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Plattentektonik: Nordamerikas gebrochenes Herz

Ein riesiger Grabenbruch hätte vor rund einer Milliarde Jahren nahezu den nordamerikanischen Kontinent entzweit. Doch er blieb stecken. Den Ursachen dafür sind Wissenschaftler gerade auf der Spur.
Midcontinent Rift

An einem hellen Oktobersamstag zeigen die Bäume im Interstate State Park an der Grenze zwischen Minnesota und Wisconsin inmitten den USA ihre volle Herbstpracht. Zahlreiche Menschen bestaunen die bunten Blätter, schlängeln sich entlang der Wege, die durch eindrucksvolle Felsformationen aus dunklem Basalt zu einem Aussichtspunkt über dem St. Croix River führen. An einem der Gehwege dirigiert eine Fotografin ein junges Pärchen vor den Felsen in die richtige Pose, um ein romantisches Porträt von ihnen zu schießen. Wollten die beiden Verliebten mit dem Foto ihre ewig währende Liebe symbolisieren, hätten sie wohl eine andere Kulisse wählen sollen. Der zerklüftete Basalt, der ihre Gesichter rahmt, gehört zu einer riesigen Spalte, die sich in der Mitte Nordamerikas öffnete und den Kontinent vor 1,1 Milliarden Jahren fast zerriss – kein gutes Sinnbild für eine glückliche Beziehung.

Das Vulkangestein ist ein Überbleibsel des so genannten Midcontinent Rift – einem ausgedehnten Grabenbruch, der Geologen vor große Rätsel stellt. Grabenbrüche sind Risse in der äußeren Erdschicht, die anwachsen und schließlich neue Ozeane formen können. So entstand etwa der Atlantik vor etwa 200 Millionen Jahren auf diese Weise. Und auch heute erweitert ein aktiver Grabenbruch das Meeresbecken. Das Midcontinent Rift verhielt sich allerdings anders. Es zog einen 3000 Kilometer langen Riss durch Nordamerika und formte ein Becken in etwa so groß wie das Rote Meer – dann kam das System zur Ruhe. Der Grabenbruch breitete sich nicht weiter aus und der Kontinent blieb intakt.

Magnetische Gesteinsanomalien | Diese geomagnetische Karte des Gesteins in den USA zeigt eine Anomalie im Bereich des Midcontinent Rift, des Grabenbruchs, der Nordamerika fast zerrissen hätte. Er ist erkennbar als pinkfarbene Linienstruktur in einer rot-gelb-grünen Umgebung und geht von den Großen Seen aus.

"Wie das Rift die Erdkruste in der Region des Lake Superior zwar komplett umordnen konnte, es aber nicht schaffte, den Kontinent zu spalten, ist ziemlich erstaunlich", sagt Geophysiker Randy G. Keller von der University of Oklahoma in Norman. "Ein spektakulärer Fehlschlag", so der Leiter des Oklahoma Geological Survey weiter. Und dazu noch ein vergessener. Der Grabenbruch liegt mehrheitlich unter dicken Sedimenten verborgen, was seine Erforschung erschwert. Zudem befindet er sich weit ab von den Aufsehen erregenden geologischen Besonderheiten des Kontinents wie Bergketten und Erdbebenzonen. "Lange Zeit wurde der Grabenbruch kaum beachtet", sagt Geochemiker Peter Hollings von der Lakehead University im kanadischen Thunder Bay.

Doch das ändert sich gerade. Geologen strömen neuerdings in die Region, um die enormen Erzvorkommen, entstanden durch die vulkanische Aktivität während der Grabenbruchbildung, zu untersuchen. In Nordminnesota befindet sich beispielsweise die weltweit größte unerschlossene Kupfer-Nickel-Lagerstätte. Von Interesse sind auch das EarthScope-Projekt von der US-amerikanischen National Science Foundation und die damit verbundenen Programme: Dutzende von zeitweilig installierten Seismometern entlang des Grabenbruchs sollen dort einen beispiellosen Einblick in die Erdkruste und den oberen Erdmantel liefern.

Forscher wollen verschiedene Theorien überprüfen, warum der Grabenbruch auftrat und warum er sich wieder beruhigte. Der urzeitliche Riss ließe sich außerdem nutzen, um das Driften und Auseinanderbrechen von Platten generell besser zu verstehen. Und da die Lavaströme im Grabenbruch in der Mitte eines Kontinents stecken blieben, sehen sie heute noch so aus wie vor einer Milliarde Jahren – nicht demoliert von Kollisionen, wie sie an den Kontinentalrändern auftreten. Das Basaltgestein bietet daher ein beispielloses Zeugnis von längst vergangenen Ereignissen auf der Erde, aus einer Zeit, als sich die kontinentalen Platten zu einem Superkontinent namens Rodinia vereinigten, kurz nachdem sich mehrzelliges Leben entwickelt hatte. Die Zeit des Grabenbruchs scheint also gekommen, so das Gefühl unter Forschern. "Es gibt einen regelrechten Ansturm von Geowissenschaftlern, die früher wirklich nicht daran interessiert waren", sagt Keller.

Horchposten ins Erdinnere

Rund 145 Kilometer nordöstlich von jener Stelle, an der das Paar für sein Foto posierte, schaufelt Suzan van der Lee ein Loch, ein Kopftuch hält dabei ihr graues Haar zurück. Ungefähr einen Meter unter dem Waldboden legt sie ein Seismometer, verstaut in einem schwarzen Kunststoffrohr, frei. Begleitet wird die Geophysikerin von der Northwestern University in Evanston, US-Bundesstaat Illinois, von der Studentin Emily Wolin, die gerade vor einem Laptop kniet und die Daten aus dem Instrument überspielt.

Der Messplatz liegt 50 Kilometer südlich des Lake Superior, abseits der Hauptstraße und inmitten eines dichten Baumbestands aus jungen Espen und Eichen. Wolin hatte die Stelle vor zweieinhalb Jahren entdeckt, als sie durch das Gebiet wanderte, um geeignete Standorte im oder nahe dem Midcontinent Rift auszumachen. Vor allem mussten die Messplätze ausreichend von Straßen entfernt sein, um Vibrationen durch den Verkehr zu vermeiden.

Seither kontrolliert Wolin die Stationen alle sechs Monate. Auf ihren Rundgängen hat die Studentin bereits einiges erlebt: Sie musste etwa vor einem angriffslustigen Hund fliehen, nach einem Schneefall im späten Frühjahr ihre Schier anlegen und ihr Auto mit Hilfe eines Bärenjägers aus dem Schlamm befreien. Eine ihrer Stationen überstand ein Lauffeuer (zwar war ein Kabel geschmolzen, doch sie funktionierte noch), eine andere zeichnete Vibrationen auf, die umstürzende Bäume während eines ausgewachsenen Sturms verursachten. Andernorts nutzte ein Jäger das Solarpaneel – das den nötigen Strom für das Messinstrument liefert – offenbar, um seine Schießkünste zu verbessern: Wolin fand ein Einschussloch direkt in dessen Mitte.

Heute ist das Team hier, um Instrumente zu bergen, die zwei Wintern ausgesetzt waren und dennoch unbeirrt die seismische Aktivität rund um den Globus aufzeichneten. Die Stationen gehören zu einem Nebenprojekt von EarthScope, dem Superior Province Rifting EarthScope Experiment, kurz SPREE. In dessen Rahmen wollen Forscher den Midcontinent Rift mit insgesamt 82 zusätzlichen Stationen überwachen und vermessen. Ähnlich wie bei tomografischen Aufnahmen in der Medizin, scannen die Seismometer den Erdmantel und die Erdkruste nahe dem Grabenbruch ab, bis in eine Tiefe von rund 1000 Kilometern. Van der Lee hofft, auf diese Weise mehr darüber zu erfahren, wie weit sich der Grabenbruch ins Erdinnere erstreckt, und vielleicht einige Hinweise auf dessen Ursprung zu finden.

Obwohl die Forscher die Seismometer an vergleichsweise ruhigen Orten aufstellten, sind die aufgezeichneten Daten von einigen unvermeidbaren Störeffekten überlagert. Denn die Instrumente sind derart empfindlich, dass sie nicht nur Erdbeben auf der gesamten Welt detektieren, sondern auch Signale von Ozeanen und alle anderen Formen von seismischer Hintergrundaktivität. Die Herausforderung besteht darin, diese Störeinflüsse bei jeder Station herauszufiltern und das echte Signal zu extrahieren. Genau damit ist das Team gerade beschäftigt – und es wird Monate dauern, bis ein umfassenderes Bild der Untergrundstruktur vorliegt.

Palisade Head | Lavaströme der North-Shore-Volcanics-Gesteinsformation: Das Bild zeigt Palisade Head im Vordergrund vor Shovel Point. Beide bestehen aus rhyolithischen Gesteinen des Midcontinent Rift.

Schon jetzt sind die Forscher allerdings von den ersten Ergebnissen fasziniert: Die Daten variieren sehr stark entlang des Grabenbruchs. "Alles, was wir bislang sehen, deutet darauf hin, dass wir es mit einer sehr komplexen Struktur zu tun haben", erläutert van der Lee.

Geheimnisse aus der Tiefe

Geophysikalische Projekte wie SPREE werden unabdingbar sein, um auch die tiefsten Geheimnisse des Grabenbruchs zu lüften – denn ein Großteil der Struktur liegt im Erdreich verborgen. Durch Magnetfeld- und Schwerkraftanalysen der Region in den vergangenen 50 Jahren wissen Geophysiker, dass der Grabenbruch wie ein Hufeisen geformt ist: Zwei Arme zeigen vom Lake Superior gen Süden. Seismische Untersuchungen in den 1980er Jahren zeigten, dass die Basaltschichten im Grabenbruch bis tief unter die Erde reichen, unterhalb des Lake Superior bis zu 30 Kilometer [1]. Insgesamt produzierte der Grabenbruch zwischen ein und zwei Millionen Kubikkilometer an Basalt und ist damit einer der weltweit größten Vorkommen von diesem Gestein.

Die schiere Menge an entstandenem Basalt ließ viele vermuten, dass der Grabenbruch durch einen so genannten Mantel-Plume gespeist wurde – heißes Gestein steigt hierin senkrecht aus den Tiefen des Planeten auf. Eine andere weit verbreitete Idee besagt, dass aus dem Osten tektonische Platten auf den Kontinent trafen und den Grabenbruch so zum Stillstand brachten. Forscher haben Methoden aus der Geochemie, Geophysik und anderen Fachbereichen angewandt, um diese Ideen zu überprüfen: mit widersprüchlichen Resultaten. "Mit allen Modellen gibt es bisher Schwierigkeiten", sagt Hollings. "Keines von ihnen funktioniert wirklich perfekt. Doch mit Hilfe der neuen Studien können wir die Modelle neu bewerten und verschiedene Hypothesen durchspielen, wie es dazu kommen konnte", fügt er hinzu.

Einige Forscher sehen den Grabenbruch inzwischen als Teil eines viel größeren Rätsels. Die Geophysikerin Carol Stein von der University of Illinois in Chicago sprach im Oktober auf einer Konferenz der Geological Society of America (GSA) in Denver, Colorado, über diesen Ansatz. Das Midcontinent Rift war nicht isoliert, schlägt sie zusammen mit Keller und anderen Wissenschaftlern vor, sondern mit weiteren Grabenbrüchen verbunden. Letztere hatten zu der Zeit einen großen Einfluss auf die tektonischen Platten der Erde – inklusive der Bildung von Rodinia. Die Hypothese beruht auf einer früheren Studie von Keller [2]. Demnach zeigen Schwerefeldkarten, dass die Arme des Grabenbruchs viel weiter in den Süden reichen als man dachte – bis zum Rand von Laurentia, dem Vorläufer des nordamerikanischen Kontinents. Anderen Studien zufolge berührten sich Laurentia und Amazonia, einer der Vorläufer des südamerikanischen Kontinents, vor mehr als einer Milliarde Jahren. Getrennt haben sie sich vermutlich zu jener Zeit, als das Midcontinent Rift aktiv wurde [3]. Stein schlägt ein dreiarmiges Grabenbruchsystem vor, bestehend aus dem Midcontinent Rift und den beiden Armen, die Laurentia und Amazonia trennen.

"Wenn Kontinente auseinanderbrechen, scheint es vielerorts drei Arme zu geben, wobei ein Arm lahmgelegt wird und die beiden anderen Arme einen neuen Ozean bilden", erklärt die Forscherin. "Es wirkt schon weitaus weniger geheimnisvoll als noch vor einem Jahr. Wir hielten das Midcontinent Rift damals für eine sonderbare Struktur, die ihren Anfang inmitten des Kontinents nahm und dort auch wieder zur Ruhe kam." Im Zusammenhang mit den Grabenbrüchen am Rande von Laurentia, fügt sie hinzu, ergibt es aber plötzlich einen Sinn. Stein vergleicht das urzeitliche System mit dem, was heute am östlichen Rand von Afrika geschieht. Zwei Arme eines Grabenbruchs im Golf von Aden und im Roten Meer treiben die arabische Halbinsel von Afrika weg, während sich ein dritter Arm in Afrika bildet. Wenn dieser ostafrikanische Grabenbruch nicht weiter anwächst und schließlich erstarrt, würde er laut Stein dem nordamerikanischen Midcontinent Rift ähneln.

Ihre Hypothese weckte das Interesse von anderen Experten. "Es ist eine sehr plausible Theorie", so Stephen Marshak von der University of Illinois in Urbana-Champaign. Dennoch müssten seiner Ansicht nach entsprechende Tests folgen. Der Geologe und auch andere Wissenschaftler stimmen aber zu, dass das Verständnis des Midcontinent Rift auch einen Einblick in den ostafrikanischen Grabenbruch bieten kann – was ihn antreibt und wie er sich in der Zukunft entwickelt. "Beide beeinflussen sich gegenseitig", ergänzt er.

Heißes Gestein

Wissenschaftler wollen den Grabenbruch aber nicht nur verstehen, sondern ihn auch als ein Fenster in die Vergangenheit nutzen. Geschützt in der beständigen Mitte Nordamerikas, blieben die Lavaströme des Grabenbruchs seit einer Milliarde Jahren unversehrt – eine Seltenheit für derart altes Gestein. Mancherorts lassen sich noch kleine Wellen im Basalt erkennen, die sich ausgebildeten als die Lava abkühlte. "Es ist einfach fantastisch", sagt der Geologe Nicholas Swanson-Hysell von der University of California in Berkeley. "Es ist ziemlich erstaunlich, wie gut diese Ströme erhalten sind. Würde man sich die Oberfläche eines Lavafeldes auf Hawaii anschauen, das 1950 entstand, könnte man kaum einen Unterschied zu dieser 1,1 Milliarden Jahre alten Oberfläche feststellen."

Die exzellent erhaltenen Lavaströme lassen sich besonders gut im Gebiet des Mamainse Points am östlichen Ufer des Lake Superior beobachten. Zehn Kilometer entlang der Küstenlinie untersuchte Swanson-Hysell hier insgesamt 95 solcher Ströme. Die einzelnen Lavaströme messen wenige bis hin zu 20 Meter und sind Teil einer 4,5 Kilometer dicken Gesteinsformation. Letztere bildete sich während der aktivsten 15 Millionen Jahre in der Geschichte des Grabenbruchs, dessen gesamte Lebensdauer rund 30 Millionen Jahre betrug.

Als die Lava abkühlte, speicherte das ferromagnetische Gestein die Ausrichtung des Erdmagnetfelds zu jener Zeit. Mit Hilfe dieser winzigen eingefrorenen Kompasse lässt sich nachvollziehen, wie Laurentia im Lauf der Grabenbruchbildung rund um den Globus wanderte. Swanson-Hysell rekonstruierte aus den Mamainse-Strömen das frühere Erdmagnetfeld und fand Hinweise darauf, dass Laurentia womöglich schneller driftete als jede zuvor vermessene Platte [4]. Seine jüngsten Schätzungen, die er bei der GSA-Konferenz vorstellte, gehen von einer Geschwindigkeit zwischen 16 und 45 Zentimeter pro Jahr aus. Zum Vergleich: Die zweitschnellste bekannte Plattenbewegung brachte es nur auf 18 Zentimeter pro Jahr – vor 50 bis 60 ,Millionen Jahren bewegte sich Indien mit diesem Tempo auf Asien zu. "Diese Geschwindigkeit hielt man für sehr schnell und nahe dem maximal möglichen Wert für die Kontinentaldrift", berichtet Swanson-Hysell. Die meisten Platten bewegen sich heute nur rund vier bis neun Zentimeter pro Jahr. Bislang lässt sich die Geschwindigkeit für Laurentia nur recht ungenau angeben, künftig will Swanson-Hysell den möglichen Wertebereich aber weiter einschränken.

Das exakte Tempo dieses Kontinents zu kennen, wäre sehr wichtig für die Forscher. Denn es wäre eine große Hilfe dabei, die Bewegung aller Landmassen der Erde zum Zeitpunkt der Grabenbruchbildung zu rekonstruieren. Swanson-Hysell zufolge wäre es denkbar, dass die außergewöhnlich hohe Geschwindigkeit mehr als nur Laurentias Drift widerspiegelt. Ein Teil der Bewegung könnte durch eine so genannte echte Polwanderung verursacht worden sein: Die gesamte Erdkruste und der Erdmantel drehen sich gemeinsam um den Erdkern. Auftreten würde das Phänomen, wenn ein extrem dichter Materieklumpen im Erdmantel gen Äquator wandert und dabei Kruste und Mantel mitreißt.

Wenn tatsächlich eine solche echte Polwanderung stattfand, wäre das ein Indiz dafür, dass "etwas Bedeutendes im Inneren der Erde geschieht", so Swanson-Hysell. Doch selbst wenn nicht, fährt er fort, könnte die hohe Geschwindigkeit von Laurentia vielleicht erkennen lassen, was die Bewegung der tektonischen Platten zu jener Zeit antrieb. Die Wahrheit könnte eine Kombination der beiden Varianten sein. Um dies zu testen, möchte Swanson-Hysell ähnliche Messungen an Gesteinsproben von anderen Kontinenten durchführen. Zeugen sie von derselben schnellen Drift, wäre bewiesen, dass alle Platten gemeinsam wanderten – ein Hinweis auf eine echte Polwanderung. Gut erhaltenes Gestein aus dieser Ära zu finden, ist allerdings keine leichte Aufgabe.

Im Interstate State Park beginnt es derweil zu nieseln und die Menschenmassen strömen zurück zu ihren Autos. Die Regentropfen schwärzen den Basalt, verleihen ihm so kurzzeitig das Antlitz eines frischen Lavastroms. Gleich wird die Gegend menschenleer sein, nur die Felsen bleiben zurück – und mit ihnen die Geschichte, die Geologen gerade erst zu verstehen beginnen.

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