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Wie tief können Platten sinken?

Mit Subduktionszonen, an denen Erdkruste in den Erdmantel hinabgezogen wird, verknüpfen sich einige der interessantesten Fragen der Erddynamik. In Verbania präsentierten Geophysiker neueste Erkenntnisse über diese Brennpunkte tektonischer Aktivität, von denen die tiefsten Erdbeben und der gefährlichste Vulkanismus ausgehen.


Das größte irdische Transportunternehmen ist die Erde selbst. Ihre äußere Hülle zerfällt in sieben riesige und knapp doppelt so viele kleinere Platten, jede davon 50 bis 100 Kilometer dick. Mit Geschwindigkeiten von ein paar Zentimetern pro Jahr treiben sie dahin, driften nach beiden Seiten von den mittelozeanischen Rücken weg, wo sie durch frisch angeschweißte Lava ergänzt werden, und kehren in den Tiefseegräben ins Erdinnere zurück.

Recycling von Erdkruste


In der Kurzfassung ist die Geschichte dieses erdumspannenden Recyclings – fachsprachlich: Plattentektonik – schnell erzählt. Doch bei den Details der Erddynamik geraten auch Fachleute leicht ins Stocken. Das gilt besonders für letztgenannten Prozeß, bei dem eine ozeanische Platte schräg abwärts unter eine Nachbarplatte abtaucht. Diese "Subduktion" hat es in sich – löst sie doch immer wieder Erdbeben aus und läßt etwa 200 bis 300 Kilometer hinter dem Tiefseegraben eine Kette hochexplosiver Vulkane emporwachsen. Subduktionszonen speisen die gefährlichsten Feuerspeier der Erde.

Mit den Rätseln, die diese besonders dynamischen Regionen den Geowissenschaftlern aufgeben, befaßten sich Experten aus acht Ländern im September letzten Jahres in Verbania am Lago Maggiore auf einer Alfred-Wegener-Konferenz unter dem Titel "Prozesse und Konsequenzen der tiefen Subduktion". Der etwas abgelegene Tagungsort war durchaus beziehungsreich gewählt: In der Nähe gibt es Gesteine, die im Laufe einer Subduktion erheblichen Belastungen durch Druck und Hitze ausgesetzt waren, bevor es sie wieder an die Erdoberfläche verschlug. Solch praktische Anschauung schätzen Wissenschaftler, die – anders als Jules Vernes unerschrockene Helden in der "Reise zum Mittelpunkt der Erde" – im wesentlichen darauf angewiesen sind, ihre Erkenntnisse auf indirektem Wege zu gewinnen: durch das Studium von Erdbebenwellen, Experimente in Hochdrucklaboratorien, chemische und mineralogische Untersuchungen an aus der Tiefe ausgeworfenen Gesteinen sowie Modellversuche im Computer.

So waren denn auch Geowissenschaftler unterschiedlicher Disziplinen an den Lago Maggiore gereist: Experten für Seismologie, Geodynamik, Geochemie, Petrologie, Mineralphysik. "Ein einzelnes Fachgebiet allein", erläutert David Rubie, Direktor am Bayerischen Geoinstitut in Bayreuth und Initiator der internationalen Tagung, "kann die Fragen nicht klären, um die es uns hier geht. Jeder stützt sich auf die Ergebnisse der anderen und braucht die Bestätigung seiner Befunde durch Kollegen, die mit anderen Methoden arbeiten." Im Mittelpunkt der Referate und Diskussionen standen drei Fragenkomplexe:

‰ Wie tief sinken die abtauchenden Platten?

‰ Wie kommt es zu den teils sehr starken Tiefbeben, deren Herde bis fast 700 Kilometer unter der Erdoberfläche liegen und die mit den Theorien über die Entstehung "normaler", flacher Beben nicht erklärbar sind?

‰ Welche Prozesse beim Abtauchen führen dazu, daß sich ab etwa 100 Kilometer Tiefe auf breiter Front Magma bildet, das zur Erdoberfläche aufsteigt und sich in Vulkanketten Bahn bricht?

Die Möglichkeit, das unzugängliche Erdinnere zu erforschen, eröffnete sich erst Anfang des 20. Jahrhunderts mit der Einrichtung von Erdbebenwarten. Erdbebenwellen durchlaufen die Erde um so schneller, je dichter die Region ist, die sie gerade passieren. Die Auswertung ihrer Laufzeiten auf verschiedenen Routen ergab die bekannte Einteilung der Erde in Kruste, Mantel und Kern. Im Mantel wiederum sind zwei scharfe Grenzen auszumachen, wo die Geschwindigkeit der Erdbebenwellen jeweils sprunghaft ansteigt und damit eine Zunahme der Gesteinsdichte anzeigt. Dementsprechend wird der Erdmantel in einen oberen und einen unteren Teil gegliedert, mit einer Übergangszone dazwischen. Der obere Mantel reicht bis 410 Kilometer hinab, der untere beginnt bei 660 Kilometern.

Daß die auf Subduktionszonen beschränkten tiefen Erdbeben gerade noch bis an den unteren Mantel vorkommen und dann nicht mehr, ließ sie besonders interessant erscheinen. Die Geowissenschaftler fragten sich, ob die Untergrenze der Beben zugleich auch die Endstation für die Platten auf ihrer abschüssigen Bahn ist. Wird das Plattenmaterial von dort zurück zu einem mittelozeanischen Rücken geleitet? In diesem Fall müßte im unteren Mantel ein zweites Kreislaufsystem zirkulieren, das die im Kern produzierte Wärme ableitet. Oder durchstoßen die Platten doch die 660-Kilometer-Grenze und sind Teil eines einzigen, den ganzen Mantel umfassenden Konvektionszyklus?

Nach jahrelangem Für und Wider herrschte in Verbania Einmütigkeit, daß die Platten tief in den unteren Mantel eindringen und sogar die Kern-Mantelgrenze in 2900 Kilometer Tiefe erreichen können (Bild). Beim großen Recycling wird also der ganze Mantel aufgemischt. Unklar ist aber weiterhin, ob jede Platte so tief sinkt.

Bei ihrer Detektivarbeit über das Schicksal der Platten konnten die Geowissenschaftler lange nur auf Computermodelle zurückgreifen. In die bauten sie ein, was sie über den Mantel und die Platten wußten oder zu wissen glaubten, gestützt auf mehr oder weniger gesicherte Daten und plausible Annahmen.

Gut gesichert sind die Dichte des Mantelgesteins – aus den Laufzeiten der Erdbebenwellen abzuleiten – und der Druck in den unterschiedlichen Tiefen – nach einfachen physikalischen Gesetzmäßigkeiten zu berechnen. Weniger sicher sind die Temperaturen. Woraus der Mantel besteht, ist vereinzelt an der Erdoberfläche zu sehen, wo gelegentlich Mantelgestein von einer abtauchenden Platte abgeschabt wurde und am Kontinentalrand hängengeblieben ist. Stets handelt es sich dabei um Peridotit, ein olivgrünes bis bräunliches Gestein mit dem Mineral Olivin als Hauptbestandteil.

Peridotit ist auch das Muttergestein der Diamanten. Dies beweist seine Herkunft aus größerer Tiefe; denn die Edelsteine entstehen nur unter einem Druck, wie er mindestens 150 Kilometer unter der Erdoberfläche herrscht. In den Diamanten wiederum sind mitunter Minerale eingeschlossen, die sich erst bei noch viel höheren Drücken bilden. Alle Untersuchungen sprechen dafür, daß der obere Mantel durchweg aus Peridotit besteht und das Gestein darunter dieselbe chemische Zusammensetzung hat. Nur: Unter dem wachsenden Druck erfolgt in 410 und 660 Kilometer Tiefe – an der Grenze zwischen oberem und unterem Mantel – unvermittelt eine Umkristallisation des Olivins zu dichteren Mineralen. Diese Umwandlungen wurden in Hochdrucklabors eingehend untersucht.

In einer Subduktionszone sind die Verhältnisse noch komplizierter. Die abtauchende Platte ist nämlich kälter und damit schwerer als ihre Umgebung. Zwar erwärmt sie sich allmählich, aber bei der extrem schlechten Wärmeleitfähigkeit von Gestein dauert das viele Jahrmillionen. Bei demselben Druckverlauf wie im ungestörten Mantel, aber anderen Temperaturen finden die Umkristallisationen in anderen Tiefen statt, was wiederum die durchschnittliche Dichte der Platten beeinflußt. Aufgrund unterschiedlicher Annahmen gelangten die Modelle in der Frage, wie tief Platten sinken können, zu divergierenden Ergebnissen.

Klarheit brachte die seismische Computertomographie, die das Erdinnere auf ähnliche Weise zu enthüllen vermag wie die medizinische Computertomographie Strukturen des menschlichen Körpers. Statt Röntgenstrahlen benutzt man allerdings Erdbebenwellen, um die Erde von allen Seiten zu "durchleuchten". In beiden Fällen werten Computer die Meßdaten aus und setzen sie zu Bildern zusammen.

Erst seit kurzem ist die seismische Tomographie imstande, die geringen Dichteunterschiede zwischen abtauchenden Platten und ihrer Umgebung zu erfassen. Die in Verbania präsentierten Darstellungen zeigten deutlich, daß die Platten die Grenze zum unteren Mantel durchstoßen (Bild auf Seite 17). Zwar gehen einige zu einem flacheren Abtauchwinkel über oder schwenken gar vorübergehend in die Horizontale, setzen aber insgesamt ihren Weg nach unten fort. Die meisten Platten zerlaufen im unteren Mantel etwas, und ihre Spuren verlieren sich in unterschiedlichen Tiefen. Das kann mit dem Alter der Subduktionszonen zusammenhängen – die abtauchenden Platten sind vielleicht noch nicht weit genug gekommen. Andererseits wurden im unteren Mantel auch Platten von längst verschwundenen Subduktionszonen entdeckt. Und es fehlt nicht an Beispielen für Platten, die eindeutig bis zur Kern-Mantel-Grenze hinabreichen und dort eine schon länger bekannte, nun als "Platten-Friedhof" angesehene Schicht verstärken.

So einhellig diese Ergebnisse akzeptiert wurden, so lebhaft war die Diskussion über die mit Subduktionszonen verbundenen Tiefbeben, von denen einige zu den stärksten seismischen Erschütterungen in der jüngsten Zeit gehören: das im März 1994 unter Tonga (Magnitude 7,6), im Juni 1994 unter Bolivien (Magnitude 8,3) sowie im Juni 1996 unter der Flores-See zwischen Sulawesi (Celebes) und den Kleinen Sundainseln (Magnitude 7,8). Das Beben von Bolivien war selbst noch im kanadischen Toronto zu spüren. Zum Glück richten auch sehr starke Tiefbeben keine große Schäden an, weil ihre Herde so weit unter der Erdoberfläche liegen.

Rätselhafte Tiefbeben


Was aber löst sie aus? Eigentlich dürfte es sie gar nicht geben. Unter der Hitze und dem gewaltigen Druck in der Tiefe – rund 1600 Grad Celsius und 260000 Atmosphären bei 700 Kilometern – verhalten sich die Gesteine der aneinander entlanggleitenden Platten nämlich bereits derart plastisch, daß sie sich nicht mehr – wie in Oberflächennähe – ineinander verhaken und schließlich mit einem Ruck nachgeben können.

Harry Green II von der Universität von Kalifornien in Riverside glaubte vor einigen Jahren, die Ursache dieser "unmöglichen" Beben gefunden zu haben (siehe seinen Artikel "Der Mechanismus von Tiefbeben", Spektrum der Wissenschaft, Februar 1995, S. 36). Seiner zunächst weithin akzeptierten Theorie zufolge findet in den abtauchenden kalten Platten die an der 440-Kilometer-Grenze fällige Mineralumwandlung nicht sofort statt, so daß ein metastabiler Bereich entsteht. Zu Tiefenbeben kommt es, wenn das Gestein in diesem Bereich mit einiger Verzögerung dann schlagartig die Hochdruckmodifikation annimmt und sich dabei ruckartig verdichtet.

In Verbania überwogen die Vorbehalte gegen diese Theorie. Neue seismologische Befunde sowie Experimente und theoretische Untersuchungen an Mineralen bei hohen Temperaturen und Drücken haben zunehmend Zweifel daran geweckt. So erklärten Seismologen, sie "sähen" gar keinen metastabilen Bereich, obwohl er auf den Tomogrammen zu erkennen sein müßte. Andererseits gibt es auch keine allgemein akzeptierte neue Erklärung. Zu den diskutierten Alternativen gehörte die Idee, daß in den subduzierten Platten Bruchzonen aus der Zeit vor dem Abtauchen reaktiviert würden: "Old faults never die" – alte Verwerfungen verschwinden nicht.

Paradox erscheint auch der Ursprung der brisanten Vulkane, die Subduktionszonen regelmäßig begleiten. Der Hauptteil des Magmas bildet sich nämlich keineswegs in der abtauchenden Platte, sondern in der darüber, die eigentlich gar nicht betroffen ist. Wieso zündet eine kalte Platte, die sich unter eine heißere zwängt, in dieser ein "Feuerwerk", bei dem sich Schmelzen bilden, die ihren Weg nach oben suchen?

"Ein faszinierendes Thema", meint Tagungsleiter Rubie, "denn eine Fülle von physikalischen und chemischen Prozessen ist an der Entstehung der Schmelzen und deren Migration beteiligt." Auf der Konferenz blieben viele Detailfragen offen. Doch herrschte grundsätzlich Konsens darüber, wie der Widerspruch aufzulösen ist, daß eine Kühlung bewirkt, was eigentlich bei weiterer Erhitzung zu erwarten wäre: Mit der abtauchenden Platte gelangen Stoffe in die Tiefe, die das Schmelzen erleichtern und so als Flußmittel wirken – Wasser vor allem, aber auch darin gelöste feste Stoffe und Kohlendioxid. Experimente belegen hinreichend, daß solche Effekte die Kühlung überkompensieren können.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
1 / 2000

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 1 / 2000

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