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Geophysik: Die verbeulte Erde

Nicht nur die Plattentektonik gestaltet die Erdkruste. Gesteinsströme im Erdmantel heben und senken ganze Kontinente, ohne dass Krustenplatten miteinander kollidieren. Gewaltige Plateaus entstehen so – wie im südlichen Afrika.


Laut geologischer Lehrmeinung formen gewaltsame Kollisionen zwischen riesigen tektonischen Platten, den beweglichen Bruchstücken der Gesteinshülle unseres Planeten, das Antlitz der Erde. So türmte der Zusammenstoß von Indien mit Asien den mächtigen Himalaya auf, und die Anden wuchsen empor, als sich der Boden des Pazifiks unter Südamerika zu schieben begann. Doch selbst die enormen Kräfte der Plattentektonik bieten für einige der spektakulärsten Oberflächenformen des Globus keine ausreichende Erklärung.

So erstreckt sich im südlichen Afrika eines der größten Plateaus auf der Erde; es misst mehr als 1600 Kilometer im Durchmesser und ist rund 1500 Meter hoch. Geologischen Befunden zufolge haben sich diese Landmasse und der umgebende Ozeanboden in den letzten 100 Millionen Jahren langsam gehoben, obwohl in dem Gebiet seit fast 400 Millionen Jahren keine Plattenkollision stattfand.

Die so genannte Afrikanische Superschwelle ist nur ein Beispiel für dramatische vertikale Bewegungen weiter Bereiche der Erdoberfläche. In der Vergangenheit sanken riesige Teile von Australien und Nordamerika bis zu 1500 Meter ab – und tauchten wieder auf.

Wissenschaftler, die sich auf die Erforschung des Erdinneren spezialisiert haben, vermuten seit langem, dass hinter solchen Auf- und Abbewegungen dynamische Prozesse tief unter der Oberfläche unseres Planeten stecken. Ihr Verdacht richtete sich schon früh auf den Erdmantel, der direkt unterhalb des Mosaiks der tektonischen Platten liegt. Seine glühend heißen Gesteinsmassen reichen fast 3000 Kilometer hinab bis zum eisernen Erdkern.

Geophysiker erkannten bald, dass bei den hohen Temperaturen und dem enormen Druck im Mantel auch scheinbar festes Gestein über Jahrtausende hinweg zäh wie Sirup fließen kann. Doch anfangs blieb unklar, wie dieses Kriechen vertikale Bewegungen großen Ausmaßes hervorrufen kann. Inzwischen gibt es leistungsfähige Computermodelle, die Momentaufnahmen vom heutigen Mantel mit Informationen darüber kombinieren, wie sich diese Erdschicht in der Vergangenheit verhalten hat. Mit ihnen lässt sich das erstaunliche Auf und Ab großer Teile der Erdoberfläche mittlerweile recht gut verstehen.

Seit der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts wissen Geophysiker, dass der Mantel über lange geologische Zeiträume hinweg nicht nur kriecht – er wälzt sich auch um und brodelt wie ein Topf mit dicker Suppe, die kurz vor dem Kochen steht. Das heißeste Gestein hat eine verhältnismäßig geringe Dichte; es erfährt deshalb einen Auftrieb, der es langsam empordringen lässt. Dagegen sinkt kühleres, dichteres Material ab, bis es durch die Wärme, die aus dem geschmolzenen Kern entweicht, genügend aufgeheizt wird, um wieder aufsteigen zu können. Dieses dreidimensionale Bewegungsmuster, die so genannte Konvektion, setzt die horizontale Wanderung tektonischer Platten in Gang. Doch schien zunächst zweifelhaft, ob die resultierenden Kräfte imstande wären, die Erdoberfläche auch zu heben oder zu senken.

Diese Einschätzung begann sich zu ändern, als Geophysiker staunend auf die ersten noch ziemlich unscharfen "Bilder" des Erdinneren blickten und so die Macht des Mantels zu begreifen begannen. Vor etwa zwanzig Jahren entwickelten Adam M. Dziewonski am California Institute of Technology in Pasadena und seine Kollegen die so genannte seismische Tomographie, um dreidimensionale Momentaufnahmen von den tiefen Erdregionen zu erzeugen (Spektrum der Wissenschaft 12/84, S. 62). Dazu verwendeten sie Messdaten von Vibrationen, die durch Erdbeben in der äußeren Schale des Globus ausgelöst werden.

Die Geschwindigkeiten dieser so genannten seismischen Wellen hängen von chemischer Zusammensetzung, Temperatur und Druck der Gesteine ab, durch die sie sich fortpflanzen. In heißem Material geringer Dichte werden sie abgebremst. In kälteren, dichteren Regionen können sie sich dagegen besonders schnell ausbreiten. Durch die Messung der Zeit, welche seismische Wellen vom Epizentrum (Herd) eines Erdbebens bis zu einer Empfangsstation an der Erdoberfläche benötigen, lassen sich so Rückschlüsse auf Temperatur und Dichte in einem bestimmten Segment des Erdinneren ziehen. Wenn man für Tausende von Erdbeben rund um den Globus die seismischen Geschwindigkeiten ermittelt, kann man daraus eine Karte von Temperatur und Dichte im gesamten Erdmantel erstellen.

Diese seismischen Momentaufnahmen wurden um so schärfer und detaillierter, je genauere Verfahren zur Auswertung der seismischen Daten die Forscher entwickelten. Und so kamen dabei kürzlich einige unerwartete Strukturen in den tiefsten Teilen des Mantels ans Licht (Bild rechts). Wie sich herausstellte, liegt die größte davon direkt unter der Südspitze Afrikas. Vor etwa zwei Jahren berechneten die Seismologen Jeroen Ritsema und Hendrik-Jan van Heijst vom California Institute of Technology, dass sich das pilzförmige Gebilde vom Kern aus etwa 1500 Kilometer nach oben erstreckt und eine Ausdehnung von mehreren tausend Kilometern hat.

Geister der Vergangenheit


Sofort stellten sie sich die Frage, ob dieser gewaltige Pilz vielleicht in der Lage wäre, eine Landmasse wie Afrika anzuheben. Da es sich um eine Region handelt, in der sich seismische Wellen langsam fortpflanzen, muss sie heißer sein als der umgebende Mantel. Nach den Gesetzen der Konvektionsphysik aber sollte eine heiße Region aufsteigen.

Nun gibt eine seismische Momentaufnahme nur die augenblickliche Position der betreffenden Struktur wieder. Hätte der Pilz zum Beispiel eine andere Zusammensetzung als das umgebende Gestein, würde er trotz seiner höheren Temperatur vielleicht nicht aufsteigen. Gemeinsam mit Jerry X. Mitrovica, einem Geophysiker an der Universität Toronto, entschloss ich mich daher, einen Zeitrafferfilm von den möglichen Ereignissen anzufertigen. Wir gaben Form und vermutete Dichte des heißen Gesteinspakets sowie Schätzungen darüber, wann Südafrika sich zu heben begann, in ein Computerprogramm ein, das die Mantelkonvektion simuliert. Dadurch fanden wir im vorigen Jahr heraus, dass der Pilz tatsächlich genügend Auftrieb hat, um langsam im Mantel aufzusteigen – und Afrika dabei nach oben zu drücken.

Seismische Momentaufnahmen und Computermodelle – die Grundwerkzeuge der Geophysiker – genügten also, das Rätsel der Afrikanischen Superschwelle zu lösen. Die Analyse des Auf und Ab von Nordamerika und Australien erwies sich dagegen als komplizierter. Hier führten erst Umwege zum Ziel. Dabei wurde uns eines klar: Geophysiker, die nur den Mantel in seinem heutigen Zustand betrachten, können nicht zufriedenstellend erklären, wie dynamische Vorgänge in dieser Schicht die Erdoberfläche formen; wer die tieferen Zusammenhänge erkennen will, kommt nicht daran vorbei, Anleihen bei der traditionellen Geologie mit ihrer historischen Perspektive zu machen.

Wichtige Erkenntnisse, die später entscheidend zum Verständnis der Vertikalbewegungen Australiens und Nordamerikas beitragen sollten, erbrachten Forschungen zu einer scheinbar völlig anderen Fragestellung in den 1960er Jahren. Dabei ging es um den Einfluss der Dichte des Mantelgesteins auf das Schwerefeld der Erde. Damals erwarteten die Geophysiker, dass die Gravitation über Regionen heißen Gesteins, die weniger dicht sind und daher weniger Masse haben, geringer wäre als anderswo. Doch als sie erstmals die lokalen Schweredaten zu einer globalen Karte zusammenstellten, fanden sie keinen Zusammenhang zwischen der örtlichen Gravitation und den kalten oder heißen Teilen des Mantels.

Clement G. Chase, der heute an der Universität von Arizona in Tucson tätig ist, entdeckte Ende der 1970er sowie Anfang der 1980er Jahre sogar ein entgegengesetztes Muster. Als er Regionen von mehr als 1500 Kilometer Ausdehnung betrachtete, stellte er fest, dass die Gravitation nicht über kaltem Mantelgestein am stärksten ist, sondern über isolierten Vulkangebieten, den so genannten heißen Flecken (Hot Spots).

Vielleicht noch überraschender war, was er über einen langen Streifen geringer Schwere herausfand, der sich von der Hudson Bay in Kanada zum Nordpol, dann durch Sibirien und Indien bis hinunter zur Antarktis zieht (Bild links). Rekonstruktionen der einstigen Anordnung tektonischer Platten ergaben, dass der Bereich niedriger Gravitation eine Reihe von Stellen markiert, an denen vor 125 Millionen Jahren solche Platten in den Mantel abtauchten. Es schien, als ob der Geist ehemaliger Subduktionszonen, wie man derartige Stellen nennt, die Schwerkraft vermindern würde. Doch falls kalte, dichte Bruchstücke des Meeresbodens immer noch durch den Mantel absänken, müsste die Gravitation dort besonders hoch sein und nicht, wie von Chase beobachtet, ungewöhnlich gering.

Mitte der 1980er Jahre löste der Geophysiker Bradford H. Hager, heute am Massachusetts Institute of Technology in Cambridge, diesen scheinbaren Widerspruch auf. Er gab zu bedenken, dass andere Faktoren als die Temperatur Gesteinspakete mit Massenüberschuss oder -defizit im Mantel erzeugen könnten. Dabei griff er auf die Fluiddynamik zurück – also die Physik strömender Flüssigkeiten; denn als ein solches Medium verhält sich der Mantel über längere Zeiträume hinweg.

Wenn eine Flüssigkeit geringer Dichte aufsteigt, wie das bei den heißesten Regionen des Mantels der Fall ist, drückt die Kraft der Fließbewegung das darüber liegende dichtere Material nach oben. Diese allmähliche Hebung oberhalb des eigentlichen Aufstrombereichs erzeugt einen Überschuss an Masse (und folglich stärkere Gravitation) an der Erdoberfläche. Analog kann die Gravitation über kaltem, dichtem Material geringer sein. Wenn dieses absinkt, zieht es nämlich Masse mit nach unten, die sich einst unter der Oberfläche befand.

Kontinente als Fahrstühle


Das erklärt, warum die Geister von Subduktionszonen einen Streifen geringer Schwere erzeugen konnten: Ein Teil dieses kalten, abgetauchten Meeresbodens sinkt offenbar immer noch innerhalb des Mantels ab – und zieht dabei Material nahe der Erdoberfläche mit nach unten. Träfe Hagers Deutung zu, hieße das, dass Mantelgestein die feste Erdschale nicht nur dadurch beeinflusst, dass es an vielen Stellen horizontal darunter entlangkriecht; auch die weiträumigen Auf- und Abströme in der Tiefe würden sich bis zur Oberfläche durchpausen: Aufsteigende Bereiche drückten das Land darüber nach oben, absinkende Bereiche zerrten es mit hinab.

Zur selben Zeit als Chase und Hager diesen Mechanismus entdeckten, der beträchtliche Hebungen und Senkungen der Erdoberfläche verursachen konnte, stießen Geologen auf erste Beweise dafür, dass sich Kontinente tatsächlich in der Vergangenheit wie Fahrstühle auf und ab bewegt haben. Weltweit enthalten Gesteinsformationen Hinweise auf Meeresspiegelschwankungen. Die meisten Geologen nahmen an, diese Fluktuationen rührten von Variationen des Wasservolumens in den Ozeanen her und beträfen deshalb alle Kontinente gleichermaßen. Doch einige Forscher lieferten überzeugende Belege dafür, dass die stärksten Fluktuationen des Meeresspiegels in Wahrheit auf vertikale Bewegungen einzelner Kontinente zurückzuführen sind. Wenn sich zum Beispiel eine Landmasse relativ zu den anderen nach oben bewegt, sieht es so aus, als sänke die Ozeanoberfläche ringsherum ab, während sie rund um die übrigen Kontinente unverändert bliebe.

Dennoch bezweifelten die meisten Geologen weiterhin, dass sich Kontinente vertikal bewegen könnten. Sie blieben selbst dann skeptisch, als in den frühen 1970er Jahren erste Hinweise auf ein bizarres Auf und Ab Australiens auftauchten. Bei der Untersuchung alter Gesteinsvorkommen im Osten des Kontinents fand John J. Veevers von der Macquarie-Universität in Sydney heraus, dass in der frühen Kreidezeit (vor etwa 130 Millionen Jahren) ein flaches Meer diese Region binnen kürzester Frist überflutete; andere Kontinente wurden dagegen sehr viel langsamer unter Wasser gesetzt. Andererseits zogen sich die Ozeane in der oberen Kreide (vor etwa 70 Millionen Jahren) bereits wieder von Australiens Küsten zurück, während der Meeresspiegel rund um die übrigen Landmassen seinen Höchststand erreichte. Die frappierende Folgerung: Die Osthälfte des Kontinents muss im Vergleich zu anderen Landmassen um über 300 Meter abgesunken und dann wieder hochgeschnellt sein, bevor der Meeresspiegel weltweit abzusinken begann.

Doch die Geschichte geht weiter. 1978 entdeckte Gerard C. Bond, heute am Lamont-Doherty-Erdobservatorium der Columbia-Universität in Palisades (New York), dass Australien seit dem Ende der Kreidezeit erneut abgesunken ist, diesmal um knapp zweihundert Meter. Dieser Abwärtstrend hält immer noch an. Wie man die Plattentektonik auch dreht und wendet – mit ihr allein ist eine solche Achterbahnfahrt eines Kontinents nicht zu erklären. Eine befriedigende Deutung ergibt sich nur dann, wenn man Hagers Theorie mit einbezieht, wonach der Mantel die Erdoberfläche verbeulen kann.

Den Anstoß zu einer solchen Synthese gab die genaue Untersuchung eines anderen Beispiels für Hebung und Senkung. Ende der 1980er Jahre bewog Bonds Arbeit Christopher Beaumont an der Dalhousie-Universität in Halifax (kanadische Provinz Neuschottland), einer verblüffenden Besonderheit von Denver (Colorado) nachzugehen. Obwohl die Stadt mehr als 1500 Meter über dem Meeresspiegel liegt, besteht ihr Untergrund aus horizontal gelagerten, nicht deformierten marinen Gesteinen. Diese bildeten sich aus Sedimenten, die sich während der Kreidezeit auf dem Grund eines flachen Meeres ablagerten. Zwar bedeckten damals riesige Ozeane große Teile der Kontinente; dennoch lag der Meeresspiegel nur etwa 120 Meter höher als heute. Die See konnte also niemals landeinwärts bis zum jetzigen Denver vorgedrungen sein – es sei denn, die Region hat sich vorher weit über tausend Meter abgesenkt.

Anhand des Verlaufs der Küstenlinien Nordamerikas in der Kreidezeit schätzte Beaumont, dass diese Absenkung und der nachfolgende Anstieg auf die heutige Höhe ein Gebiet mit einem Durchmesser von rund 1000 Kilometern erfasst hat. Diese gewaltige Ausdehnung aber ist schwerlich mit der Theorie der Plattentektonik vereinbar. Ihr zufolge sind nämlich nur Plattenränder dünn genug, um sich wie eine Angelrute zu biegen, wenn Druck auf sie ausgeübt wird; deshalb können vertikale Bewegungen höchstens bis in etwa 150 Kilometer Entfernung von solchen Rändern stattfinden. Die Bewegung des zentralen Teils Nordamerikas vollzog sich jedoch Hunderte von Kilometern landeinwärts – weitab vom Einfluss jeglicher Plattenkollisionen. Also musste ein völlig anderer Mechanismus dafür verantwortlich sein.

Beaumont wusste, dass im Mantel unter Nordamerika abgetauchte Bruchstücke eines ehemaligen Meeresbodens stecken, die einen Sog nach unten ausüben könnten. Hatte also eine abwärts gerichtete Fließbewegung des Mantels die Delle bei Denver verursacht? Um das zu ergründen, tat sich Beaumont mit Mitrovica, damals noch Student im höheren Semester an der Universität Toronto, sowie Gary T. Jarvis von der York-Universität in Toronto zusammen.

Ursache der Delle bei Denver


Wie die Drei feststellten, schob sich in der Kreide die so genannte Farallon-Platte unter die Westküste Nordamerikas. Computersimulationen zufolge drang sie dabei zunächst fast horizontal in den Mantel ein. Als sie dann abzusinken begann, erzeugte sie in ihrem Kielwasser eine abwärts gerichtete Strömung, die Nordamerika so weit nach unten zog, dass es großenteils unter den Meeresspiegel geriet. Als die Farallon-Platte noch tiefer sank, nahm die Kraft ihres Sogs jedoch ab. Die Tendenz des Kontinents aufzuschwimmen – denn Festland besteht aus Gestein relativ geringer Dichte – gewann so schließlich die Oberhand, und Nordamerika schoss wie ein Korken wieder in die Höhe.

Als die kanadischen Forscher diese Theorie 1989 veröffentlichten, war die Farallon-Platte schon seit Jahrmillionen im Mantel verschwunden. Auf ihre Existenz konnte man also nur auf Grund geologischer Hinweise am Boden des Pazifischen Ozeans schließen. Damals gab es noch keine seismischen Aufnahmen genügend hoher Auflösung, um eine Struktur auszumachen, die so klein ist wie ein absinkendes Fragment des Meeresbodens. Doch 1996 präsentierten Stephen P. Grand von der Universität von Texas in Austin und Rob van der Hilst vom Massachusetts Institute of Technology neue Aufnahmen des Mantels. Die beiden Seismologen gehörten nicht nur unterschiedlichen Forschergruppen an, ihre Bilder beruhten auch auf völlig verschiedenen Messreihen. Dennoch zeigten beide praktisch identische Strukturen – insbesondere nach unten geneigte kalte Mantelregionen, die offensichtlich absinkende Bruchstücke einstigen Meeresbodens darstellten: Die bisher nur indirekt erschlossene Farallon-Platte stach in den Bildern als gewölbte Scheibe hervor, die vom Westen der USA bis etwa 1500 Kilometer unter die Ostküste hinabreichte. Sie sitzt genau in dem Streifen verminderter Schwere, den Chase zwei Jahrzehnte zuvor entdeckt hatte.

Die Erkenntnis, dass das Ab- und Auftauchen Nordamerikas etwas mit der Subduktion von Meeresboden zu tun hat, lieferte einen überzeugenden Zusammenhang zwischen Meeresspiegelschwankungen und Vorgängen im Mantel. Damit mußte meiner Meinung nach auch die wiederholte Hebung und Senkung Australiens seit dem Beginn der Kreidezeit zu erklären sein. Über 15 Jahre hatte ich per Computer die Mantelkonvektion simuliert und dabei festgestellt, dass sie sehr wohl in der Lage ist, die Erdoberfläche um weit mehr als tausend Meter zu heben und damit eine scheinbare Absenkung des Meeresspiegels hervorzurufen.

Folglich suchte ich in der bekannten Geschichte der Plattentektonik nach Hinweisen auf Vorgänge im Mantel, die das Auf und Ab des fünften Kontinents verursacht haben könnten. Während der Kreidezeit war Australien mit Südamerika, Afrika, Indien, der Antarktis und Neuseeland zu einem Superkontinent namens Gondwana vereint. Er existierte mehr als 400 Millionen Jahre, bevor er schließlich in die uns vertrauten Landmassen zerbrach. Fast während seiner gesamten Lebensdauer tauchten rund um Gondwana kalte ozeanische Platten in den Mantel ab. Diese Tatsache musste, wie ich glaubte, irgendwie mit dem Auf und Ab Australiens zusammenhängen.

Meine Überzeugung festigte sich, als ich die ehemaligen Subduktionszonen auf Karten alter Plattenkonfigurationen einzeichnete, die der Ozeanograph R. Dietmar Müller von der Universität Sydney erstellt hatte. Die Zeichnungen boten eine Erklärung für die merkwürdigen Vorgänge in Australien. Demnach wäre der Kontinent, als die alte Subduktionszone Gondwanas schließlich absank, direkt über sie hinweggedriftet.

Um diese Vermutung zu überprüfen, musste ich herausfinden, was mit der kalten Platte im Mantel während der vielen Jahrmillionen geschah, in denen Gondwana auseinanderbrach. Wie wirkte sie sich auf Australien aus? Auf der Suche nach einer Antwort zogen Müller und ich gemeinsam mit Louis Moresi von der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization in Perth wiederum eine Computersimulation heran. Wir kannten die ursprüngliche Position der alten Subduktionszone, die Geschichte der horizontalen Plattenbewegungen in der Region und die mutmaßlichen Eigenschaften – etwa die Viskosität – des darunter liegenden Mantels. Mit diesen Vorgaben erstellte der Computer ein Szenario für Australien, das sich fast perfekt mit unseren Hypothesen deckte.

Das Computermodell startete vor 130 Millionen Jahren mit dem Abtauchen von Meeresboden unter den Osten Australiens. Nach der Trennung von Gondwana wanderte der Kontinent über das kalte, absinkende Fragment und wurde von ihm nach unten gezogen. Als er sich bei der weiteren Drift nach Osten von dem Fragment entfernte, stieg er wieder auf.

Indonesien zieht Australien mit in die Tiefe


Damit erklärte unser Modell die rätselhafte Bewegung Australiens während der Kreidezeit, die Veevers erstmals beobachtet hatte. Wie aber kam es zu dem späteren erneuten Absinken des gesamten Kontinents um knapp 200 Meter, das Bond entdeckte? Wie sich zeigte, hängt die Antwort damit zusammen, dass Australien seit dem Ende der Kreidezeit nordwärts Richtung Indonesien gleitet.

Auf diese Erkenntnis brachte uns die Zusammenarbeit mit der Geophysikerin Carolina Lithgow-Bertelloni, die inzwischen an der Universität von Michigan in Ann Arbor tätig ist. Sie hat ein globales Modell des Mantels entwickelt, das die Geschichte der Subduktion berücksichtigt. Ihm zufolge wird Indonesien derzeit so stark abwärts gesaugt wie keine andere Erdregion. Der Grund ist vermutlich, dass es an der Schnittstelle ausgedehnter, noch immer aktiver Subduktionssysteme im Pazifischen und Indischen Ozean liegt. Tatsächlich ist Indonesien ein riesiger abgetauchter Kontinent, von dem heute nur noch die höchsten Erhebungen aus dem Meer ragen. Und während es absinkt, zieht es Australien mit in die Tiefe.

Damit kommen wir zurück zu Afrika. In gewissem Sinn ist es der Gegenpol zu Indonesien: Das asiatische Inselreich wird hinabgezogen, der schwarze Kontinent dagegen hochgedrückt. Beides hat viel mit dem einstigen Gondwana zu tun. Der breite Streifen geringer Schwere, den Chase vor dreißig Jahren entdeckte, wird durch die immer noch absinkenden Platten jener gigantischen Subduktionszone erzeugt, die einst den Superkontinent umgab. Das südliche Afrika lag im Zentrum Gondwanas. Daher wurde der Mantel darunter weder damals noch in den Jahrmillionen seither von abtauchenden ozeanischen Platten gekühlt. Und so heizte er sich allmählich auf. Das erklärt, warum heute ein rießiger Pilz heißen Gesteins – ein so genannter Superplume – tief unter Südafrika emporsteigt.

All diese Erkenntnisse machen deutlich, dass die Stoffströme im Mantel das Antlitz der Erde in mehr als einer Hinsicht prägen. Sie sind nicht nur ein wichtiger Motor der Plattendrift, sondern heben und senken auch riesige Landmassen. Und was die vielleicht aufregendste Entdeckung ist: Die Bewegung im tiefen Mantel hinkt hinter der horizontalen Wanderung der tektonischen Platten her. Deshalb können einstige Plattengrenzen noch Jahrmillionen später beeinflussen, wie sich die Erdoberfläche an dieser Stelle verbeult.

Mit neuen Methoden zur Beobachtung des Mantels und zur Simulation seines Bewegungsmusters werden wir die Dynamik der Mantelkonvektion und Plattentektonik immer besser verstehen. Wie erwähnt, wirkt sich jede Veränderung der Stoffströme in der Tiefe auf das Gravitationsfeld aus. Seine Schwankungen zu verfolgen gehört deshalb zu den Zielen einer deutsch-amerikanischen Raumfahrtmission namens GRACE, für die im Juni der Startschuss fallen soll. Zwei Raumfahrzeuge, die hintereinander in der selben Umlaufbahn kreisen, werden alle zwei Wochen neue Schweredaten liefern und so vielleicht indirekte Aufschlüsse über die langsamen vertikalen Strömungen geben, die von der Konvektion im Mantel herrühren.

Desgleichen dürften seismische Aufnahmen mit noch höherer Auflösung einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, das momentane Geschehen im Mantel zu enthüllen. Diesem Zweck dient das Projekt USArray, das über fünf bis zehn Jahre laufen soll. Geplant ist, dass 400 bewegliche Seismometer den Erdmantel bis in gut tausend Kilometer Tiefe durchleuchten und dabei noch Strukturen von 80 Kilometern Durchmesser auflösen.

Aufnahmen und Vermessungen des Mantels in bislang unerreichter Qualität sind bereits für das kommende Jahrzehnt geplant. In Verbindung mit noch leistungsfähigeren Computern versprechen sie enorme Fortschritte bei der Aufklärung der dynamischen Prozesse im Erd-inneren. Die größte zusammenhängende Region des Planeten – den Mantel – als Gesteinsmasse mit einer geologischen Geschichte zu betrachten, hat sich bereits als höchst fruchtbarer Ansatz erwiesen. Von ihm darf man sich weitere Durchbrüche im Verständnis der letzten Ursachen aller geologischen Prozesse erwarten.

Literaturhinweise


Dynamics of Cretaceous Vertical Motion of Australia and the Australian-Antarctic Discordance. Von M. Gurnis, R. D. Müller und L. Moresi in: Science, Bd. 279, S. 1499, 6.3.98.

Dynamic Earth: Plates, Plumes and Mantle Convection. Von Geoffrey F. Davies. Cambridge University Press 2000.

Constraining Mantle Density Structure Using Geological Evidence of Surface Uplift Rates: The Case of the African Superplume. Von M. Gurnis et al. in: Geochemistry, Geophysics, Geosystems, Bd. 1, Paper Nr. 1999GC000035 (2000).

Aus: Spektrum der Wissenschaft 5 / 2001, Seite 28
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
5 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 5 / 2001

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