckter Tiefseegraben.
4. Im Tiefseegraben sammeln sich mächtige Sedimentschichten an.
5. Die Sedimente werden gegen die obere Platte gedrückt und können als Akkretionskeil angegliedert werden.
6. Es sind Gebiete mit hoher Seismizität aufgrund von Reibung. Die Erdbebenherde sind entlang einer geneigten Ebene verteilt, die als Benioff-Zone (oder Wadati-Benioff-Zone) bezeichnet wird.
7. Die abtauchende Platte erfährt partielles Schmelzen. Die entstehenden Magmen steigen in die obere Platte auf und verursachen magmatische Ereignisse wie Vulkanismus und plutonische Intrusionen.
8. Der Druck der abtauchenden Platte komprimiert die obere Platte, was zu einer Verdickung und Hebung führt und ein vulkanisches Orogen (Gebirge) bilden kann.

In Subduktionszonen führt die Wechselwirkung zwischen der abtauchenden ozeanischen Platte und der oberen Platte zu Seismizität, Vulkanismus, Gebirgsbildung usw.

Mantelprozesse und Oberflächenformen

Mantelkonvektion und Reliefbildung

Thermische Plumes und Hotspots

Thermische Plumes sind aufsteigende Säulen heißen Gesteinsmaterials von der Basis des Erdmantels. Erreichen sie die Oberfläche, verursachen sie intensiven Vulkanismus in einem Gebiet, das als Hotspot bezeichnet wird.

Auswirkungen von thermischen Plumes

Thermische Plumes beeinflussen die Lithosphäre durch zwei Hauptprozesse:

1. Wärmeleitung (Konduktion)
2. Thermische Expansion der Materialien der Lithosphäre, was zu Hebung führen kann.

Vulkanische Inselketten (Archipele)

Vulkanische Inselketten entstehen, wenn sich ein thermischer Plume (Hotspot) unter der ozeanischen Lithosphäre befindet. Dieser verursacht Vulkanismus, der zur Bildung von Inseln führt. Bewegt sich die Lithosphärenplatte über den stationären Hotspot, entsteht eine Kette von Vulkaninseln.

Solifluktion

Solifluktion beschreibt das langsame Fließen von wassergesättigtem Lockermaterial über einem gefrorenen Untergrund, auch wenn es scheinbar fest ist.

Gebirgsbildung (Orogenese)

Orogene sind Gebirgsketten. Ihre Entstehung ist mit Subduktionszonen und Plattenbewegungen verbunden. Je nach ihrer Entstehung können vier Haupttypen von Orogenen unterschieden werden:

• Inselbogen-Orogene
• Thermische Orogene (durch Mantelplumes beeinflusst)
• Kollisionsorogene
• Intraplatten-Orogene

Tektonik und Gesteinsdeformation

Gesteinsverformungen

Spannungen im Gestein führen zu drei Arten von Verformungen:

Arten der Gesteinsverformung

• Elastische Verformung: Eine reversible Verformung. Gesteine deformieren sich bei plötzlicher Belastung (Schock), kehren aber danach in ihre ursprüngliche Form zurück. Der Durchgang seismischer Wellen erzeugt diese Art der Verformung im Gestein.
• Plastische Verformung: Besteht in der Faltung von Gesteinen und ist irreversibel. Sie tritt typischerweise auf, wenn Gesteine über Millionen von Jahren intensiven Kompressionskräften ausgesetzt sind.
• Spröde Deformation (Bruchdeformation): Entspricht dem Bruch von Gesteinen. Sie tritt auf, wenn Gesteine Kompressions- oder Dehnungsspannungen ausgesetzt sind, die ihre Fähigkeit zur elastischen oder plastischen Verformung übersteigen.

Falten: Geometrische Elemente

Falten sind das Ergebnis plastischer Verformung von Gesteinen. Man kann vier Hauptelemente identifizieren, die helfen, Falten zu klassifizieren und den verursachenden Prozess zu verstehen:

• Scharnier (Faltenachse): Der Bereich der stärksten Krümmung der Schichten.
• Schenkel (Flanken): Die Bereiche auf beiden Seiten des Scharniers.
• Kern: Der zentrale Teil der Falte.
• Achsen(ial)ebene: Eine imaginäre Ebene, die durch die Scharniere aller gefalteten Schichten verläuft und die Falte symmetrisch teilt (bei symmetrischen Falten).

Faltentypen

• Antiklinalen (Sättel): Die ältesten Schichten befinden sich im Kern der Falte und werden von jüngeren Schichten umhüllt. Bei einer aufrechten Antiklinale mit senkrechter Achsenebene sind die Schenkel vom Kern weg geneigt (konvexe Wölbung nach oben).
• Synklinalen (Mulden): Die jüngsten Schichten befinden sich im Kern der Falte und werden von älteren Schichten umhüllt. Bei einer aufrechten Synklinale mit senkrechter Achsenebene sind die Schenkel zum Kern hin geneigt (konkave Wölbung nach unten).

Spröde Deformation: Klüfte

Klüfte und Störungen sind Formen der spröden Deformation. Klüfte sind Bruchflächen im Gestein, entlang derer keine oder nur eine geringfügige Verschiebung der Gesteinsblöcke stattgefunden hat. Sie können aus verschiedenen Gründen entstehen:

• Schwundrisse (Trockenrisse): Entstehen in Ton und Schlamm beim Austrocknen.
• Frostsprengungsrisse (Gelifraktion): Werden durch die Keilwirkung von gefrierendem Wasser in Gesteinsrissen verursacht.
• Säulige Absonderung: Tritt in abkühlender Lava auf (z.B. Basaltsäulen).
• Druckentlastungsklüfte (Exfoliation): Gesteine, die tief in der Erdkruste unter hohem Druck entstanden sind, dehnen sich aus und brechen, wenn sie durch Erosion an die Erdoberfläche gelangen und der Überlagerungsdruck nachlässt.

Störungen (Verwerfungen)

Störungen (Verwerfungen) sind Bruchflächen im Gestein, entlang derer eine deutliche Verschiebung der Gesteinsblöcke (Schollen) stattgefunden hat. Die Bruchfläche wird als Störungsfläche bezeichnet.

Typen von Störungen

• Abschiebung (Normalverwerfung oder Gravitationsstörung): Entsteht durch Dehnungsspannungen (extensionale Tektonik). Ein Gesteinsblock (Hängendes) bewegt sich relativ zum anderen (Liegendes) nach unten.
• Aufschiebung (Reverse Störung): Entsteht durch Kompressionsspannungen. Ein Gesteinsblock (Hängendes) bewegt sich relativ zum anderen (Liegendes) nach oben.
• Blattverschiebung (Horizontalverschiebung oder Transversalstörung): Entsteht durch Scherbeanspruchung. Die Gesteinsblöcke bewegen sich horizontal aneinander vorbei.

Überschiebungen (Deckentektonik)

Eine Überschiebung ist eine Aufschiebung mit einer sehr flach geneigten Störungsfläche (< 30°). Dabei können Gesteinspakete (als allochthone Decken bezeichnet) über weite Distanzen (von hunderten Metern bis zu dutzenden oder gar hunderten von Kilometern) verschoben werden.