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Der Beitrag der Erosion zur Gebirgsbildung

Der Aufbau von Gebirgen ist keinesfalls allein das Ergebnis von tektonischen Vorgängen. Erosion und klimatische Bedingungen wirden entscheidend mit.

Gebirgsmassive sind gewaltiger als alle von Menschenhand ge- schaffenen Bauwerke zusammen und dabei teils filigraner als ein indischer Palast. Der Mount Everest im Himalaya erreicht mit 8848 Metern etwa die 15fache Höhe der größten Wolkenkratzer. Kein Wunder also, daß die spektakuläre Bergwelt den Betrachter stets mit Ehrfurcht erfüllt und Künstler zu großen Werken sowie Abenteurer zu waghalsigen Unternehmungen inspiriert hat.

Auch für Wissenschaftler bilden die hoch aufgetürmten Gesteinsmassen ein Faszinosum. Mehr noch als Ebenen und Schluchten sind sie beredte Zeugen der geologischen Entwicklung unseres Planeten über Zeiträume von einigen hundert Millionen Jahren. So lassen sie erkennen, wo Vorgänge innerhalb der Erdkruste oder dicht darunter oberflächennahe Gesteinsschichten emporgedrückt haben und welche Kräfte dabei über wie lange Zeiträume wirkten.


Vom geographischen Zyklus zur Plattentektonik

Eines der ersten umfassenden Modelle, das die Entwicklungsgeschichte – das Werden und Vergehen – der Gebirge zu erklären suchte, war der 1899 veröffentlichte geographische Zyklus. Gemäß dieser eher beschreibenden Theorie folgt auf eine kurze, intensive Bildungsphase durch rasche tektonische Hebung die allmähliche Abtragung durch langsame, aber anhaltende Erosion.

Ein genaueres Bild lieferte in den sechziger Jahren dieses Jahrhunderts die damals revolutionäre Plattentektonik, die auf die Theorie der Kontinentalverschiebung des deutschen Geophysikers und Meteorologen Alfred Wegener (1880 bis 1930) aus den zwanziger Jahren zurückgeht. Danach besteht die Lithosphäre – die relativ kühle und spröde Gesteinsschale der Erde, deren Mächtigkeit unter den Ozeanen bis zu 100 und unter den Kontinenten 200 Kilometer oder mehr erreicht – aus einigen Dutzend starren Platten. Diese werden durch Wärmeausgleichsströmungen in dem zähplastischen Erdmantel, auf dem sie gleichsam schwimmen, mit Geschwindigkeiten von einigen Zentimetern pro Jahr horizontal verschoben. Wo zwei Platten kollidieren, werden ihre Ränder gestaucht, übereinandergeschoben, zerknautscht und aufgewölbt: Es entsteht ein Gebirge.

Obwohl die Geowissenschaftler die wichtige Rolle plattentektonischer Vorgänge bei der Orogenese, wie die Gebirgsbildung fachsprachlich heißt, auch heute noch anerkennen, haben Forschungsarbeiten in den letzten Jahrzehnten ergeben, daß auch klimatische Faktoren und Erosionsprozesse einen entscheidenden Beitrag leisten. So scheint das komplexe Wechselspiel zwischen tektonischen, klimatischen und erosiven Vorgängen wesentlich darüber zu bestimmen, welche Form ein Gebirge annimmt, wie hoch es wird und wie lange sein Aufbau und schließlich seine allmähliche Einebnung dauern. Paradoxerweise wäre die Gebirgsbildung demnach ebensosehr durch die zerstörerischen Kräften, der Erosion wie durch die aufbauende Macht der Tektonik geprägt. Galt die Erosion ein Jahrhundert lang als kleinere Schwester der Tektonik, trauen ihr viele Geologen heute zu, sozusagen das eigentliche Familienoberhaupt zu sein – oder in den Worten einer Forschergruppe: Welch ei-ne Ironie, sollten Gebirge ihre imposan-te Erscheinung dem Niederprasseln unscheinbarer Regentropfen verdanken!

Die Plattentektonik bildet den grundlegenden Rahmen, der die Verteilung der Gebirge auf der Erdoberfläche erklärt. Als Ursache der Orogenese gilt weiterhin das Aufhäufen von Gesteinsmassen oder die Ansammlung von Wärme – oder beides – an einer bestimmten Stelle der Erdkruste (dem oberen Teil der Lithosphäre). Da die Kruste nämlich im Schwimmgleichgewicht mit dem Mantel steht (Isostasie-Prinzip), ragt sie um so höher auf, je dicker oder wärmer (und damit spezifisch leichter) sie ist. Vorgänge wie das Gegeneinander-Vorrücken (die Konvergenz) zweier Platten tragen zur Verdickung und Anhebung der Kruste bei, indem sie Gesteinsschichten auffalten oder stapeln oder dafür sorgen, daß Wärme und Magma (geschmolzenes Gestein) aus der Tiefe empordringen.

Genauer betrachtet, muß man zwei Arten von Plattenkollisionen unterscheiden. Trifft eine ozeanische Platte auf ei-ne kontinentale, so weicht sie, weil sie schwerer ist, nach unten aus und gleitet schräg in den Erdmantel hinab. An einer solchen Subduktionszone verdickt sich die kontinentale Platte durch Kompression sowie durch die Zufuhr von Magma, das aus der beim Absinken teilweise aufschmelzenden ozeanischen Platte aufsteigt. Viele Gebirge sind auf diese Weise entstanden, darunter fast alle Gebirgsketten, die den Pazifischen Ozean in einem geologisch aktiven Gebiet umgeben, das wegen seiner vielen Vulkane als Feuergürtel bekannt ist. Beim Zusammenstoß zweier kontinentaler Platten hingegen schiebt sich keine unter die andere: Beide verkeilen sich vielmehr ineinander, und die gesamte komprimierte und gestauchte Gesteinsmasse trägt zum Volumen des entstehenden Gebirges bei. Solche Kollisionen haben einige spektakuläre Oberflächenformen wie die Hochfläche von Tibet und den Himalaya mit den zehn höchsten Gipfeln der Erde geschaffen (Bild 2).

Auch der Aufstrom von Magma und Wärme – etwa in Verbindung mit vulkanischer Aktivität – kann Gebirge entstehen lassen. Die längsten Gebirgsketten der Erde – die mittelozeanischen Rücken – verdanken ihre Existenz der Tatsache, daß Magma empordringt und am Meeresgrund zu neuer Kruste erstarrt, wenn angrenzende Platten auseinanderdriften. Wie die Naht auf einem Baseball verlaufen diese Rücken durch den Atlantischen, den östlichen Pazifischen und den Indischen Ozean. Der Mittelatlantische Rücken allein ist mehr als 15000 Kilometer lang und erhebt sich gut 4000 Meter über den angrenzenden Tiefseeboden. Aber auch auf dem Festland kann Wärme in Verbindung mit aufsteigendem Magma zur Hebung weiter Regionen beitragen, indem sie die Kruste spezifisch leichter macht und sie auf dem Erdmantel höher aufschwimmen läßt.


Der systemtheoretische Ansatz

Bei der neueren, integrierten Betrachtungsweise der Gebirgsbildung werden diese tektonische Phänomene um die oft eng miteinander verzahnten Auswirkungen von Erosion und Klima ergänzt. Unter Erosion versteht man die Verwitterung des anstehenden Gesteins, die Abtragung der Verwitterungsprodukte von Hängen und den Transport des Sediments durch Flüsse. Welche Erosionsfaktoren – Schwerkraft, Wasser, Wind und Gletschereis – wie stark auf eine bestimmte Landschaft einwirken, hängt vom örtlichen Klima, von der Steilheit der Topographie (der Reliefenergie) und von den Gesteinstypen an oder dicht unter der Oberfläche ab.

Das Klima ist unauflöslich mit der Erosion verbunden, weil es deren durchschnittliche Geschwindigkeit wesentlich beeinflußt. Im allgemeinen beschleunigen feuchtere Bedingungen den Erosionsprozeß; andererseits fördert Feuchtigkeit aber auch das Wachstum von Vegetation, die den Boden festhält. Gebirge in polaren Breiten sind am wenigsten erosionsanfällig – teils wegen der Trockenheit kalter Klimate und teils, weil kontinentale Eisschilde, wie sie Grönland und die Antarktis bedecken, gewöhnlich am Gesteinsuntergrund festgefroren sind und dadurch wenig Erosion verursachen. Im Gegensatz dazu hobeln Gebirgsgletscher, die zum Beispiel in den Alpen und in der kalifornischen Sierra Nevada vorkommen, das daruntergelegene Gestein massiv ab, so daß sie die größte Erosionswirkung überhaupt haben dürften (Bild 1).

Es gibt viele weitere Verbindungen zwischen Erosion, Klima und Topographie. Zum Beispiel zwingen Gebirge darüber hinweg wehende Winde zum Aufsteigen, wodurch an den luvseitigen Hängen vermehrt Niederschläge auftreten, was wiederum die Erosion verstärkt. Aus dem gleichen Grunde liegen die windabgewandten Seiten vieler Gebirgsketten im Regenschatten, so daß dort Wüsten entstehen (Bild 4 unten). Die Erosion kann auch von der Höhenlage abhängen, weil die Durchschnittstemperatur mit der Höhe abnimmt. So sind höhere Gipfel seltener durch Vegetation geschützt und eher vergletschert. In Regionen mit gemäßigtem Klima ist die Erosionsgeschwindigkeit proportional zur durchschnittlichen Steilheit des Reliefs; denn an stärker geneigten Hängen können Schwerkraft und Wasser wirksamer angreifen. Insgesamt gesehen, scheinen Gebirge im Verlaufe ihrer Bildung ihr eigenes Klima zu entwickeln. Typischerweise werden sie feuchter und kälter, so daß sich die Erosion verstärkt.

Angesichts dieses Geflechts vielfältiger Einflußgrößen läßt sich die Orogenese wohl am besten mit einem systemtheoretischen Ansatz beschreiben. Um das Verhalten eines komplexen Systems zu verstehen, muß man zunächst seine Komponenten sowie die Interaktionen zwischen ihnen identifizieren. Charakteristisch sind dabei Rückkopplungseffekte – stabilisierende oder destabilisierende Verbindungen zwischen Teilprozessen. Sie bewirken, daß einfache Änderungen in den Ausgangswerten (Inputs) unter Umständen überraschende Ergebnisse (Outputs) haben. Im Falle eines Gebirges kann man als Output beispielswei-se die Höhe betrachten, während einer der Eingabeparameter die Erosionsgeschwindigkeit ist. Wenn die Berge höher werden, verstärkt sich die Erosion, was den weiteren Anstieg bremst. Gegenüber dieser negativen Rückkopplung bildet die Entstehung eines Regenschattens ein positives, selbstverstärkendes Feedback: Die Erosion wird gehemmt, wodurch die Gebirgskette schneller in die Höhe wachsen kann, was den Niederschlag noch mehr verringert. Auf diese Weise hat etwa der Regenschatten im Norden des Himalaya zur Bildung der Hochebene von Tibet beigetragen (siehe Kasten auf den Seiten 86 und 87).

Das Rückkopplungskonzept steht im Mittelpunkt der neuen Vorstellungen darüber, wie Gebirge entstehen – und wie die Orogenese ihrerseits das Gesamtsystem "Erdball" beeinflußt. Man hat zahlreiche Feedback-Schleifen aufgedeckt oder postuliert. Zu den überraschendsten Implikationen zählt dabei die Erkenntnis, daß mehrere bedeutende Rückkopplungseffekte dafür sorgen, daß Vorgänge an der Erdoberfläche – wie klimatische Veränderungen und Erosionsprozesse – tektonische Abläufe im Erdinneren tiefgreifend zu beeinflussen vermögen (und umgekehrt).

Ein wichtiger Feedbackmechanismus hängt mit der schon erwähnten Isostasie zusammen – der Tatsache, daß die Erdkruste mit dem dichteren, flüssigkeitsähnlichen Erdmantel im Schwimmgleichgewicht steht und an jeder Stelle gerade so tief in ihn eintaucht, daß die verdrängte Menge an Mantelgestein ihrem eigenen Gewicht entspricht. Eisberge liefern einen guten Vergleich: Da Eis nur etwa 90 Prozent des spezifischen Gewichts von Wasser hat, wird eine bestimmte Eismenge über der Wasseroberfläche durch das Neunfache dieser Masse unter der Wasserlinie getragen. Analog dazu haben die steil aufragenden Gipfel jeder Gebirgskette gleichsam eine Wurzel, die tief in den darunterliegenden Erdmantel hinabreicht. Da kontinentale Kruste eine Dichte von etwa 80 bis 85 Prozent des Erdmantels aufweist, vermögen Krustenwurzeln mit einer Mächtigkeit von einigen Dutzend Kilometern Gebirge von mehreren Kilometern Höhe zu tragen.

Die Isostasie ist der Schlüsselmechanismus, der die tektonische oder innere mit der geomorphologischen oder äußeren Entwicklung eines Gebirges verknüpft. Wenn durch Erosion an der Oberfläche Gestein abgetragen wird, muß sich aus Isostasiegründen die gesamte Gebirgskette so weit heben, bis ungefähr 80 Prozent der entfernten Gesteinsmasse ersetzt sind (Bild 3). Dies erklärt eine Reihe von Phänomenen, die rätselhaft anmuteten, solange man die Rolle des Feedback bei der Gebirgsbildung nicht verstand.

Zum Beispiel ergaben sehr genaue Vermessungen der Gebirgskette der Appalachen im Osten der USA Hebungen um wenige Millimeter bis einige Zentimeter pro Jahrhundert. Die Appalachen befinden sich aber inmitten des nordamerikanischen Kontinentalschilds, wo es keine konvergierenden Plattengrenzen gibt, die einen solchen Anstieg erklären könnten. Einige Geologen bezweifelten deshalb die Vermessungsergebnisse. Mit unseren neuen Erkenntnissen läßt sich die Hebung jedoch zumindest teilweise als isostatische Reaktion auf Erosionsprozesse deuten, die insbesondere in den reliefreichen Gebieten der Appalachen ein beachtliches Ausmaß erreichen sollte. Wenn sich die Abtragung auf den Grund von Flußtälern konzentriert, können die Berggipfel sogar absolut an Höhe gewinnen; während die Entfernung von Masse nämlich auf die Täler begrenzt ist, hebt das isostatische Aufschwimmen den gesamten Gebirgsblock einschließlich der Gipfel an.

Auch wenn die tektonische Aufwärtsbewegung längst zum Stillstand gekommen ist, können Bergregionen durch diesen Effekt für viele Millionen Jahre auf ihrem Höhenniveau gehalten werden, bevor die Erosion schließlich die Oberhand gewinnt. Mehreren Untersuchungen zufolge bieten weite Bereiche Australiens gute Beispiele für sehr alte Landschaften im Spätstadium der erosionsbedingten Einebnung. Diese Gebiete, in denen über Hunderte von Millionen Jahren keine tektonische Hebung mehr stattfand, liegen allerhöchstens noch einige hundert Meter über dem Meeresspiegel. Hier scheint das isostatische Aufschwimmen die Erosionsverluste nur noch teilweise auszugleichen. In tektonisch aktiven Regionen wie dem Himalaya oder den Alpen dagegen ist die gemessene Hebungsrate die Summe aus einem tektonischen und einem durch Erosion verursachten isostatischen Anteil.


Zusammenhang zwischen Gebirgsbildung und Klimawandel

Muster und Zeitverlauf der Orogenese, wie wir sie heute erleben, erlauben den Schluß, daß während der Erdgeschichte einige Dutzend weitere gewaltige Gebirgsmassive entstanden und wieder verschwunden sind. Deren einstige Existenz läßt sich aber auch beweisen – anhand der Spuren, die sie hinterlassen haben und zu denen Lavaströme, Magma-Intrusionen und zutageliegende Tiefengesteine ebenso zählen wie gewaltige Sedimentablagerungen in Tieflandbecken und Fossilien von Pflanzen, von denen man weiß, daß sie nur in großen Höhen gedeihen. Durch die Untersuchung solcher Zeugnisse aus verschiedenen geologischen Epochen läßt sich das Ausmaß der Gebirgsbildung auf der Erde zu unterschiedlichen Zeiten erschließen und so Aufschluß über die Entwicklung unseres Planeten gewinnen.

Einige Geologen haben aus der relativen Häufigkeit von Sedimenten, der Intensität magmatischer Prozesse und anderen Orogenese-Indikatoren abgeleitet, daß tektonische Aktivität und Gebirgsbildungsrate in den vergangenen 40 Millionen Jahren ungewöhnlich angestiegen sind. Im selben Zeitraum änderte sich auch das irdische Klima grundlegend: Eine weltweite Abkühlung verwandelte Grönland und die Antarktis aus gemäßigt warmen, mit Vegetation bedeckten Landstrichen in Eiswüsten und gipfelte in einer weitgehenden Vergletscherung Nordamerikas und Europas während des größten Teils der vergangenen zwei Millionen Jahre. Dies deutet auf einen fundamentalen Zusammenhang zwischen Klima und Gebirgsbildung hin: Entweder verursachte die gesteigerte Orogenese die weltweite Abkühlung, oder die Klimaänderung löste umgekehrt eine Phase verstärkter Gebirgsbildung aus.

Beide Ansichten werden vertreten. Anhänger der erstgenannten Theorie machen ein Feedback zwischen intensiver, weiträumiger Gebirgsbildung und Klima für die Abkühlung verantwortlich. Zum Beispiel wirken Gletscher selbstverstärkend: Haben sie sich einmal gebildet, reflektieren sie mehr Sonnenlicht als der dunklere Felsgrund. Weil dadurch weniger Strahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt wird, sinkt die Temperatur, und der Gletscher wächst. Die Entstehung großer Gebirgsmassive in den vergangenen 40 Millionen Jahren könnte so die eisbedeckten Flächen auf der Erde und damit die Albedo (Reflexionsfähigkeit) des Planeten vergrößert haben.

Auch der Kohlendioxidgehalt der Luft kommt als Rückkopplungsfaktor in Frage. Einer Hypothese zufolge führt die Bildung von Gebirgen weltweit zu mehr Niederschlägen auf dem Festland und beschleunigt damit Verwitterungsprozesse, die Kohlendioxid verbrauchen, indem sie Silicate in Carbonate verwandeln. Der Entzug dieses Treibhausgases, das vom Erdball abgestrahlte Wärme festhält, kühlt die Atmosphäre ab.

Doch vielleicht war in Wirklichkeit die Veränderung des Klimas das primäre Geschehen während der vergangenen 40 Millionen Jahre. Wie Befürworter dieser Hypothese behaupten, hatte die weltwei-te Abkühlung geologische Auswirkungen, die als Indizien für ein beschleunigtes Wachstum von Gebirgen mißdeutet wurden. Viele Klimatologen glauben, daß der allgemeine Temperaturrückgang von der Kontinentaldrift herrührt, welche die Nord-Süd-Verteilung der Landmassen und Ozeane ebenso veränderte wie das Muster der Meeresströmungen, die einen wichtigen Beitrag zum Ausgleich der Wärmedifferenz zwischen dem Äquator und den Polen leisten (siehe "Plötzliche Klimawechsel" von Wallace S. Broecker, Spektrum der Wissenschaft, Januar 1996, Seite 86). Nach dieser Theorie intensivierte sich durch die weltweite Abkühlung die Erosion in vielen Gebirgsketten – und zwar insbesondere am Grund von Fluß- und Gletschertälern. Die Folge war eine isostatische Hebung der Gipfel.

Die unklare Ursache-Wirkungs-Beziehung zwischen weltweitem Klimawandel und Gebirgsbildung wurde auch als das geologische Pendant zu dem bekannten biologischen Paradoxon bezeichnet, bei dem es um die Frage geht, was zuerst da war: das Huhn oder das Ei. Solche Zirkelschlüsse sind jedoch charakteristisch für stark rückgekoppelte Systeme. Auch wenn sich zur Zeit wohl noch nicht entscheiden läßt, was letztlich die Veränderungen des Klimas und der Topographie während der vergangenen 40 Millionen Jahre verursachte, so haben die Geologen zumindest erkannt, daß die vielen Rückkopplungsmechanismen in diesem System jeglichen Wandel zu verstärken vermögen, und daß Tektonik, Klima und Erosion zusammengewirkt haben müssen, um die heute vorliegenden geologischen Befunde hervorzubringen.


Die Sogwirkung der Erosion

Aus dem Feedback-Geflecht in orogenetischen Systemen geht zugleich hervor, daß die Erosion nicht nur die Form von Gebirgen mitbestimmt, sondern auch tektonische Vorgänge tief in der Kruste maßgeblich beeinflußt. Letztlich begrenzt die Schwerkraft das Wachstum von Gebirgen. Demnach beschleunigt die Erosion tektonische Prozesse, indem sie das Gewicht der aufgetürmten Gesteinsmassen reduziert: Zugespitzt könnte man sagen, sie sauge Kruste in Gebirgsketten hinein und ziehe sie regelrecht nach oben. Auf diese Weise hinterläßt sie im Gestein und im Muster der Krustenverformung in und unter den Bergen gleichsam ihr Signet.

Druck- und Temperaturprofil innerhalb der Kruste steuern die sogenannte Metamorphose – die chemisch-mineralogische Umwandlung von Gestein – und erzeugen dabei charakteristische Minerale. Doch können scheinbar marginale Besonderheiten von Klima und Erosion wie die Windgeschwindigkeit und -richtung oder geringfügige Unterschiede im Breitengrad den Temperaturverlauf in der Kruste während der Entstehung einer Gebirgskette und damit die Art der gebildeten Gesteinstypen entscheidend beeinflussen. Zudem hängt es wesentlich von diesen äußeren Faktoren ab, welcher Gesteinstyp schließlich freigelegt wird. Das örtliche Klima sowie Geschwindigkeit und Muster der Erosion wirken sich also nicht nur auf die Topographie, sondern auch auf die Zusammensetzung und Struktur von Gebirgen aus.

Kürzlich wurde mittels Computermodellen untersucht, wie die vorherrschende Windrichtung und die resultierende Niederschlagsverteilung die Lage und Form verschiedener Metamorphosezonen in durch Subduktion entstandenen Gebirgsketten beeinflussen (Bild 4 oben). Weht der Wind hauptsächlich in derselben Richtung, in der sich die abtauchende Platte bewegt, dann fällt ein Großteil der Niederschläge auf der meerwärtigen Seite der Gebirgskette, auf der sich auch die Subduktionszone befindet. Die dadurch verstärkte lokale Erosion fördert die Verformung und Freilegung von Gesteinen, die sich an dieser Stelle tief in der Kruste gebildet haben. Falls dagegen die vorherrschenden Luftströmungen umgekehrt zur Subduktionsrichtung verlaufen, konzentriert sich die Erosion auf die landwärtige Seite der Gebirgskette. Dann verformt sich das gesamte Massiv relativ einheitlich, und es werden auf der inneren, dem Kontinent zugewandten Seite Tiefengesteine freigelegt. Bei einer Untersuchung der erodierten Kerne mehrerer alter Gebirgsketten ließ sich der Einfluß der Windrichtung im Verteilungsmuster der Gesteine, die durch klimabedingte Erosion in die Gebirgskette gesaugt worden waren, selbst bis zu zwei Milliarden Jahre nach dem Erlöschen der tektonischen Aktivität noch klar erkennen.

Die sich häufenden Belege dafür, daß tektonische und Erosionsprozesse über vergleichbare Zeiträume hinweg und mit ähnlichen Geschwindigkeiten wirken, geben Anlaß zu der Vermutung, daß einige Gebirgsketten einen stationären Zustand erreicht haben. Größe und Grundform der Gebirge können dann Hunderttausende bis Millionen von Jahren stabil bleiben, Erosion und Hebung sich gerade kompensieren.

Obwohl dieses Fließgleichgewicht heute wohl nur in relativ wenigen Gebirgen exakt eintariert ist, dürfte es bei vielen irgendwann in der Vergangenheit einmal bestanden haben. In der Regel durchlaufen Gebirgsketten nämlich drei Entwicklungsstadien. Im ersten verdickt sich durch den Zusammenstoß von Platten oder durch ein anderes tektonisches Ereignis die Kruste, und es kommt zur Hebung. Dabei übertrifft die Hebungsgeschwindigkeit die der Erosion. Die Abtragung beschleunigt sich jedoch drastisch, wenn Höhe und Steilheit der Gipfel zunehmen. Je nach Größe der Gebirgskette und örtlichem Klima dürfte die Erosion irgendwann so intensiv werden, daß sie (eventuell in Verbindung mit der Steifigkeit der Kruste) eine weitere Höhenzunahme verhindert. Dies ist das zweite Stadium, in dem das erwähnte Fließgleichgewicht herrscht. Wenn die tektonische Hebung schließlich nachläßt, beginnt die Erosion zu dominieren, und das Endstadium setzt ein: Die mittlere Höhe der Gebirgskette nimmt langsam (wegen der isostatischen Ausgleichsbewegung), aber stetig ab. Tektonische oder klimatische Ereignisse sowie Rückkopplungen zwischen diesen und der Erosion können den Zyklus in jedem Stadium unterbrechen oder komplizierter gestalten.

So wie sich mit der Plattentektonik das weltweite Häufigkeitsmuster von Erdbeben, Vulkanen, Fossilien und vielen verschiedenen Gesteinen und Minerale erklären ließ, zeigt die neue, umfassende Theorie der Gebirgsbildung das Zusammenwirken von tektonischen Kräften, Klima und Topographie bei der Entstehung einiger der spektakulärsten Landschaften der Erde und bringt mit dieser Gesamtsicht Licht in bislang rätselhafte Phänomene. Mit Computersimulationen auf der Basis dieses Modells konnte man zum Beispiel für verschiedene Gebirge sehr gut nachvollziehen, wie sich komplexe tektonische Prozesse, Klimaänderungen und das besondere geologische Umfeld auf die Orogenese auswirkten. Weitere Untersuchungen werden noch mehr Einzelheiten darüber erbringen, wie die grandiosen Gebirgsketten der Erde sich auftürmen, ausformen und schließlich wieder einebnen und welche Bedeutung sie für Klima und Tektonik unseres Planeten haben.

Literaturhinweise

- Landform Development by Tectonics and Denudation. Von T. Yoshikawa in: Themes in Geomorphology. Herausgegeben von A. Pitty. Croom Helm, 1985.

– Erosional Control of Active Compressional Orogens. Von C. Beaumont, P. Fullsack und H. Hamilton in: Thrust Tectonics. Herausgegeben von K. R. McClay. Chapman and Hall, 1992.

– "Long-Term" Land Surface Processes: Erosion, Tectonics and Climate History in Mountain Belts. Von B. L. Isacks in: TERRA-1: Understanding the Terrestrial Environment: The Role of Earth Observations from Space. Herausgegeben von P. M. Mather. Taylor and Francis, 1992.

– Tectonic Forcing of Late Cenozoic Climate. Von R. E. Raymo und W. F. Ruddiman in: Nature, Band 359, Heft 6391, Seiten 117 bis 122; 10. September 1992.

– How Flat is Tibet? Von E. Fielding, B. L. Isacks, M. Barazangi und C. Duncan in: Geology, Band 22, Heft 2, Seiten 163 bis 167; Februar 1994.

– Megageomorphology. Von E. A. Keller und N. Pinter in: Active Tectonics: Earthquakes, Uplift and Landscape. Prentice Hall, 1996.

Kasten: Der Himalaya und die Appalachen – ein aufschlußreicher Vergleich

Obgleich sowohl der Himalaya in Südostasien als auch die Appalachen im Osten der USA durch die Kollision von Kontinentalplatten entstanden sind, haben sie nur wenig gemeinsam. Ihre genauere vergleichende Betrachtung ist gut geeignet, die Grundprinzipien der neuen, systemorientierten Sichtweise der Gebirgsbildung zu illustrieren.



Der Himalaya erstreckt sich 2500 Kilometer weit zwischen Nordindien und Südwest-China und wird wegen seines steil aufragenden Kamms, der die zehn höchsten Berge der Erde – mit dem Mount Everest (8848 Meter) als höchstem – enthält, auch ehrfürchtig als Dach der Welt bezeichnet. Zusammen mit der sich nach Norden anschließenden Hochebene von Tibet stellt er die größte Gebirgsmasse der Erde dar; manche behaupten sogar, daß es innerhalb der letzten Milliarde Jahre keine größere gab. Andererseits vermittelt das tibetanische Plateau den Eindruck einer flachen Küstenebene – außer daß die dünne Luft Atembeschwerden verursachen kann. Es ist die ausgedehnteste Landfläche der Erde oberhalb von 5000 Metern – ein Gebiet, etwa halb so groß wie der festländische Teil der USA und überwiegend mindestens 200 Meter höher gelegen als der Mont Blanc, der höchste Alpengipfel.



Diese ebenso dramatische wie vielfältige Topographie entwickelte sich im Verlauf der letzten 50 Millionen Jahre als Folge der Kollision zwischen der indischen und der asiatischen Platte. Bei dem Zusammenstoß wurden die Ränder der beiden Krustenblöcke zusammengedrückt, und es kam zu Kontraktionsverwerfungen, die sich durch die gesamte Kruste ziehen. An ihnen entlang schiebt sich ein Teil des indischen Subkontinents unter Südasien, wodurch sich die Mächtigkeit der Kruste dort ungefähr verdoppelt hat. Vor der Kollision driftete die indische Platte mit einer Geschwindigkeit von 15 bis 20 Zentimetern pro Jahr nach Norden. Seither dringt sie immer noch jährlich um etwa fünf Zentimeter vor. Insgesamt hat sie sich wie ein Bulldozer 1200 bis 2800 Kilometer tief in die asiatische Platte hineingebohrt und dabei nicht nur den Himalaya und die Hochebene von Tibet geschaffen, sondern auch riesige Gebiete von Indochina und vom östlichen China buchstäblich nach Osten und Südosten herausgequetscht.



Die Entstehung des Himalaya-Massivs und des Hochlandes von Tibet verdeutlicht viele jener Rückkopplungsmechanismen, die nach neuem Verständnis eine wesentliche Rolle bei der Gebirgsbildung spielen. So begünstigte die Hebung des Tibet-Plateaus offenbar vor rund acht Millionen Jahren eine Klimaänderung, als deren Folge sich der Monsun – ein kräftiger, saisonaler Niederschlag, der in Südasien auftritt – drastisch verstärkte. Die Folge war eine enorm beschleunigte Erosion im Himalaya, wodurch die Sedimentfracht der Flüsse Indus, Ganges und Brahmaputra auf das 13fache stieg. Dies verursachte anscheinend eine kräftige isostatische Hebung des Himalaya-Massivs. Dagegen entwickelte sich im Inneren der Hochebene von Tibet kaum Relief, weil das Gebiet im Regenschatten des Himalaya liegt und die großen Flüsse sich noch nicht durch rückschreitende Erosion in das Plateau hineinfressen konnten.



Obwohl die Appalachen heute viel weniger spektakulär anmuten als der Himalaya, entstanden sie durch die gleichen tektonischen Vorgänge und werden durch ähnliche Rückkopplungsprozesse überformt. Der wichtigste Unterschied besteht im Alter: Die Hebung der Appalachen erreichte ihren Höhepunkt schon vor 250 bis 350 Millionen Jahren.



Geologisch betrachtet, ist der östliche Teil Nordamerikas heute die ruhige Seite des Kontinents. Vor 200 Millionen Jahren lag er jedoch im Zentrum heftiger tektonischer Aktivität. Zuvor war über einen Zeitraum von einigen hundert Millionen Jahren hinweg der Boden des Vorläufers des Atlantischen Ozeans (Iapetus genannt) unter den Ostrand Nordamerikas subduziert worden. Als sich dieses Meeresbecken schloß, prallten mindestens drei kleinere Landmassen – vermutlich Inselbögen wie das heutige Japan – auf den Kontinent. Die dadurch ausgelöste Gebirgsbildung erreichte beim Zusammenstoß Afrikas mit dem Osten der heutigen USA schließlich ihren Höhepunkt. Zu diesem Zeitpunkt waren die Appalachen schätzungsweise 250 bis 350 Kilometer breit und durchschnittlich 3500 bis 4500 Meter hoch, wobei einzelne Gipfel vielleicht noch viel weiter emporragten. Einer Untersuchung zufolge wurden während der letzten 270 Millionen Jahre durch Erosion 4500 bis 7500 Meter Material von den Appalachen abgetragen. (Das bedeutet allerdings nicht, daß die Berge einst 4500 bis 7500 Meter höher waren, da die Erosionsverluste durch isostatische Hebung teilweise ausgeglichen wurden.) In den letzten 200 Millionen Jahren, als Nordamerika und Afrika wieder auseinanderdrifteten und sich der Atlantische Ozean zu öffnen begann, war dann die Erosion der dominierende Prozeß, der die Gebirgskette formte. In diesem Stadium dürften allenfalls sekundäre tektonische Ereignisse noch geringere Hebungen verursacht haben.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 1997, Seite 82
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
9 / 1997

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 9 / 1997

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