Geologie der Erde: Gesteinskreislauf, Plattentektonik und Erdstruktur

Der Gesteinskreislauf und Gesteinsumwandlung

Der Gesteinskreislauf beschreibt die Gesamtheit der Prozesse, die Gesteine modifizieren. Dies beginnt an der Erdoberfläche mit der Verwitterung von Gesteinen und deren Transformation in Sedimente. Diese werden durch geologische Agenten transportiert und in Sedimentbecken akkumuliert.

Faktoren der Gesteinsumwandlung in der Erdkruste

• Druck: Der Druck des Gesteinsgewichts steigt schnell mit der Tiefe.
• Temperatur: Sie nimmt mit der Tiefe zu (etwa 3 °C pro 100 m).
• Spannungen: Kompressions- und Dehnungsspannungen, die durch Bewegungen des Mantels entstehen.

Wichtige Umwandlungsprozesse

• Diagenese: Umwandlung von Sedimenten in Sedimentgesteine durch Druck und Temperatur, was zu Verdichtung und Zementierung der Komponenten führt.
• Metamorphose: Eine Reihe von Veränderungen in Gesteinen unter hohen Temperaturen und Drücken (ohne Schmelzen), wodurch metamorphe Gesteine entstehen.
• Magmatismus: Schmelzen der Gesteine, wodurch Magma entsteht, das sich zu magmatischen Gesteinen verfestigt.

Geothermischer Gradient und Wärmequellen

Der Geothermische Gradient beschreibt den Temperaturanstieg, der im Erdinneren auftritt. Wichtige Wärmequellen sind:

• Meteoriteneinschläge: Kinetische Energie wird in Wärme umgewandelt.
• Zerfall radioaktiver Elemente: Subatomare Partikel erhöhen die thermische Energie.
• Absinken dichterer Materialien: Insbesondere Eisen, das in den Kern absinkt.

Die innere Struktur der Erde

Schichten und Zusammensetzung

• Erdkruste: Dünne, feste Gesteinsschicht.
  • Kontinentale Kruste: Besteht hauptsächlich aus Granit.
  • Ozeanische Kruste: Besteht aus Basalt und Gabbro.
• Mantel: Besteht hauptsächlich aus Peridotit. Unterteilt in Oberen und Unteren Mantel.
• Kern: Metallisch (Zusammensetzung durch Siderite).
  • Äußerer Kern: Flüssig.
  • Innerer Kern: Fest.

Diskontinuitäten

Diskontinuitäten sind Bereiche im Erdinneren, in denen eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer Wellen auftritt, verursacht durch eine Änderung der Materialzusammensetzung oder des Aggregatzustands:

• Mohorovičić (Moho): Zwischen Kruste und Mantel (40–50 km).
• Repetti: Zwischen Oberem und Unterem Mantel (670 km).
• Gutenberg: Zwischen Mantel und Äußerem Kern (2900 km).
• Lehmann: Zwischen Äußerem und Innerem Kern (5150 km).

Die Lithosphäre

Die Lithosphäre ist der äußerste, starre Teil der Erde. Sie besteht aus der Kruste und dem fest mit ihr verbundenen oberen Erdmantel. Man unterscheidet:

• Kontinentale Lithosphäre: Kontinentale Kruste und oberer Mantel.
• Ozeanische Lithosphäre: Ozeanische Kruste und oberer Mantel.

Entwicklung der Theorien zur Kontinentalbewegung

Fixistische Theorien

Diese Theorien leugnen die horizontale Verschiebung der Kontinente.

• Kontraktionstheorie: Schlägt vor, dass Gebirge und Wellen durch die Kontraktion und Abkühlung der Erde entstanden sind.

Mobilistische Theorien

Diese Theorien akzeptieren die horizontale Verschiebung der Kontinente.

• Kontinentaldrift (A. Wegener): Vor etwa 300 Millionen Jahren waren die Landmassen zu einem Superkontinent, Pangäa, vereint (später Laurasia und Gondwana, getrennt durch das Thetys-Meer).

Beweise für die Kontinentaldrift

• Geografische Beweise: Passgenauigkeit zwischen Kontinenten (z. B. Afrika und Südamerika).
• Paläontologische Beweise: Übereinstimmende Fossilienfunde.
• Paläoklimatische Beweise: Funde von Tilliten (Gletscherspuren).
• Geologische Beweise: Übereinstimmung von Gesteinsschichten.

Isostasie und Konvektionsströme

• Isostasie (J. Barrell): Beschreibt das Gleichgewicht der Lithosphäre, die auf dem dichteren Mantel schwimmt.
• Konvektionsströme (Holmes): Strömungen im Mantel, die Instabilität verursachen. Heiße Flüssigkeit dehnt sich aus, steigt auf (Aufwinde), während kalte, dichtere Flüssigkeit absinkt (Abwinde).

Plattentektonik: Mechanismen und Beweise

Spreizung des Meeresbodens (Seafloor Spreading)

Hess schlug vor, dass Mittelozeanische Rücken Zonen der Extension sind, in denen neue ozeanische Kruste erzeugt und seitlich weggeschoben wird. Das zunehmende Alter der Basaltgesteine mit der Entfernung vom Rücken stützt diese Hypothese. Der Atlantik wächst weiterhin, da sich Europa/Afrika und Nord-/Südamerika voneinander entfernen.

Magnetstreifen auf dem Meeresboden

Seit dem 20. Jahrhundert ist bekannt, dass das Erdmagnetfeld instabil ist und seine Polarität in regelmäßigen Abständen wechselt. Diese Umkehrungen werden in vulkanischen Gesteinen (die Mineralien wie Magnetit enthalten) aufgezeichnet. Wenn Lava abkühlt, richten sich die Magnetitkristalle nach dem Nord-Süd-Feld aus. Die Interpretation dieser Streifen durch Vine und Matthews lieferte einen entscheidenden Beweis für die Plattentektonik.

Die Rolle der Asthenosphäre und Konvektion

Die Plattentektonik bezieht sich auf die Bewegung der Lithosphäre, angetrieben durch Konvektionsströme im Erdmantel. Obwohl Wegeners Argumente für die Mobilität der Kontinente gültig blieben, lieferte die Plattentektonik den Mechanismus. Die Asthenosphäre (eine plastische Schicht unter der Lithosphäre) spielt eine Rolle bei isostatischen Bewegungen. Studien zeigen heute, dass die Konvektion den gesamten Mantel betrifft und die Bewegung der Lithosphärenplatten verursacht.

Beweise für die Plattentektonik: Benioff-Zonen

In den 1950er Jahren wurde die Verteilung von Erdbeben an der Pazifikküste der USA untersucht: Erdbeben mit flachem Herd lagen nahe der Küste, während die Herdtiefe landeinwärts zunahm. Diese Verteilung entlang einer schiefen Ebene, der sogenannten Benioff-Zone, entspricht der Fläche einer Lithosphärenplatte, die unter einen Kontinent abtaucht (Subduktion).

Plattengrenzen und Orogenese

Klassifikation der Lithosphärenplatten

Lithosphärenplatten sind etwa 100 km dick und werden eingeteilt in:

• Kontinentale Platten (kontinentale Kruste).
• Ozeanische Platten (ozeanische Kruste).
• Gemischte Platten (beide Krustentypen).

Arten von Plattengrenzen

Die Bewegungen der Platten werden durch Konvektionsströme angetrieben. Man unterscheidet:

• Konvergenter Rand: Subduktion, Grabenbildung.
• Divergenter Rand: Rückenbildung.
• Konservativer Rand: Transformstörung.

Konstruktive Ränder (Divergent)

Dies sind die Mittelozeanischen Rücken. Sie sind Frakturzonen, in denen heißes Mantelmaterial an die Oberfläche steigt und Spaltenvulkanismus erzeugt. Es entsteht neue ozeanische Kruste (Basalt). Divergierende Konvektionsströme erzeugen Dehnungsspannungen. Zwischen den parallelen Erhebungen des Rückens liegt die Riftzone, eine Grabenvertiefung. Dort bilden sich hydrothermale Quellen, da Meerwasser in die Brüche eindringt und auf glühendes Gestein trifft.

Konservative Ränder (Transformstörungen)

Transformstörungen verbinden die diskontinuierlichen, zickzackförmigen Rückenabschnitte. Sie sind Zonen aktiver Scherbewegungen und erzeugen starke Seismizität. Sie zeigen keine Zerstörung oder Neubildung der Kruste.

Destruktive Ränder (Konvergent)

In Subduktionszonen taucht die ozeanische Lithosphäre in den Mantel ab. Hier wird Lithosphäre zerstört. Die abtauchende Platte ist immer ozeanisch, die überschiebende Platte kann ozeanisch oder kontinental sein. Prozesse:

• Zerstörung der ozeanischen Lithosphäre.
• Magmatismus und Metamorphose.
• Orogenese (Gebirgsbildung).
• Intensive Seismizität durch den Schub der abtauchenden Platte.

Subduktion und Akkretionsprismen

Die abtauchende Platte bildet einen tiefen, langen Graben. Sedimente sammeln sich an. Wenn diese Sedimente gegen die überschiebende Platte komprimiert werden, bilden sie ein Akkretionsprisma. Die teilweise Fusion der abtauchenden Platte trägt Magma zur Basis der überschiebenden Platte bei, was zu vulkanischen Manifestationen führt.

Orogenese (Gebirgsbildung)

Kollisions-Orogenese

Tritt bei der Kollision zweier Kontinentalplatten auf. Die konvergente Bewegung stoppt. Prozesse:

• Verdickung der kontinentalen Lithosphäre.
• Sedimente werden deformiert, gebrochen und in der Suturzone gestapelt, wodurch ein Kollisions-Orogen entsteht.
• Isostatischer Aufstieg des Orogens.
• Magmatismus und Metamorphose durch Kompression und Reibung.
• Große Brüche und starke Seismizität.

Inselbögen

Entstehen, wenn die überschiebende Platte ozeanisch ist. Die Orogenese bildet eine lineare Kette vulkanischer Inseln (Inselbogen). Diese Zonen weisen hohe seismische Intensität auf.

Vulkanische (Thermische) Orogenese

Entsteht, wenn die überschiebende Platte kontinental ist (z. B. Anden). Vulkanisches Relief bildet sich am Rand. Sedimente des Kontinentalhangs werden im ozeanischen Graben komprimiert und bilden Akkretionsprismen.

Intraplatten-Orogenese

Kompression im Inneren des Kontinents. Wenn inaktive Risse oder Sedimentbecken im Inneren des Kontinents gefaltet und angehoben werden, entsteht ein Orogen innerhalb der Platte.

Hot Spots (Thermische Plumes)

Hot Spots sind Säulen heißen Gesteins, die aus dem Mantel aufsteigen und an der Oberfläche intensiven Vulkanismus verursachen. Sie können vulkanische Archipele, ozeanische Rücken oder kontinentale Plateaus bilden. Die Solifluktion beschreibt das langsame Fließen des scheinbar festen Mantelmaterials.

Tektonische Gesteinsverformung

Verformungsarten

• Elastische Verformung: Reversibel (z. B. durch den Durchgang seismischer Wellen).
• Plastische Verformung: Faltung der Gesteine unter anhaltender Kompression.
• Spröde Verformung: Bruch der Gesteine, wenn die Kompressions- oder Extensionsspannungen die Absorptionsfähigkeit überschreiten.

Falten (Plastische Verformung)

Geometrische Elemente einer Falte:

• Schenkel: Die Seiten der Falte.
• Scharnier (Kern): Der Teil, in dem die Schichten die höchste Krümmung aufweisen.
• Axialebene: Die imaginäre Ebene, die durch das Scharnier verläuft.

Faltentypen:

• Sättel (Antiklinalen): Die ältesten Schichten liegen im Kern.
• Mulden (Synklinalen): Die jüngsten Schichten liegen im Kern.

Brüche (Spröde Verformung)

Klüfte (Diaklasen)

Brüche in Gesteinen ohne Verschiebung der Blöcke.

• Schrumpfungsrisse: Entstehen beim Trocknen von Ton und Schlamm.
• Frostsprengung (Gelifraktion): Die Keilwirkung von gefrierendem Wasser in Gesteinsrissen.
• Säulenartige Absonderung: Entsteht beim Abkühlen von Lava oder durch Dekompression von Gesteinen, die unter hohem Druck im Erdinneren entstanden sind und durch Erosion an die Oberfläche steigen und sich ausdehnen.

Störungen (Verwerfungen)

Brüche, bei denen eine Verschiebung der Gesteinsblöcke (Lippen) entlang der Bruchfläche stattfindet.

• Abschiebung (Normalverwerfung): Verursacht durch Extensionsspannungen (Gravitation).
• Aufschiebung (Reversverwerfung): Verursacht durch Druckspannungen (Kompression).
• Deckenschub (Deckenüberschiebung): Eine nahezu horizontale Aufschiebung, bei der die allochthone (verschobene) Lippe Hunderte von Metern bis Dutzende von Kilometern weit bewegt wird.