Tektonische Platten, Erdbeben und Erdinneres: Theorie und Struktur

Globale Tektonische Platten: Theorie und Konsequenzen

Die Theorie der tektonischen Platten besagt, dass die Lithosphäre in starre Teile gegliedert ist, die sich bewegen. Diese Theorie erklärt die Ursachen und Konsequenzen dieser Bewegungen:

• Die Lithosphäre ist in starre Teile, die Lithosphärenplatten, unterteilt. Die meisten Platten bestehen aus kontinentaler und ozeanischer Lithosphäre.
• Die Grenzen der Lithosphärenplatten sind von drei Arten: Dorsale (wo neue ozeanische Lithosphäre entsteht), Subduktionszonen (wo Lithosphäre zerstört wird) und Transformstörungen (bei denen keine Lithosphäre erzeugt oder zerstört wird, sondern eine Platte seitlich an einer anderen vorbeigleitet).
• Die Bewegungen der Lithosphärenplatten werden durch Hitze im Erdinneren, unterstützt durch potentielle Energie, angetrieben.
• Die ozeanische Lithosphäre wird kontinuierlich erneuert, während die kontinentale Lithosphäre einen beständigen Charakter hat.

Rücken und Tiefsee

Rücken (Mittelozeanische Rücken)

Der Atlantische Mittelozeanische Rücken durchzieht den Atlantik von Nord nach Süd als Unterwassererhebung und tritt in Island zutage. Er verzweigt sich in den Indischen und Pazifischen Ozean. Der Rücken besitzt eine zentrale Furche, die beidseitig von üblichen Verwerfungen, dem sogenannten Rift, begrenzt wird.

Vertrieb und Alter der Sedimente

Sedimente sind ungleichmäßig verteilt. Auf den Rücken sind sie am jüngsten. Ihre Mächtigkeit nimmt mit der Entfernung vom Rücken und der Tiefe zu. Das Alter der ältesten Sedimente in einem Gebiet entspricht dem Alter der darunter liegenden Basalte. Auf den Rücken sind die Gesteine am jüngsten; mit zunehmender Entfernung von ihnen nimmt das Alter zu.

Magnetstreifen und Paläomagnetismus

Beim Abkühlen von Magma richtet sich die Magnetisierung der Minerale dauerhaft aus und zeigt die Richtung des Erdmagnetfeldes zum Zeitpunkt der Gesteinsbildung an. Dies ermöglicht die Nutzung als fossiler Kompass. Der in Gesteinen konservierte Magnetismus wird Paläomagnetismus genannt. Dessen Studium hat gezeigt, dass sich das Erdmagnetfeld häufig umgekehrt hat, wobei die Positionen der magnetischen Pole Nord und Süd wechselten.

Thermische Subsidenz

Die Lithosphäre kühlt ab, während sie sich vom Rücken wegbewegt, wird dichter und sinkt ab. Dieses Absinken des Meeresbodens wird als thermische Subsidenz bezeichnet. Es erklärt, warum die Kruste am Rücken dünn ist und hohe Temperaturen erreicht werden können. Der Kontakt mit Meerwasser kühlt die neu gebildete Kruste schnell ab, was zu Volumenkontraktion führt. In der Nähe des Rückens besteht die Lithosphäre nur aus ozeanischer Kruste, aber mit der Zeit kühlt sie ab und die oberste Schicht des Erdmantels lagert sich an der Basis der Kruste an.

Subduktionszonen (Konvergente Margen)

Der Vorgang, bei dem Lithosphäre in die Tiefe der Erde eintaucht, wird Subduktion genannt. Subduktionszonen liegen an den Grenzen zweier Lithosphärenplatten, die konvergieren, weshalb sie auch konvergente Margen genannt werden. Die abtauchende ozeanische Lithosphäre wird zerstört, was global das Gleichgewicht zur Lithosphärenneubildung an den Rücken herstellt.

Drei Fälle der Konvergenz

Ozeanisch-Kontinentale Konvergenz

Die kontinentale Lithosphäre ist leichter und weniger dicht als die ozeanische. Bei der Konvergenz taucht die ozeanische Platte unter die kontinentale Platte ab. Die mitgeführten Sedimente der ozeanischen Lithosphäre werden größtenteils nicht subduziert, sondern übereinander gestapelt und verformt, wodurch das sogenannte Akkretionsprisma entsteht. Zwischen dem Prisma und den noch nicht gestapelten Sedimenten bildet sich eine längliche Vertiefung, der ozeanische Graben. Manchmal werden Fragmente der ozeanischen Lithosphäre nicht subduziert, sondern an den Kontinent angefügt (Prozess der Obduktion), was häufig bei der Kollision von Kontinenten mit vulkanischen Inselbögen geschieht. Die Verschiebung einer Platte unter der anderen erfolgt stoßweise, was zu Erdbeben führt. Subduktionszonen weisen die höchste seismische Aktivität auf dem Planeten auf. Erdbeben werden nach der Tiefe ihrer Konzentration in flache, mittlere und tiefe unterteilt. Die abtauchende ozeanische Lithosphäre ist kalt und enthält Wasser. Die Reibung mit der kontinentalen Lithosphäre erhöht die Temperatur, und das Wasser senkt den Schmelzpunkt der Minerale. Dies führt zu einer teilweisen Aufschmelzung von kieselsäurereichen Mineralien, die bei niedrigeren Temperaturen schmelzen. Daraus entstehen vulkanische Magmen, die beispielsweise die Anden speisen.

Ozeanisch-Ozeanische Konvergenz

Die Eigenschaften sind:

• Die abtauchende Lithosphäre neigt sich in einem bestimmten Winkel.
• Die Kopplung zwischen den beiden Platten ist schwach, was die Subduktion von Sedimenten begünstigt.
• Es entsteht kein Akkretionsprisma.
• Es entstehen sehr tiefe Gräben (z.B. Marianengraben).
• Es tritt Magmatismus auf, der zu einem Inselbogen führt.

Kontinental-Kontinentale Konvergenz

Wenn die abtauchende Platte eine ozeanische und eine kontinentale Phase hinter sich hat, kommt es zum Aufeinandertreffen der Kontinente, da die kontinentale Lithosphäre zu leicht ist, um subduziert zu werden. Dies wird als Kollision bezeichnet. Die Kollision führt zur Entstehung von Gebirgsketten wie dem Himalaya und den Alpen.

Erdbeben und Seismische Wellen

Die seismische Methode liefert die meisten Informationen über die innere Struktur der Erde durch die Untersuchung der Ausbreitung von Erdbebenwellen.

Erdbeben

Erdbeben sind Bodenerschütterungen, die durch die plötzliche Freisetzung gespeicherter Energie in Gesteinen entstehen, die Spannungen ausgesetzt sind. Sie entstehen, wenn große Gesteinsmassen brechen oder zerklüftete Gesteine verschoben werden. Diese Brüche werden als Verwerfungen (Fehler) bezeichnet.

• Der Ort im Erdinneren, an dem das Beben seinen Ursprung hat, ist das Hypozentrum.
• Der Ort an der Oberfläche, der dem Hypozentrum am nächsten liegt (direkt darüber), ist das Epizentrum.

Die am Hypozentrum erzeugten Schwingungen breiten sich als seismische Wellen in alle Richtungen aus. Diese Wellen bewegen das Material nicht, sondern versetzen es nur in Schwingung, ohne dass es seinen Platz verlässt.

Arten seismischer Wellen

• P-Wellen (Primär): Sie sind die schnellsten und treffen zuerst ein. Es sind Longitudinalwellen, bei denen die Erdbebenpartikel in Ausbreitungsrichtung der Welle schwingen. Sie können sich durch alle Medien ausbreiten.
• S-Wellen (Sekundär): Diese Wellen sind transversal, d.h., die Partikel schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle. Sie bewegen sich langsamer als P-Wellen und können sich nur durch feste Medien ausbreiten.
• L-Wellen (Längswellen): Dies sind Oberflächenwellen. Ihre Intensität nimmt mit der Entfernung vom Epizentrum zu und ihre Ausbreitung ist kurz. Diese Wellen sind für Katastrophen verantwortlich.

Seismographen

Seismographen sind sehr empfindliche Instrumente, deren Aufgabe es ist, die Stärke eines Erdbebens aufzuzeichnen und zu messen, indem sie Graphen erstellen, die als Seismogramme bezeichnet werden.

Ausbreitungsrichtung seismischer Wellen

Die Geschwindigkeit der seismischen Wellen hängt von den Eigenschaften der durchlaufenen Materialien ab. Unterschiede in der Ausbreitungsgeschwindigkeit führen zu einer Richtungsänderung der Welle.

• Wellenelement (Wavefront): Es ist die Oberfläche des Materials, die durch den Durchgang der Welle gestört wurde, aber noch nicht von ihr getroffen wurde.
• Seismische Strahlen: Dies sind die Strahlen, die vom Ursprung der Störung ausgehen. Der Strahl folgt einem geraden Weg, ändert aber seine Richtung (Refraktion), wenn er von einem Medium in ein anderes wechselt, ähnlich wie bei Licht.

Wenn sich die seismische Welle durch Medien mit zunehmender Geschwindigkeit ausbreitet, wird ihre Flugbahn gekrümmt sein. Wenn die Geschwindigkeit abnimmt, ist die Bahn ebenfalls gekrümmt, jedoch in umgekehrter Richtung. Schattenzonen sind Bereiche, in denen keine seismischen Wellen empfangen werden.

Angaben zu Erdbeben (Diskontinuitäten)

Diskontinuitäten sind abrupte Änderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit seismischer Wellen im Erdinneren. Diese Geschwindigkeitsänderungen sind auf zwei Faktoren zurückzuführen:

• Die Zusammensetzung der Materialien.
• Der physikalische Zustand dieser Materialien.

Aufgrund dieser Faktoren werden seismische Übergänge erklärt, die die Schichten unterscheiden, in die die Erde tief gegliedert ist.

Hauptdiskontinuitäten

• Moho (Kruste-Mantel-Grenze): ca. 70 km. In den oberflächennahen Bereichen erreichen P- und S-Wellen Geschwindigkeiten unterhalb des Moho, wo ihre Geschwindigkeit zunimmt. Sie trennt die Kruste vom Mantel.
• Repetti-Diskontinuität (Oberer Mantel): 700 km. Hier nehmen die Geschwindigkeiten von P- und S-Wellen zu.
• Gutenberg-Diskontinuität (Unterer Mantel/Äußerer Kern): 2900 km. Die P-Wellen verlangsamen sich, und S-Wellen breiten sich nicht mehr aus.
• Lehmann-Diskontinuität (Kern): 5150 km. P-Wellen erfahren hier eine Geschwindigkeitszunahme.

Schichtaufbau der Erde

Unser Planet ist in konzentrische Schichten unterteilt. Nach Kriterien können die Schichten der Erde in zwei Hauptkategorien eingeteilt werden:

• Geochemische Einheiten: Wenn das Kriterium die chemische Zusammensetzung der Materialien ist. Bereiche: Kruste, Mantel und Kern.
• Dynamische Einheiten: Wenn das Kriterium die mechanische Leistung ist, die das jeweilige terrestrische Hinterland aufweist. Diese unterscheiden: Lithosphäre, Asthenosphäre, Mesosphäre sowie äußerer und innerer Kern.

Einheiten der Geochemie

Kruste

Die dünne äußere Schicht der Erde. Sie reicht von der Oberfläche bis zur Moho-Diskontinuität und weist große seitliche Unterschiede in Dicke und Zusammensetzung auf. Sie ist unterteilt in:

• Kontinentale Kruste: 25 bis 75 km dick. Sie ist sehr heterogen und besteht aus weniger dichten Gesteinen. Die untere Hälfte wird von metamorphen Gesteinen dominiert.
• Ozeanische Kruste: Viel dünner, Dicke zwischen 5 und 10 km, in drei Ebenen gegliedert. Die Gesteine dieser Schicht sind dichter und jünger als die der kontinentalen Kruste.

Mantel

Er erstreckt sich von der Basis der Kruste bis in eine Tiefe von 2900 km. Er macht 83% des Erdvolumens aus.

Kern

Der mittlere Bereich des Planeten unterhalb der Gutenberg-Diskontinuität.

Dynamische Einheiten

• Lithosphäre: Die äußere, starre Hülle. Sie umfasst Teile der Erdkruste und des oberen Erdmantels. Unter dem Meer ist die ozeanische Lithosphäre 50 bis 100 km dick, während die kontinentale Lithosphäre unter den Kontinenten 100 bis 200 km dick ist.
• Asthenosphäre: Dies ist die plastische Schicht unter der Lithosphäre, die bis zur Diskontinuität von 670 km Tiefe reicht. Sie ist Teil des Mantels. Die Materialien befinden sich im festen Zustand, unterliegen aber Konvektionsströmen.
• Mesosphäre: Enthält den Rest des Mantels. Die Gesteine unterliegen ebenfalls Konvektion aufgrund von Temperatur und Dichte. An der Basis dieser Schicht befindet sich die D-Schicht (Doppelte Primzahl), eine diskontinuierliche und unregelmäßige Schicht mit einer Dicke von 0 bis 300 km.
• Innerer Kern: Er erstreckt sich bis zu einer Tiefe von 5150 km und befindet sich im festen Zustand.
• Äußerer Kern: Er gibt Wärme ab, da er aus Eisen besteht, das erstarrt ist (im Gegensatz zum inneren Kern, der fest ist).